今天小編分享的汽車經驗：汽車芯片的下一波革命或将發生在這一通信領網域，歡迎閱讀。
圖片來源 @視覺中國
文｜半導體產業縱橫
以太網（Ethernet，IEEE 802.3 标準）應用市場廣闊，自 1973 年誕生以來，已經歷 40 多年的發展歷程。因其具備技術成熟、高度标準化、帶寬高及低成本等諸多優勢，成為了應用最普遍的局網域網技術，覆蓋家庭網絡及用戶終端，企業及園區網，運營商網絡，大型數據中心和服務提供商等應用領網域，在全球範圍内形成了以太網生态系統，是當今信息世界最重要的基礎設施，需要通過以太網通信的終端設備都可以采用以太網物理層芯片（PHY 芯片）及相關設備實現通信。
以太網協定采用星形拓撲或線性總線，這是 IEEE 802.3 标準的基礎，在 OSI（Open System Interconnection）七層（物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層）網絡結構中，以太網協定在物理層和數據鏈路層工作。以太網将數據鏈路層的功能劃分到了兩個不同的子層，分别是邏輯鏈路控制層和介質訪問控制（Media Access Control，MAC）層。
本文主要關注物理層，OSI 物理層規範規定的是連接傳輸介質的相關器件标準，主要包括機械特性，電氣特性和功能特性。機械特性是指接口所用連接器的尺寸、引線個數、引線排列順序，以及固定方式和材質等機械性能指标；電氣特性是指介質及接口電壓、電流指标；功能特性是指物理層器件需要實現的功能，例如，如何處理數據流，使用哪種編碼方式，以及規定幀格式等。
根據以太網聯盟創建的路線圖，将以太網應用分為五大類：工業自動化，車載以太網，企業應用，電信運營商，數據中心。具體來看，包括信息通信（路由器、交換機、無線終端、中繼器），智能電子（機頂盒、LED 顯示屏、網絡印表機、智能電視），工業控制（礦業、工業相機等），監控設備（安防攝像頭），以及汽車系統中的輔助駕駛、智能網聯、攝像頭、激光雷達、行車記錄儀等。
PHY 芯片是互聯的關鍵
以太網物理層芯片（PHY）工作于 OSI 網絡七層架構的最底層，是有線傳輸通信芯片，用以實現不同設備之間的連接。具體而言，PHY 芯片連接數據鏈路層的設備到物理媒介，并為設備之間的數據通信提供傳輸媒介，處理信号的正确發送與接收。
網絡接口電路一般由 CPU、MAC 控制器和物理層接口（PHY）組成，PHY 整合了多種模拟電路，MAC 是全數字器件。它們通常有以下三種集成結構：1、CPU 内部集成了 MAC 和 PHY，這種比較少見；2、CPU 内部集成了 MAC，PHY 是獨立芯片，這種比較常見；3、CPU 不集成 MAC 和 PHY，MAC 和 PHY 采用獨立芯片或者集成芯片。
在 IC 設計業内，PHY 芯片的研發門檻是比較高的，這是因為 PHY 芯片要将數字信号轉換為模拟信号，并把它發送到通信介質上，同時，從接收到的模拟信号中恢復出數字信号，再傳輸到上層芯片處理。因此，PHY 芯片是一個復雜的數模混合系統，芯片中包含高性能 SerDes、ADC/DAC、高精度 PLL 等 AFE 設計，還包括濾波算法和信号恢復等 DSP 設計，其中，模拟電路主要負責模拟信号與數字信号之間的轉換，，數字電路負責數字信号的處理，實現降噪、幹擾抵消、均衡、時鍾恢復等功能。因此，這種芯片研發需要深厚的數字、模拟、算法等全方位的技術經驗，還需要產品設計團隊高效配合，不是一般的工程師能夠完成的。
新時期，新應用
近些年，各種數字化終端設備大規模普及，通信、計算、存儲、監控等各種應用和網絡逐漸融合。
據 IDC 預測，未來 3 年全球算力規模将以超過 50% 的速度增長，到 2025 年整體規模将達到 3300EFlops，2025 年全球物聯網設備數将超過 400 億台，產生的數據量接近 80ZB，超過一半的數據需要依賴終端或者邊緣的計算能力進行處理。
以太網作為應用最廣的局網域網傳輸技術，在傳輸可靠性、穩定性等方面具有明顯優勢，可以為物聯網設備、作業系統和軟體運行提供基礎網絡層。随着物聯網和人工智能發展帶來的數據傳輸量不斷攀升，以太網應用将在現有基礎上不斷擴展。
在這樣的大背景下，PHY 芯片作為以太網傳輸的基礎芯片，随着各種應用數據量的爆發式增長，其市場規模也在持續上漲。
據中國汽車技術研究中心預測，2022~2025 年，全球以太網 PHY 芯片市場規模将保持 25% 以上的年復合增長率，到 2025 年，有望突破 300 億元。
汽車市場是重點突破方向
随着以新能源汽車為代表的當代汽車向電動化、網聯化、智能化方向發展，傳統汽車使用的總線（CAN、LIN、FlexRay、MOST）在成本、性能上越來越難以滿足現代化汽車的需求，而以太網在汽車應用中的優勢逐漸凸顯出來。車載以太網 PHY 芯片有望在新能源汽車智能化發展趨勢帶動下實現大規模應用。
下面介紹一下汽車以太網優勢的具體表現。
