车载以太网，速度直指Tbps？

来源由半导体芯闻编译自semiengineering要点总结汽车以太网特别是 10BASE-T1S正在成为车载网络中 CAN 的替代品预计未来自动驾驶和联网汽车将拥有更高的速度。汽车领域向以太网的过渡并非普遍现象一些原始设备制造商 (OEM) 可能由于成本原因在某些领域保留 CAN 或 LIN而且集成各种以太网标准在技术上是可行的但很复杂。汽车以太网的应用仍然面临诸多挑战包括噪声、测试和互操作性等问题。现代车辆中海量数据的传输早已超出传统CAN总线的处理能力。因此车载以太网正逐渐成为处理器和存储器之间数据传输的理想选择。车载以太网具有诸多优势。它比铜线速度更快、重量更轻经过各种环境条件下的充分测试并且已经成为标准。此外它还提供多种速度选择其中 10BASE-T1S 的运行速度可达 10 Mbit/s很可能成为 CAN 总线的替代者。Synopsys以太网IP产品组合首席产品经理Jon Ames表示“目前我们看到的汽车以太网普遍存在低速问题。BASE -T1S目前仍处于CAN总线领域。虽然一些汽车技术可以达到更高的速率例如每秒数千兆比特但我们发现在低速率下尤其是在网络边缘应用最为活跃。区域控制器实际上会发出多跳电缆。这是一根可以连接到多个端点的单对双绞线这些端点可以是简单的交换设备也可以是需要启用或禁用的设备。这些设备上的流量并不大。关键在于简化布线系统采用多点总线并使用一种可以通过交换机连接到汽车网络内部的技术这样就可以为中央控制器提供服务中央控制器再与边缘区域、区域交换机通信——所有这些交换机都通过10BASE-T1S进行多跳连接。”由于成本较低一些原始设备制造商 (OEM) 可能会选择在某些地方使用 10BASE-T1而在其他地方继续使用 CAN 或 LIN。“将不同类型的以太网例如 10BASE-T1S与既定标准集成在技术上是可行的但很复杂”是德科技 ( Keysight) EDA汽车与能源集团 SDV 解决方案经理 Seung-Taek Chang 表示。不过目前的汽车以太网也面临一些挑战。Keysight 指出的挑战包括EMC/EMI 合规性确保在嘈杂的汽车环境中尤其是高速链路的信号完整性。模式转换和串扰管理连接器、PCB 和电缆中的差模到共模转换。多千兆位合规性测试需要高端示波器和矢量网络分析仪来测量抖动、上升/下降时间和眼图。互操作性确保在混合网络以太网、CAN、LIN、SerDes中无缝运行。安全通过身份验证、加密和入侵检测来保护基于以太网的 IVN 免受网络威胁。开放联盟的汽车以太网规范详细规定了各种速度和要求。虽然五年前 10 Mbps 被认为是高速但标准一直在变化。软件定义车辆(SDV) 和 10 Gbps以上的高速网络并非所有汽车领域和应用都需要。然而未来配备完整娱乐功能的车辆将需要更高的速度而且在不久的将来速度可能达到千兆比特/秒。而在采用 6G 技术的全自动驾驶软件定义车辆中这些需求甚至可能达到太比特/秒。如果没有汽车以太网就很难实现软件定义车辆 (SDV) 的承诺包括高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和空中更新。英飞凌科技ATV事业部以太网解决方案高级副总裁兼总经理Mike Yeager表示“OEM厂商之所以需要SDV智能分布式车辆是因为它是一个能够兼容所有品牌和车型的单一平台。更重要的是从技术层面来看它减少了线缆数量减轻了车辆重量使得使用一个能够为整车提供SDV服务的平台在经济上成为可能。架构方面已经发生了根本性的转变主要体现在三大支柱上安全可靠的计算、高速车载网络汽车以太网以及智能配电。”Yeager指出目前SDV共享驱动车辆约占所有车辆销量的5%但预计到2030年将占到50%。“汽车10Gbps以太网具有变革性意义。以前我们只能使用各种不同的导电方式。现在汽车以太网的带宽允许我们使用双向导线在15米长的电缆上行驶这使我们能够将网络扩展到全球。”