來源：由半導體芯聞編譯自semiengineering

要點總結：

汽車以太網，特別是 10BASE-T1S，正在成為車載網絡中 CAN 的替代品，預計未來自動駕駛和聯(lián)網汽車將擁有更高的速度。

汽車領域向以太網的過渡并非普遍現(xiàn)象；一些原始設備制造商 (OEM) 可能由于成本原因在某些領域保留 CAN 或 LIN，而且集成各種以太網標準在技術上是可行的，但很復雜。

汽車以太網的應用仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，包括噪聲、測試和互操作性等問題。

現(xiàn)代車輛中海量數(shù)據的傳輸早已超出傳統(tǒng)CAN總線的處理能力。因此，車載以太網正逐漸成為處理器和存儲器之間數(shù)據傳輸?shù)睦硐脒x擇。

車載以太網具有諸多優(yōu)勢。它比銅線速度更快、重量更輕，經過各種環(huán)境條件下的充分測試，并且已經成為標準。此外，它還提供多種速度選擇，其中 10BASE-T1S 的運行速度可達 10 Mbit/s，很可能成為 CAN 總線的替代者。

Synopsys以太網IP產品組合首席產品經理Jon Ames表示：“目前我們看到的汽車以太網普遍存在低速問題。BASE -T1S目前仍處于CAN總線領域。雖然一些汽車技術可以達到更高的速率，例如每秒數(shù)千兆比特，但我們發(fā)現(xiàn)，在低速率下，尤其是在網絡邊緣，應用最為活躍。區(qū)域控制器實際上會發(fā)出多跳電纜。這是一根可以連接到多個端點的單對雙絞線，這些端點可以是簡單的交換設備，也可以是需要啟用或禁用的設備。這些設備上的流量并不大。關鍵在于簡化布線系統(tǒng)，采用多點總線，并使用一種可以通過交換機連接到汽車網絡內部的技術，這樣就可以為中央控制器提供服務，中央控制器再與邊緣區(qū)域、區(qū)域交換機通信——所有這些交換機都通過10BASE-T1S進行多跳連接。”

由于成本較低，一些原始設備制造商 (OEM) 可能會選擇在某些地方使用 10BASE-T1，而在其他地方繼續(xù)使用 CAN 或 LIN?！皩⒉煌愋偷囊蕴W（例如 10BASE-T1S）與既定標準集成在技術上是可行的，但很復雜，”是德科技 ( Keysight) EDA汽車與能源集團 SDV 解決方案經理 Seung-Taek Chang 表示。

不過，目前的汽車以太網也面臨一些挑戰(zhàn)。Keysight 指出的挑戰(zhàn)包括：

• EMC/EMI 合規(guī)性：確保在嘈雜的汽車環(huán)境中（尤其是高速鏈路）的信號完整性。
• 模式轉換和串擾：管理連接器、PCB 和電纜中的差模到共模轉換。
• 多千兆位合規(guī)性測試：需要高端示波器和矢量網絡分析儀來測量抖動、上升/下降時間和眼圖。
• 互操作性：確保在混合網絡（以太網、CAN、LIN、SerDes）中無縫運行。
• 安全：通過身份驗證、加密和入侵檢測來保護基于以太網的 IVN 免受網絡威脅。

開放聯(lián)盟的汽車以太網規(guī)范詳細規(guī)定了各種速度和要求。雖然五年前 10 Mbps 被認為是高速，但標準一直在變化。

軟件定義車輛(SDV) 和 10 Gbps

以上的高速網絡并非所有汽車領域和應用都需要。然而，未來配備完整娛樂功能的車輛將需要更高的速度，而且在不久的將來，速度可能達到千兆比特/秒。而在采用 6G 技術的全自動駕駛軟件定義車輛中，這些需求甚至可能達到太比特/秒。

如果沒有汽車以太網，就很難實現(xiàn)軟件定義車輛 (SDV) 的承諾，包括高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和空中更新。