當代汽車中使用的電子控制和通信系統越來越多，如發動機電控系統、自動變速器控制系統、防抱死制動系統（ABS）、自動巡航系統（ACC）和車載多媒體系統等。這些系統之間、系統和汽車的顯示儀表之間、系統和汽車故障診斷系統之間都需要進行大量的數據交換，這種情況下，就不能用導線進行點對點的連接和信息傳輸方式，因為這樣裝配非常復雜，且故障率會很高。這時，就需要用到汽車總線。
汽車總線是用于車載網絡中底層設備或儀表互聯的通信網絡，是車用網絡與車載設備控制系統的集成。
傳統汽車總線 LIN 和 CAN，雖然市場占有率很可觀，但是，它們的傳輸速率已經不能滿足逐漸增多的電氣設備的要求，MOST 總線雖然在傳輸速率上有很大提升，但其環形拓撲結構阻礙了在整車中的普及，FlexRay 總線的數十兆傳輸速率、循環冗餘網絡拓撲結構和同步能力很優秀，但是，FlexRay 網絡的負載率及其難以實現預期的傳輸速率、價格昂貴等因素使它僅能用于信息娛樂系統。
此外，汽車内部電子電氣（E/E）元器件的數量和復雜度大幅提升，單輛車 ECU 數量已經從 20-30 個增加到 100 多個，部分車型線束長度已高達 2.5 英裡，E/E 架構已經不能滿足汽車智能化時代的發展需求，因此，車載網絡轉向網域控制和集中控制的趨勢越來越明顯，總線也需要向高帶寬方向發展。
車載以太網在傳統以太網技術的基礎上進行了一系列優化和改良，使之更為貼合車内通信需求。
車載以太網針對車内通信需求研發出了一種用以太網連接車内電子單元的新型局網域網技術。車載以太網技術率先應用于智能駕駛和智能座艙，并在未來實現對整車通信技術的逐步替代，是近些年以太網技術發展的重要方向之一。
線束輕量化是以太網相較于其它總線的另一大優點。減輕汽車自重是節能的基本途徑，而選用輕質材料是實現汽車輕量化最有效的方法，線束的復雜性使其成為汽車結構中僅次于底盤和發動機的第三重部件。部分傳統總線線纜厚重，且需要額外的屏蔽以保護其不受電磁幹擾，而車載以太網使用單對非屏蔽雙絞線及更小型的連接器，與傳統總線相比可減少 80% 的線束成本和 30% 的布線重量。可通過使用回聲抵消技術在單線對上實現雙向通信，以滿足智能化對高帶寬的需求。
傳統以太網一般采用 4 對線，而車載以太網只有 1 對線，這就導致同樣傳輸速率下，車載以太網 PHY 芯片的設計和實現難度成倍增加，這也是目前各大廠商技術和產品優勢和競争力的焦點。
車載總線技術對比
架構的改變和自動駕駛傳感器帶來的大量數據處理需求，使得帶寬成為下一代汽車網絡技術的關鍵。與傳統車載總線網絡不同，車載以太網可以提供帶寬密集型應用所需的更高數據傳輸能力，同時，其先天技術優勢可以滿足汽車對高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲、輕量化等方面的要求。目前，博世、采埃孚等都提出了下一代汽車網絡架構，特斯拉在 Model 3 和 Model Y 中已經采用網域控制結構。
自動駕駛級别越高，車内通信對高速率網絡的需求就越迫切，L3 以上的自動駕駛，需要在車内搭配 2.5/5/10G 以太網，而到了 L4/L5 自動駕駛，車内需要引入 10G+ 以太網。因此，高速車載以太網是實現 L3 及以上自動駕駛必不可少的配置。
據以太網聯盟預測，随着汽車智能化應用需求推動車聯網技術不斷發展，未來智能汽車單車以太網端口将超過 100 個，這為車載以太網芯片提供了巨大的發展空間。以 Aquantia 汽車的 ADAS 以太網架構為例，每一個傳感器（攝像頭、激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達等）都需要部署一個 PHY 芯片以連接到 ADAS 網域的交換機上，每個交換機節點也需要配置若幹個 PHY 芯片。
中國本土 PHY 芯片企業在發力
目前，全球以太網 PHY 芯片市場被少數企業把持着，經過多年發展和積累，這些廠商憑借資金、技術、客戶資源、品牌等優勢，掌握了大部分市場份額。據中國汽車技術研究中心統計，博通、美滿電子、瑞昱、德州儀器、恩智浦和微芯穩居前列，全球前五大以太網 PHY 芯片廠商的市場份額占比高達 91%。目前，中國大陸的 PHY 芯片市場基本被這些國際巨頭主導，市占率達 87%。
近些年，中國本土廠商的技術能力一直在提升過程中，有望憑借本土快速響應能力占據更多市場份額。目前，國内主要以太網 PHY 芯片廠商包括裕太微，景略半導體，昆高新芯，國科天訊，物芯科技，鑫瑞技術，以及睿普康等。
在這些廠商中，裕太微是領先企業，能夠大規模供應千兆以太網 PHY 芯片，是國内首家在車載 PHY 芯片領網域通過 OPEN Alliance IOP 認證的企業，其 2.5G PHY 芯片已量產，在技術實力和規模上處于國内領先地位，2021 年，裕太微產品在以太網 PHY 芯片市場份額為 2%。景略半導體的核心團隊源于美滿電子，主要為車載、工業、企業應用提供以太網 PHY 芯片，其車載千兆 PHY 芯片即将量產。昆高新芯能提供千兆以太網 PHY 和 TSN 芯片，是國内較早實現 TSN 交換芯片流片的企業，TSN 芯片即将進入量產階段。