目前 25 Gbps 及以上的高速网络并不像 10 Mbps 的 10BASE-T1S 那样普及但这种情况很可能在不久的将来发生改变。“我们确实看到一些设计方案采用了这种速度但目前还不常见因为高速网络真的会在汽车上普及吗”艾姆斯说道“我听说这种情况正在发生而且已经酝酿了一段时间了。”视频需求的增长将是汽车制造商推动提升传输速度的原因之一。“就带宽而言如果你想从摄像头获取未压缩的视频那可能需要几千兆比特的带宽。然后如果你在车里安装了多个摄像头带宽就可能达到几十甚至几百千兆比特这样就能达到这样的水平了。”艾姆斯指出。IEEE 802.3cy 标准规定汽车应用需要 25 Gbps 的 PHY 芯片但摄像头、传感器、视频和显示链路需要更高的速度才能实现传感器聚合。“汽车以太网正在借鉴企业以太网的特性例如 MACsec 和 TSN并向 25 至 100 Gbps 的 PHY 芯片扩展同时采用 PCIe 作为骨干网络”Cadence 设计 IP 产品营销集团总监 William Chen表示。高速汽车以太网也将有助于实现全自动驾驶L4/L5汽车的愿景。“未来的标准可能会着重于将以太网与新兴的诊断、V2X 和空中升级协议集成”Rambus 硅 IP 业务开发总监 Adiel Bahrouch 表示。 “TSN、MACsec 和高速 PHY 的融合将为下一代汽车构建一个强大的框架。随着以太网成为汽车网络的通用语言标准化将推动创新和可扩展性。”有些人认为未来会比预期来得更快。“我估计如今车辆中大约 90% 的以太网连接都发生在网关和中央计算设备之间”西门子 EDA汽车和军工航空混合物理和虚拟系统副总裁 David Fritz 表示。 “这将是一种区域架构例如在车辆的各个区域和核心之间使用高速以太网然后是中央计算其能力正越来越接近高性能计算HPC。一旦执行器和传感器跟上这种用于高性能计算的太比特级数据在不久的将来肯定会应用到汽车和飞机上。假设你是一家索尼公司销售相机。你现在担心的不是明年的型号而是未来五年的型号。无论索尼做出什么决定他们至少在未来五到七年内都必须支持基于 CAN 总线的接口以及他们支持的许多其他接口。这是一个真正影响技术普及率的商业难题而不是技术本身的问题。”光以太网是传统协议的另一个挑战者它在汽车应用中比铜缆具有诸多优势。“这些优势包括更高的带宽、更轻的重量、抗电磁干扰能力、更高的散热效率和更长的传输距离”是德科技的张先生表示。 “光纤链路可以支持25Gbps甚至更高的传输速率使其成为ADAS高级驾驶辅助系统、信息娱乐系统和传感器融合的理想选择。光纤也比传统的铜缆更轻这有助于提高电动汽车的续航里程和整体燃油效率。此外光纤不受电磁干扰确保在电气噪声较大的汽车环境中也能可靠运行。它们的散热效率也更高光物理层PHY功耗更低、发热量更少从而简化了ECU电子控制单元的散热设计。而且光纤链路无需均衡或放大即可在更长的距离上保持信号完整性。”光以太网有望在采用区域架构和集中式计算的新型车辆中得到广泛应用。“由于旧款ECU和线束不兼容集成新的光PHY和连接器成本高昂且复杂因此不太可能对老款车型进行改造。此外OEM厂商正将研发重点放在面向未来的下一代电动汽车和自动驾驶平台上。”张先生表示。张指出未来具备大规模传感器融合和 V2X 数据交换功能的自动驾驶汽车最终可能需要超过 100 Gbps 的链路速度而这些链路速度可能以光纤形式实现。SerDes 和非对称以太网虽然 CAN 和 LIN 最终可能会被汽车以太网取代但 SerDes 仍然至关重要因为它将并行数据转换为串行数据进行传输反之亦然。以太网和SerDes都是现代互连技术的基础但它们的拓扑结构和设计权衡造就了二者之间重要的区别。“点对点SerDes技术在局部高带宽连接方面表现出色”Cadence公司的陈先生表示“而像ASA Motion Link 2.0这样采用非对称以太网通信的新型汽车标准可能会模糊二者之间的界限并随着时间的推移提高互操作性。”车载以太网专为车载骨干网络而设计针对恶劣环境电磁干扰/电磁兼容性、噪声、温度变化、重量和成本敏感性以及中等距离电缆通常小于 15 至 20 米进行了优化。