英飛凌科技ATV事業(yè)部以太網解決方案高級副總裁兼總經理Mike Yeager表示：“OEM廠商之所以需要SDV（智能分布式車輛），是因為它是一個能夠兼容所有品牌和車型的單一平臺。更重要的是，從技術層面來看，它減少了線纜數(shù)量，減輕了車輛重量，使得使用一個能夠為整車提供SDV服務的平臺在經濟上成為可能。架構方面已經發(fā)生了根本性的轉變，主要體現(xiàn)在三大支柱上：安全可靠的計算、高速車載網絡（汽車以太網）以及智能配電?！?/span>

Yeager指出，目前SDV（共享驅動車輛）約占所有車輛銷量的5%，但預計到2030年將占到50%?！捌?0Gbps以太網具有變革性意義。以前，我們只能使用各種不同的導電方式?，F(xiàn)在，汽車以太網的帶寬允許我們使用雙向導線在15米長的電纜上行駛，這使我們能夠將網絡擴展到全球?！?/span>

目前， 25 Gbps 及以上的高速

網絡并不像 10 Mbps 的 10BASE-T1S 那樣普及，但這種情況很可能在不久的將來發(fā)生改變?！拔覀兇_實看到一些設計方案采用了這種速度，但目前還不常見，因為高速網絡真的會在汽車上普及嗎？”艾姆斯說道，“我聽說這種情況正在發(fā)生，而且已經醞釀了一段時間了?！?/span>

視頻需求的增長將是汽車制造商推動提升傳輸速度的原因之一?！熬蛶挾裕绻阆霃臄z像頭獲取未壓縮的視頻，那可能需要幾千兆比特的帶寬。然后，如果你在車里安裝了多個攝像頭，帶寬就可能達到幾十甚至幾百千兆比特，這樣就能達到這樣的水平了?！卑匪怪赋?。

IEEE 802.3cy 標準規(guī)定汽車應用需要 25 Gbps 的 PHY 芯片，但攝像頭、傳感器、視頻和顯示鏈路需要更高的速度才能實現(xiàn)傳感器聚合?！捌囈蕴W正在借鑒企業(yè)以太網的特性，例如 MACsec 和 TSN，并向 25 至 100 Gbps 的 PHY 芯片擴展，同時采用 PCIe 作為骨干網絡，”Cadence 設計 IP 產品營銷集團總監(jiān) William Chen表示。

高速汽車以太網也將有助于實現(xiàn)全自動駕駛（L4/L5）汽車的愿景?！拔磥淼臉藴士赡軙赜趯⒁蕴W與新興的診斷、V2X 和空中升級協(xié)議集成，”Rambus 硅 IP 業(yè)務開發(fā)總監(jiān) Adiel Bahrouch 表示。 “TSN、MACsec 和高速 PHY 的融合將為下一代汽車構建一個強大的框架。隨著以太網成為汽車網絡的通用語言，標準化將推動創(chuàng)新和可擴展性。”

有些人認為未來會比預期來得更快?！拔夜烙嫞缃褴囕v中大約 90% 的以太網連接都發(fā)生在網關和中央計算設備之間，”西門子 EDA汽車和軍工航空混合物理和虛擬系統(tǒng)副總裁 David Fritz 表示。 “這將是一種區(qū)域架構，例如，在車輛的各個區(qū)域和核心之間使用高速以太網，然后是中央計算，其能力正越來越接近高性能計算（HPC）。一旦執(zhí)行器和傳感器跟上，這種用于高性能計算的太比特級數(shù)據在不久的將來肯定會應用到汽車和飛機上。假設你是一家索尼公司，銷售相機。你現(xiàn)在擔心的不是明年的型號，而是未來五年的型號。無論索尼做出什么決定，他們至少在未來五到七年內都必須支持基于 CAN 總線的接口以及他們支持的許多其他接口。這是一個真正影響技術普及率的商業(yè)難題，而不是技術本身的問題?！?/span>

