未來最貴的車載半導體

隨著汽車電子架構的演進，以太網(wǎng)將大量應用，未來最貴的車載半導體將是網(wǎng)絡界面IC（主要是PHY）和以太網(wǎng)交換機。不僅最貴，且門檻也最高。

上表為Drive AGX Pegasus主要集成電路表，未計算圖靈GPU的價格。這其中使用了18個PHY，4個以太網(wǎng)交換機芯片，以太網(wǎng)交換機芯片內(nèi)部也都有PHY，且所占的成本比例（即晶圓面積）也最高。價值遠在主運算單元之上。目前車載以太網(wǎng)PHY，最常見的是博通、NXP和Marvell，其他還有德州儀器、Microchip（即收購來的Micrel和Microsemi）、臺灣瑞昱、高通收購的Atheros。萬兆以太網(wǎng)PHY基本上被Marvell收購的Aquantia壟斷，Aquantia已經(jīng)被Marvell以4.52億美元收購。車載10Gbps PHY只有Aquantia的AQV107。以太網(wǎng)交換機芯片和以太PHY除了在計算單元使用外，座艙部分也是大量使用，奔馳最新的S級座艙使用4片Marvell的88EA6321，至少4個PHY。在中央網(wǎng)關和每一個分域網(wǎng)關也需要一個以太交換機，ADAS部分可能還需要一個PCIe交換機。未來一部車當中至少有5片以太網(wǎng)交換機芯片，多的可能達到10片-12片以上，以太PHY至少需要10片，多得可能達15片。總價值遠超主SoC。主要廠家有Marvell、博通、Microchip、瑞昱和NXP。

市場潛力大，門檻高，幾乎不可能有新玩家出現(xiàn)，格局非常穩(wěn)定。前兩者市場占有率估計超過60%。 目前100M車載以太網(wǎng)主要是100BASE-T1，這個標準背后主要是博通。在2011年，寶馬、現(xiàn)代、NXP、飛思卡爾、HARMAN、意法半導體、博通發(fā)起OABR （OPEN Alliance BroadR-Reach）車載以太網(wǎng)聯(lián)盟， OPEN是OnePair Ethernet Network的縮寫，OABR 已經(jīng)由 IEEE 標準化，并命名為100BASE-T1。傳統(tǒng)的百兆以太網(wǎng)的名字是100BASE-TX，二者在物理層上差別很大。二者最顯著的區(qū)別就是，100BASE-T1在物理連接上使用了一對雙絞線實現(xiàn)全雙工的信息傳輸，而100BASE-TX則使用了兩對雙絞線實現(xiàn)全雙工，一對用于收，另一對用于發(fā)。 100BASE-T1利用所謂的回音消除技術（echo cancellation）實現(xiàn)了在一對雙絞線上的全雙工通信?；匾粝夹g的大概過程是這樣的，作為發(fā)送方的節(jié)點將自己要發(fā)送的差分電壓加載到雙絞線上，而作為接收者的節(jié)點則將雙絞線上的總電壓減去自己發(fā)出去的電壓，做減法得到的結果就是發(fā)送節(jié)點發(fā)送的電壓。BroadR-Reach是Broadcom公司針對自己車載以太網(wǎng)產(chǎn)品的專用商標。因此可以認為100BASE-T1=OABR=BroadR-Reach。

上圖為網(wǎng)絡 OSI 7層模型，物理層IC是傳輸界面IC，也可以叫收發(fā)器IC。PHY連接一個數(shù)據(jù)鏈路層的設備（MAC）到一個物理媒介，如光纖或銅纜線。典型的PHY包括PCS（Physical Coding Sublayer，物理編碼子層）和PMD（PhysicalMedia Dependent，物理介質(zhì)相關子層）。PCS對被發(fā)送和接受的信息加碼和解碼，目的是使接收器更容易恢復信號。物理層不是指具體的物理設備，也不是指信號傳輸?shù)奈锢砻襟w，而是指在物理媒體之上為上一層（數(shù)據(jù)鏈路層）提供一個傳輸原始比特流的物理連接。物理層規(guī)定：為傳輸數(shù)據(jù)所需要的物理鏈路創(chuàng)建、維持、拆除，而提供具有機械的，電子的，功能的和規(guī)范的特性。