它还要求在车载环境中具有确定性的行为以满足 ADAS、传感器和 ECU 等应用的需求。汽车串行器/解串器(SerDes)通过提供点对点高速链路来补充汽车以太网。MIPI A-PHY、ASA Motion Link 和 Open GMSL 等标准针对高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和区域架构进行了优化。它们的非对称链路设计非常适合摄像头、传感器和显示应用这些应用需要在主机 CPU/ECU 和终端设备之间提供充足的单向带宽。与此同时非对称以太网并不能取代SerDes例如GMSL或FPD-Link。“由于低延迟和高可靠性SerDes仍然是摄像机和显示器链路的最佳选择”陈说道。“非对称以太网例如ASA-MLE正在兴起旨在标准化SerDes目前的功能提供基于以太网的替代方案例如下行10 Gbps、上行100 Mbps的非对称带宽。虽然过渡仍在进行中但SerDes目前仍然非常重要。”非对称以太网的一大优势是功耗更低。“通常情况下如果我们想在上行和下行之间保持相同的速度就需要大量的电力”英飞凌科技高级应用工程师Benjamin Tan表示“而对于非对称以太网我们实现了10Gbps的下行速度这样视频摄像头的数据就可以传输到CPU处理器而上行速度仅为100Mbps。”开发人员之所以朝着这个方向发展是因为它有可能降低成本、缩小芯片尺寸并降低功耗。“这款摄像机采用同轴电缆供电”Tan说道。“同轴电缆供电也可以看作是以太网供电这取决于你如何理解。它使用15米长的电缆这是行业标准可以实现所有上行和下行数据的处理。”在 10BASE-T1 中“1”代表差分对的数量。“对于汽车行业我们总是希望尽可能减少铜缆的使用所以我们只使用一对差分线而其他行业则根据数据传输量的不同使用 T4 或 TX 线缆”Tan 解释道。“目前我们的传输速度仍然受限于 10 Gb。这主要用于摄像头视频流。如果要传输 4K 60 FPS 的视频那已经需要 10 Gb 的带宽了而我们通常只需要一根线缆。”数据中心的异同随着汽车网络速度的提升车辆开始越来越像数据中心。陈表示“数据中心和汽车行业正在经历持续的技术交叉融合尤其是在单对以太网SPE和SerDes设计技术方面。基于芯片组的SoC和3nm及以下先进工艺节点的融合正在加速汽车和数据中心技术的融合尤其是在人工智能驱动架构日益普及的情况下。”汽车芯片组也可能意味着更多超大规模集成电路UCIe技术将被应用到车辆设计中。Synopys公司的Ames表示“如果你看看现有的汽车架构你可能不需要大型芯片或者因为大型芯片成本高昂而需要芯片组。但如果你展望未来考虑到自动驾驶汽车的计算能力你可能会开始看到芯片组的应用因此超大规模集成电路UCIe技术也将随之兴起。因为一旦计算能力提升到很高的水平就需要大尺寸的硅芯片而芯片组就显得尤为重要。”陈表示展望未来边缘计算、工业、运营技术以及芯片组等可组合架构的融合可能会为汽车级以太网或SerDes创造机遇尤其是在低成本、轻量化线缆具有优势的领域。“在核心超大规模数据中心SerDes可能仍将专注于超高速、低抖动和高能效。更大的影响可能来自于SerDes的创新——例如均衡和容错能力——对通用高速SerDes设计的反馈而不是直接采用汽车级PHY。”与汽车应用相比数据中心SerDes已经能够实现更高的以太网速度包括100G、200G、400G并正朝着800G和1.6T迈进这些速度均符合IEEE 802.3ck等标准。可靠性要求也不同。“数据中心需要极低的误码率、极高的正常运行时间和冗余系统”陈先生说“汽车零部件必须在严苛的环境下可靠运行并具备不同的故障模式和认证标准例如ASIL和ISO。”汽车以太网的Tbps速度在数据中心已经存在障碍但汽车部署也存在障碍此外目前的汽车还不需要这种速度。Keysight 的 Chang 表示 “目前汽车应用的发展趋势是 25 至 50 Gbps 的传输速率。