光以太網

是傳統(tǒng)協(xié)議的另一個挑戰(zhàn)者，它在汽車應用中比銅纜具有諸多優(yōu)勢。

“這些優(yōu)勢包括更高的帶寬、更輕的重量、抗電磁干擾能力、更高的散熱效率和更長的傳輸距離，”是德科技的張先生表示。 “光纖鏈路可以支持25Gbps甚至更高的傳輸速率，使其成為ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）、信息娛樂系統(tǒng)和傳感器融合的理想選擇。光纖也比傳統(tǒng)的銅纜更輕，這有助于提高電動汽車的續(xù)航里程和整體燃油效率。此外，光纖不受電磁干擾，確保在電氣噪聲較大的汽車環(huán)境中也能可靠運行。它們的散熱效率也更高，光物理層（PHY）功耗更低、發(fā)熱量更少，從而簡化了ECU（電子控制單元）的散熱設計。而且，光纖鏈路無需均衡或放大即可在更長的距離上保持信號完整性?！?/span>

光以太網有望在采用區(qū)域架構和集中式計算的新型車輛中得到廣泛應用?！坝捎谂f款ECU和線束不兼容，集成新的光PHY和連接器成本高昂且復雜，因此不太可能對老款車型進行改造。此外，OEM廠商正將研發(fā)重點放在面向未來的下一代電動汽車和自動駕駛平臺上。”張先生表示。

張指出，未來具備大規(guī)模傳感器融合和 V2X 數(shù)據交換功能的自動駕駛汽車最終可能需要超過 100 Gbps 的鏈路速度，而這些鏈路速度可能以光纖形式實現(xiàn)。

SerDes 和非對稱以太網

雖然 CAN 和 LIN 最終可能會被汽車以太網取代，但 SerDes 仍然至關重要，因為它將并行數(shù)據轉換為串行數(shù)據進行傳輸，反之亦然。

以太網和SerDes都是現(xiàn)代互連技術的基礎，但它們的拓撲結構和設計權衡造就了二者之間重要的區(qū)別?！包c對點SerDes技術在局部高帶寬連接方面表現(xiàn)出色，”Cadence公司的陳先生表示，“而像ASA Motion Link 2.0這樣采用非對稱以太網通信的新型汽車標準，可能會模糊二者之間的界限，并隨著時間的推移提高互操作性?！?/span>

車載以太網專為車載骨干網絡而設計，針對惡劣環(huán)境（電磁干擾/電磁兼容性、噪聲、溫度變化）、重量和成本敏感性以及中等距離電纜（通常小于 15 至 20 米）進行了優(yōu)化。它還要求在車載環(huán)境中具有確定性的行為，以滿足 ADAS、傳感器和 ECU 等應用的需求。

汽車串行器/解串器(SerDes)通過提供點對點高速鏈路來補充汽車以太網。MIPI A-PHY、ASA Motion Link 和 Open GMSL 等標準針對高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和區(qū)域架構進行了優(yōu)化。它們的非對稱鏈路設計非常適合攝像頭、傳感器和顯示應用，這些應用需要在主機 CPU/ECU 和終端設備之間提供充足的單向帶寬。

與此同時，非對稱以太網并不能取代SerDes（例如GMSL或FPD-Link）?！坝捎诘脱舆t和高可靠性，SerDes仍然是攝像機和顯示器鏈路的最佳選擇，”陳說道?！胺菍ΨQ以太網（例如ASA-MLE）正在興起，旨在標準化SerDes目前的功能，提供基于以太網的替代方案，例如下行10 Gbps、上行100 Mbps的非對稱帶寬。雖然過渡仍在進行中，但SerDes目前仍然非常重要?！?/span>

非對稱以太網的一大優(yōu)勢是功耗更低?！巴ǔＧ闆r下，如果我們想在上行和下行之間保持相同的速度，就需要大量的電力，”英飛凌科技高級應用工程師Benjamin Tan表示，“而對于非對稱以太網，我們實現(xiàn)了10Gbps的下行速度，這樣視頻攝像頭的數(shù)據就可以傳輸?shù)紺PU處理器，而上行速度僅為100Mbps。”