簡單的說，物理層確保原始的數(shù)據(jù)可在各種物理媒體上傳輸。以以太網(wǎng)為例，數(shù)據(jù)鏈路層分為上層LLC（Logical Links Control，邏輯鏈路控制），和下層的MAC（媒體訪問控制），MAC主要負責控制與連接物理層的物理介質(zhì)。在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，MAC協(xié)議可以事先判斷是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果可以發(fā)送將給數(shù)據(jù)加上一些控制信息，最終將數(shù)據(jù)以及控制信息以規(guī)定的格式發(fā)送到物理層；在接收數(shù)據(jù)的時候，MAC協(xié)議首先判斷輸入的信息并是否發(fā)生傳輸錯誤，如果沒有錯誤，則去掉控制信息發(fā)送至LLC（邏輯鏈路控制）層。 PHY在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，收到MAC過來的數(shù)據(jù)（對PHY來說，沒有幀的概念，對它來說，都是數(shù)據(jù)而不管什么地址，數(shù)據(jù)還是CRC），每4bit就增加1bit的檢錯碼，然后把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行流數(shù)據(jù)，再按照物理層的編碼規(guī)則（10Based-T的NRZ編碼或100based-T的曼徹斯特編碼）把數(shù)據(jù)編碼，再變?yōu)?a href="http://ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬信號把數(shù)據(jù)送出去。網(wǎng)線上的到底是模擬信號還是數(shù)字信號呢？答案是模擬信號，因為它傳出和接收是采用的模擬的技術。雖然它傳送的信息是數(shù)字的，并不是傳送的信號是數(shù)字的。

以太網(wǎng)連接處理器的方式

MII（Media Independent Interface）即媒體獨立接口，MII接口是MAC與PHY連接的標準接口。它是IEEE-802.3定義的以太網(wǎng)行業(yè)標準。MII接口提供了MAC與PHY之間、PHY與STA(Station Management)之間的互聯(lián)技術，該接口支持10Mb/s與100Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈粚挒?位。"媒體獨立"表明在不對MAC硬件重新設計或替換的情況下，任何類型的PHY設備都可以正常工作。簡化媒體獨立接口是標準的以太網(wǎng)接口之一，比MII有更少的I/O傳輸。RMII口是用兩根線來傳輸數(shù)據(jù)的，MII口是用4根線來傳輸數(shù)據(jù)的，GMII是用8根線來傳輸數(shù)據(jù)的。MII/RMII只是一種接口，對于10Mbps線速，MII的時鐘速率是2.5MHz就可以了，RMII則需要5MHz；對于100Mbps線速，MII需要的時鐘速率是25MHz，RMII則是50MHz。GMII是千兆網(wǎng)的MII接口，這個也有相應的RGMII接口，表示簡化了的GMII接口。GMII采用8位接口數(shù)據(jù)，工作時鐘125MHz，因此傳輸速率可達1000Mbps。同時兼容MII所規(guī)定的10/100Mbps工作方式。GMII接口數(shù)據(jù)結構符合IEEE以太網(wǎng)標準，該接口定義見IEEE 802.3-2000。

界面IC是混合IC，包含有模擬和數(shù)字。眾所周知，模擬IC處理的信號都具有連續(xù)性，可以轉(zhuǎn)換為正弦波研究，而數(shù)字IC處理的是非連續(xù)性信號，都是脈沖方波。模擬電路比較注重經(jīng)驗，設計門檻高，學習周期10-15年，數(shù)字電路則有EDA工具輔助，學習周期3-5年。模擬IC強調(diào)的是高信噪比、低失真、低耗電、高可靠性和穩(wěn)定性。產(chǎn)品一旦達到設計目標就具備長久的生命力。