Tbps级链路对于目前的车载需求来说性能过剩并且面临着功率、成本和散热等方面的限制。”Rambus公司的Bahrouch也认同在汽车以太网中实现Tbps级速度不仅仅是带宽方面的挑战。“这代表着硬件和软件堆栈的架构变革。实现这一飞跃需要重新思考物理层设计、电磁抗扰性和散热管理尤其是在雷达、激光雷达和摄像头数据汇聚的区域架构中。在容错、低延迟的主干网上同步数百个ECU是对确定性网络性能的极限挑战。”然而其优势显而易见。太比特以太网将实现大规模的实时传感器融合使车辆能够以更快的速度和更高的精度感知、决策和行动并成为智能网联汽车SDV不断发展演进而非一成不变的基础架构。更高的计算能力需要更大的带宽动态SDV软件定义车辆需要更强大的计算能力这就需要更高速的以太网。“数据中心的技术最终会应用到这些车辆中”西门子的弗里茨表示“我们预计未来几年内将会出现配备64或128个CPU核心、多个GPU和NPU的中央计算系统。”这意味着ADAS高级驾驶辅助系统和车载娱乐系统提高了GPU的计算需求。“我们看到对GPU处理能力和吞吐量的需求正在大幅增长”Imagination Technologies产品管理高级总监Rob Fisher表示“这主要是由于集中化、自动驾驶能力的提升以及更多屏幕的出现而这些都得益于车载以太网。”无线技术也正在普及Wi-Fi 7、8 及更高版本也可能在汽车中发挥更大的作用不仅用于娱乐最终甚至用于安全关键型应用场景。Synaptics低功耗边缘人工智能高级产品经理 Ananda Roy 表示“我们的目标是北美、欧洲和日本的大型汽车制造商旨在减少车辆中的线束数量。据他们说一辆汽车里大约有 60 到 70 个不同的微处理器和控制器还有数百条 CAN 总线通过线缆连接这使得车辆的制造成本非常高昂。而且一旦发生碰撞这些设备极易起火从而危及乘客安全。如果能够减少这些线缆对用户和汽车制造商来说都将是巨大的优势。我们正在通过 Wi-Fi 7 来实现这一点。”Wi-Fi 取代 CAN 总线的首要任务是驱动信息娱乐系统。“想想现在的信息娱乐系统尤其是有孩子在看电视或者你是一位忙碌的专业人士与他人同行想要访问互联网内容时后座娱乐系统都是通过 CAN 总线从主机获取数据”Roy 说。“现在所有这些娱乐功能都可以通过 Wi-Fi 实现。我们也在努力使其具备安全关键功能。有了延迟低于 10 毫秒的 Wi-Fi 7您无需错过任何重要信息。”结论无论车辆技术需要多快的速度汽车以太网都比 CAN 具有优势并且很可能在许多应用场景中取代 CAN。西门子的弗里茨说“即使加装一些额外的线路重量也几乎可以忽略不计而且数据传输速度足够快汽车以太网大大简化了这些复杂系统设计的一个方面。”其他人也认同这一观点。英飞凌的叶格表示“汽车以太网目前在市场上占据主导地位。它是区域架构的支柱也是我们今天能够实现软件定义汽车的原因。”最后人工智能是关键驱动因素。“我们看到人工智能无处不在从云计算和边缘计算到人工智能物联网和汽车领域”Cadence公司的陈表示。“汽车系统设计越来越多地采用高速互连协议例如PCIe、UCIe和以太网这与数据中心的发展趋势相呼应。”参考链接https://semiengineering.com/auto-ethernet-10base-t1s-steps-up-with-tbps-on-the-horizon/END欢迎加入Imagination GPU与人工智能交流2群入群请加小编微信eetrend89添加请备注公司名和职称推荐阅读Imagination D-Series GPU 实机演示支持DirectX 游戏边缘AI时代的流片风险GPU IP的优势所在Imagination Technologies 是一家总部位于英国的公司致力于研发芯片和软件知识产权IP基于Imagination IP的产品已在全球数十亿人的电话、汽车、家庭和工作场所中使用。获取更多物联网、智能穿戴、通信、汽车电子、图形图像开发等前沿技术信息欢迎关注 Imagination Tech