開發(fā)人員之所以朝著這個方向發(fā)展，是因為它有可能降低成本、縮小芯片尺寸并降低功耗?！斑@款攝像機采用同軸電纜供電，”Tan說道?！巴S電纜供電也可以看作是以太網供電，這取決于你如何理解。它使用15米長的電纜，這是行業(yè)標準，可以實現(xiàn)所有上行和下行數(shù)據的處理?！?/span>

在 10BASE-T1 中，“1”代表差分對的數(shù)量?！皩τ谄囆袠I(yè)，我們總是希望盡可能減少銅纜的使用，所以我們只使用一對差分線，而其他行業(yè)則根據數(shù)據傳輸量的不同，使用 T4 或 TX 線纜，”Tan 解釋道?！澳壳埃覀兊膫鬏斔俣热匀皇芟抻?10 Gb。這主要用于攝像頭視頻流。如果要傳輸 4K 60 FPS 的視頻，那已經需要 10 Gb 的帶寬了，而我們通常只需要一根線纜。”

數(shù)據中心的異同

隨著汽車網絡速度的提升，車輛開始越來越像數(shù)據中心。

陳表示：“數(shù)據中心和汽車行業(yè)正在經歷持續(xù)的技術交叉融合，尤其是在單對以太網（SPE）和SerDes設計技術方面?；谛酒M的SoC和3nm及以下先進工藝節(jié)點的融合，正在加速汽車和數(shù)據中心技術的融合，尤其是在人工智能驅動架構日益普及的情況下。”

汽車芯片組也可能意味著更多超大規(guī)模集成電路（UCIe）技術將被應用到車輛設計中。Synopys公司的Ames表示：“如果你看看現(xiàn)有的汽車架構，你可能不需要大型芯片，或者因為大型芯片成本高昂而需要芯片組。但如果你展望未來，考慮到自動駕駛汽車的計算能力，你可能會開始看到芯片組的應用，因此超大規(guī)模集成電路（UCIe）技術也將隨之興起。因為一旦計算能力提升到很高的水平，就需要大尺寸的硅芯片，而芯片組就顯得尤為重要?！?/span>

陳表示，展望未來，邊緣計算、工業(yè)、運營技術以及芯片組等可組合架構的融合，可能會為汽車級以太網或SerDes創(chuàng)造機遇，尤其是在低成本、輕量化線纜具有優(yōu)勢的領域?！霸诤诵某笠?guī)模數(shù)據中心，SerDes可能仍將專注于超高速、低抖動和高能效。更大的影響可能來自于SerDes的創(chuàng)新——例如均衡和容錯能力——對通用高速SerDes設計的反饋，而不是直接采用汽車級PHY。”

與汽車應用相比，數(shù)據中心SerDes已經能夠實現(xiàn)更高的以太網速度，包括100G、200G、400G，并正朝著800G和1.6T邁進，這些速度均符合IEEE 802.3ck等標準。可靠性要求也不同?！皵?shù)據中心需要極低的誤碼率、極高的正常運行時間和冗余系統(tǒng)，”陳先生說，“汽車零部件必須在嚴苛的環(huán)境下可靠運行，并具備不同的故障模式和認證標準，例如ASIL和ISO?！?/span>

汽車以太網的Tbps

速度在數(shù)據中心已經存在障礙，但汽車部署也存在障礙，此外，目前的汽車還不需要這種速度。

Keysight 的 Chang 表示： “目前汽車應用的發(fā)展趨勢是 25 至 50 Gbps 的傳輸速率。Tbps級鏈路對于目前的車載需求來說性能過剩，并且面臨著功率、成本和散熱等方面的限制。”

Rambus公司的Bahrouch也認同，在汽車以太網中實現(xiàn)Tbps級速度不僅僅是帶寬方面的挑戰(zhàn)。“這代表著硬件和軟件堆棧的架構變革。實現(xiàn)這一飛躍需要重新思考物理層設計、電磁抗擾性和散熱管理，尤其是在雷達、激光雷達和攝像頭數(shù)據匯聚的區(qū)域架構中。在容錯、低延遲的主干網上同步數(shù)百個ECU，是對確定性網絡性能的極限挑戰(zhàn)?！?/span>