生命周期長達10年以上的模擬IC產(chǎn)品也不在少數(shù)。如音頻運算放大器NE5532，生命周期超過50年，現(xiàn)在還在用。數(shù)字IC多采用CMOS工藝，而模擬IC少采用CMOS工藝。因為模擬IC通常要輸出高電壓或者大電流來驅(qū)動其他元件，而CMOS工藝的驅(qū)動能力很差。此外，模擬IC最關鍵的是低失真和高信噪比，這兩者都是在高電壓下比較容易做到的。而CMOS工藝主要用在5V以下的低電壓環(huán)境，并且持續(xù)朝低電壓方向發(fā)展。對于數(shù)字電路來說是沒有噪音和失真的，數(shù)字電路設計者完全不用考慮這些因素。此外由于工藝技術的限制，模擬電路設計時應盡量少用或不用電阻和電容，特別是高阻值電阻和大容量電容，只有這樣才能提高集成度和降低成本。某些射頻IC在電路板的布局也必須考慮在內(nèi)，而這些是數(shù)字IC設計所不用考慮的。因此模擬IC的設計者必須熟悉幾乎所有的電子元器件。

另一個門檻是CDR，即時鐘數(shù)據(jù)恢復，對于高速的串行總線來說，一般情況下都是通過數(shù)據(jù)編碼把時鐘信息嵌入到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流里，然后在接收端通過時鐘恢復把時鐘信息提取出來，并用這個恢復出來的時鐘對數(shù)據(jù)進行采樣，因此時鐘恢復電路對于高速串行信號的傳輸和接收至關重要。CDR接口的主要設計挑戰(zhàn)是抖動，即實際數(shù)據(jù)傳送位置相對于所期望位置的偏移?？偠秳?TJ)由確定性抖動和隨機抖動組成。大多數(shù)抖動是確定的，其分量包括碼間干擾、串擾、占空失真和周期抖動(例如來自開關電源的干擾)。而通常隨機抖動是半導體發(fā)熱問題的副產(chǎn)品，且很難預測。傳送參考時鐘、傳送PLL、串化器和高速輸出緩沖器都對會傳送抖動造成影響。一般來說對低頻的抖動容忍度很高，PLL電路能夠很好地跟蹤，恢復出來的時鐘和被測信號一起抖動。高頻比較麻煩，要設置PLL電路過濾掉，如何設置，沒有電腦輔助，全靠經(jīng)驗，沒有10年左右的經(jīng)驗是做不好的。

這也使得界面IC的護城河非常寬闊，可以允許非常小的廠家存在，它可能只有一款產(chǎn)品，但生命力異常頑強，生命周期一般都在20年以上。界面IC廠家的歷史都非常悠遠，最少都在10年以上，大部分超過20年，大部分都擁有自己的晶圓廠，因為這些芯片成本在推出幾年后，99%都來自制造。中國這種廠家極少。 以太網(wǎng)交換機的工作基礎是以太網(wǎng)信息包結構。以太網(wǎng)信息包為固定格式，但長度可變，在信息包中帶有目的MAC地址、源MAC地址、信息長度等若干內(nèi)容。目前使用較多的以太網(wǎng)交換機都是Layer 2（OSI的第二層）交換機，即基于以太網(wǎng)MAC地址進行交換。

以太網(wǎng)交換機控制電路收到一個以太包（從某一端口）后，立即查找其內(nèi)存中的地址對照表（MAC端口號），以確認該目的MAC的NIC掛在哪一個端口上，然后將該包送到該端口上，如果該目的MAC地址是首次出現(xiàn)，則廣播到所有端口。以太網(wǎng)交換機是根據(jù)以太網(wǎng)包中的源MAC地址來更新“MAC地址—端口號表”的，每一臺計算機打開后，其上面的NIC（即PHY）會定期發(fā)出空閑包或信號，以太網(wǎng)交換機可據(jù)此得知其存在及MAC地址，所謂自動地址學習就是指此意。

所謂自動年齡更新（Auto-aging），指的是若一定時間內(nèi)未見已出現(xiàn)的MAC地址發(fā)出包，則將此MAC地址從“MAC—端口號表”中清除，此MAC地址重新出現(xiàn)時將會被當作新地址處理。如果收到1個包，查了目標mac，沒查到相應的條目怎么辦？會從所有口發(fā)出，這個動作也叫做泛洪，即廣播。 汽車以太網(wǎng)交換機自然要復雜的多，TSN的眾多標準都是靠以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)的。