然而，其優(yōu)勢顯而易見。太比特以太網將實現(xiàn)大規(guī)模的實時傳感器融合，使車輛能夠以更快的速度和更高的精度感知、決策和行動，并成為智能網聯(lián)汽車（SDV）不斷發(fā)展演進而非一成不變的基礎架構。

更高的計算能力，需要更大的帶寬

動態(tài)SDV（軟件定義車輛）需要更強大的計算能力，這就需要更高速的以太網?！皵?shù)據中心的技術最終會應用到這些車輛中，”西門子的弗里茨表示，“我們預計未來幾年內，將會出現(xiàn)配備64或128個CPU核心、多個GPU和NPU的中央計算系統(tǒng)?！?/span>

這意味著ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）和車載娛樂系統(tǒng)提高了GPU的計算需求?！拔覀兛吹綄PU處理能力和吞吐量的需求正在大幅增長，”Imagination Technologies產品管理高級總監(jiān)Rob Fisher表示，“這主要是由于集中化、自動駕駛能力的提升以及更多屏幕的出現(xiàn)，而這些都得益于車載以太網?！?/span>

無線技術也正在普及，Wi-Fi 7、8 及更高版本也可能在汽車中發(fā)揮更大的作用，不僅用于娛樂，最終甚至用于安全關鍵型應用場景。

Synaptics低功耗邊緣人工智能高級產品經理 Ananda Roy 表示：“我們的目標是北美、歐洲和日本的大型汽車制造商，旨在減少車輛中的線束數(shù)量。據他們說，一輛汽車里大約有 60 到 70 個不同的微處理器和控制器，還有數(shù)百條 CAN 總線通過線纜連接，這使得車輛的制造成本非常高昂。而且，一旦發(fā)生碰撞，這些設備極易起火，從而危及乘客安全。如果能夠減少這些線纜，對用戶和汽車制造商來說都將是巨大的優(yōu)勢。我們正在通過 Wi-Fi 7 來實現(xiàn)這一點?！?/span>

Wi-Fi 取代 CAN 總線的首要任務是驅動信息娛樂系統(tǒng)?！跋胂氍F(xiàn)在的信息娛樂系統(tǒng)，尤其是有孩子在看電視，或者你是一位忙碌的專業(yè)人士，與他人同行，想要訪問互聯(lián)網內容時，后座娛樂系統(tǒng)都是通過 CAN 總線從主機獲取數(shù)據，”Roy 說?！艾F(xiàn)在，所有這些娛樂功能都可以通過 Wi-Fi 實現(xiàn)。我們也在努力使其具備安全關鍵功能。有了延遲低于 10 毫秒的 Wi-Fi 7，您無需錯過任何重要信息?！?/span>

結論

無論車輛技術需要多快的速度，汽車以太網都比 CAN 具有優(yōu)勢，并且很可能在許多應用場景中取代 CAN。

西門子的弗里茨說：“即使加裝一些額外的線路，重量也幾乎可以忽略不計，而且數(shù)據傳輸速度足夠快，汽車以太網大大簡化了這些復雜系統(tǒng)設計的一個方面?！?/span>

其他人也認同這一觀點。英飛凌的葉格表示：“汽車以太網目前在市場上占據主導地位。它是區(qū)域架構的支柱，也是我們今天能夠實現(xiàn)軟件定義汽車的原因?！?/span>

最后，人工智能是關鍵驅動因素?！拔覀兛吹饺斯ぶ悄軣o處不在，從云計算和邊緣計算到人工智能物聯(lián)網和汽車領域，”Cadence公司的陳表示?！捌囅到y(tǒng)設計越來越多地采用高速互連協(xié)議，例如PCIe、UCIe和以太網，這與數(shù)據中心的發(fā)展趨勢相呼應?！?/span>

參考鏈接：

https://semiengineering.com/auto-ethernet-10base-t1s-steps-up-with-tbps-on-the-horizon/