我們重點來看出鏡率僅次于802.1AS的802.1Qbv。 汽車控制數(shù)據(jù)可以分為三種，Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic。ScheduledTraffic如底盤控制數(shù)據(jù)，沒有任何的妥協(xié)余地，必須按照嚴格的時間要求送達，有些是只需要盡力而為的如娛樂系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以靈活掌握。汽車行業(yè)一般要求底盤系統(tǒng)延遲不超過5毫秒，最好是2.5毫秒或1毫秒，這也是車載以太網(wǎng)與通用以太網(wǎng)最大不同之處，要求低延遲。

在TSN標準里，數(shù)據(jù)則被分為4級，最高的預計延遲時間僅為100微秒。 低延遲的核心標準是IEEE802.1Qbv時間感知隊列。

通過時間感知整形器(Time Aware Shaper)使TSN交換機能夠來控制隊列流量（queued traffic），以太網(wǎng)幀被標識并指派給基于優(yōu)先級的VLAN Tag，每個隊列在一個時間表中定義，然后這些數(shù)據(jù)隊列報文的在預定時間窗口在出口執(zhí)行傳輸。其它隊列將被鎖定在規(guī)定時間窗口里。因此消除了周期性數(shù)據(jù)被非周期性數(shù)據(jù)所影響的結果。這意味著每個交換機的延遲是確定的，可知的。而在TSN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)報文延時被得到保障。TAS介紹了一個傳輸門概念，這個門有“開”、“關”兩個狀態(tài)。傳輸?shù)倪x擇過程-僅選擇那些數(shù)據(jù)隊列的門是“開”狀態(tài)的信息。而這些門的狀態(tài)由網(wǎng)絡時間進度表network schedule進行定義。對沒有進入network schedule的隊列流量關閉，這樣就能保障那些對傳輸時間要求嚴格的隊列的帶寬和延遲時間。TAS保障時間要求嚴苛的隊列免受其它網(wǎng)絡信息的干擾，它未必帶來最佳的帶寬使用和最小通信延遲。當優(yōu)先級非常高時，搶占機制可以被使用。

在網(wǎng)絡進行配置時隊列分為Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic三種，對于Schedule而言則直接按照原定的時間規(guī)劃通過，其它則按優(yōu)先級，Best-effort通常排在最后。Qbv主要為那些時間嚴苛型應用而設計，其必須確保非常低的抖動和延時。Qbv確保了實時數(shù)據(jù)的傳輸，以及其它非實時數(shù)據(jù)的交換。 汽車以太網(wǎng)交換機方面，主要有Marvell、博通和NXP。Microchip收購的Micrel和臺灣瑞昱也有一席之地。瑞昱已經(jīng)成功進入大眾供應鏈。

目前已經(jīng)量產(chǎn)的最頂級車載以太網(wǎng)交換芯片是博通的BCM53162，可以對應 4 路 2.5GbE，售價高達 650 美元（Mouser 報價，100 片起，萬片起的話，價格估計降到 130美元）左右。Marvell目前主力產(chǎn)品是88EA6321和88Q5050， 在2019 年 9 月，Marvell 又推出了 88Q5072 和 88Q6113，自然也滿足 TSN 標準。目前 Marvell 的旗艦是 88Q6113。

88Q6113放棄低帶寬的100/1000Base-T接口，大量增加SGMII。

NXP的車載以太網(wǎng)交換芯片以高性價比著稱，目前NXP有兩款車載以太網(wǎng)交換芯片，一片是2016年中期推出的SJA1105TEL，另一片是剛剛在2020年1月推出的SJA1110。SJA1105是針對EAVB網(wǎng)絡，SJA1105TEL則增加了對TSN的支持，為了降低成本，SJA1105內(nèi)部沒有PHY，需要外置PHY，NXP推薦TJA1101/TJA1102/TJA1110。端口也比較少，只有5口。SJA1110則有10口。

國內(nèi)一窩蜂地去做所謂人工智能芯片，就是門檻很低，估計有上百家都在做所謂人工智能芯片，而市場空間非常有限，泡沫之大，實屬罕見。

原文標題：未來最貴的車載半導體是什么？

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責任編輯：haq