汽車以太網(wǎng)發(fā)明人押寶SerDes！一文詳解車載SerDes技術(shù)

SerDes，即Serializer（串行器）和Deserializer（解串器）的簡稱，是一種高速串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

其工作原理類似于書籍翻頁：將一本厚重的書分解成一頁一頁的內(nèi)容，依次翻閱并重新組合。如下圖所示，SerDes將多個并行數(shù)據(jù)信號拆分為較小的數(shù)據(jù)塊，并以串行方式進(jìn)行傳輸，然后在接收端將這些數(shù)據(jù)塊重新組合成完整的并行數(shù)據(jù)。

SerDes可分為不同的架構(gòu)協(xié)議，而常被業(yè)界成為LVDS（Low Voltage Differential Signal）的接口則是SerDes中最常用的硬線接口，具有高速率（Gbps級）、低延遲、低功耗等特點，主要用于傳輸攝像頭和Display視頻信號，從而被廣泛應(yīng)用在電信、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、數(shù)據(jù)中心和云計算等領(lǐng)域。

近年來，隨著新能源汽車對攝像頭的廣泛應(yīng)用，SerDes技術(shù)逐漸被引入車端，用于從攝像頭到ECU之間的長距離數(shù)據(jù)傳輸。

01 車載應(yīng)用帶來的新要求

在SerDes流行之前，車載芯片之間是通過系統(tǒng)同步或源同步并行接口來傳輸數(shù)據(jù)的。有了SerDes芯片，就可以減少布線沖突，同時具有抗噪聲、抗干擾能力強(qiáng)、降低開關(guān)噪聲；擴(kuò)展能力強(qiáng)；更低的功耗和封裝成本等優(yōu)勢。

SerDes芯片的主要作用是把高速數(shù)據(jù)從車內(nèi)的一個位置傳輸?shù)搅硪粋€位置，例如把車前的攝像頭或雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺匦酒M(jìn)行分析，或者把主控芯片的內(nèi)容傳輸?shù)今{乘員座位處的顯示屏進(jìn)行顯示。

目前常見的SerDes，車端基本在2Gb/s以上，通信用SerDes已經(jīng)達(dá)到100-200Gb/s。

從傳輸速率角度，車載應(yīng)用的SerDes產(chǎn)品難度較低，更多的是對整體產(chǎn)品的可靠、穩(wěn)定、安全提出了新的要求。

①抗干擾性能：車載SerDes需要具備更強(qiáng)的抗干擾性能，能夠在車輛行駛過程中穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，不受外界干擾影響。這是因為車載環(huán)境中存在大量的電磁干擾源，如引擎、電動機(jī)、無線電通信設(shè)備等。

②可靠性：車載SerDes需要具備更高的可靠性，以確保車輛行駛過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。這是因為車載環(huán)境中存在復(fù)雜的道路條件、溫度變化、震動等因素，對數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的可靠性提出了更高的要求。

③低功耗：車載SerDes需要具備低功耗的特點，以降低車輛系統(tǒng)的能耗，延長電池壽命。相比之下，一般的SerDes功耗相對較高。

④延遲和帶寬：隨著汽車內(nèi)部電子系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，對延遲和帶寬的需求也在不斷提高。例如，在自動駕駛汽車中，需要實時傳輸大量高清視頻和傳感器數(shù)據(jù)。因此，車載SerDes需要具備低延遲和高帶寬的能力，以滿足對實時性和數(shù)據(jù)處理能力的要求。

⑤靈活性和可擴(kuò)展性：主機(jī)廠對車輛內(nèi)部布線和電子系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性有著不同的需求。車載SerDes應(yīng)具備可配置的特性，以適應(yīng)不同車型和配置的需求。同時，它還應(yīng)支持多種接口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以便與現(xiàn)有的汽車電子系統(tǒng)無縫集成。

02 車載SerDes芯片應(yīng)用現(xiàn)狀及困境

目前，行業(yè)內(nèi)常用的車載SerDes芯片方案主要為：德州儀器（TI）的FPD-Link、美信半導(dǎo)體（Maxim）的GMSL、慷智集成電路（上海）有限公司（AIM）（以下簡稱為慷智）的AHDL、Inova Semiconductors的APIX以及羅姆（Rohm）的Clockless Link等緊隨其后。

其中，德州儀器（TI）和美信半導(dǎo)體（Maxim）占據(jù)了全球車載顯示SerDes與車載攝像頭SerDes市場的95%。在高筑的技術(shù)壁壘下，能夠?qū)崿F(xiàn)國產(chǎn)突破的本土玩家屈指可數(shù)。

究其原因，行業(yè)專家分析指出，一方面是國內(nèi)相關(guān)技術(shù)起步較晚，不只是車載SerDes芯片，整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)制備工藝遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后；其次是人才匱乏；三是車載SerDes芯片較工規(guī)芯片而言，要求更加嚴(yán)苛，包括車載的電磁環(huán)境、工作溫度環(huán)境、PPM等，且對于壽命、安全性、可靠性要求更高。

不過，隨著近幾年一步步攻克技術(shù)難關(guān)，我國本土車載SerDes供應(yīng)商也開始嶄露頭角。如受到小米集團(tuán)、合創(chuàng)資本等產(chǎn)業(yè)資本看好的慷智，再如瑞發(fā)科半導(dǎo)體，以及聯(lián)合景略半導(dǎo)體共同研發(fā)的韋爾股份等。

除了技術(shù)壁壘的限制，車載SerDes面對的困境還有一點，那就是當(dāng)下的汽車應(yīng)用中使用的SerDes解決方案都是專用的，每家都有自己的協(xié)議。簡單來說，你現(xiàn)在用的是TI的方案ADAS控制器，搭配的sensor 端就不能用Maxim的方案。

而一旦使用了某家的方案，未來的平臺更新升級存在嚴(yán)重的依賴性。更大的問題是買東西的人失去了隨意挑選的權(quán)利，有種被綁架的感覺，這事OEM怎么能忍？

03 標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟崛起

為打破這一掣肘，寶馬集團(tuán)聯(lián)合大陸集團(tuán)、恩智浦（NXP）等汽車、半導(dǎo)體領(lǐng)域巨頭，在2019年成立了ASA(Automotive SerDes Alliance)聯(lián)盟，旨在制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

目前已經(jīng)有36個廠商陸續(xù)加入聯(lián)盟。不過，前面提到的幾家頭部企業(yè)暫時還沒有加入。ASA已陸續(xù)制定了自己的規(guī)范和協(xié)議，至于產(chǎn)品什么時候出來，還需靜觀其變。

此外，還有由多家半導(dǎo)體企業(yè)于2018年成立的MIPI AWG（Automotive Working Group），專注于提供有關(guān)要求的輸入和協(xié)調(diào)，以確保MIPI滿足汽車行業(yè)的需求。

MIPI AWG完成了A-PHY的需求收集過程，A-PHY是針對自動駕駛系統(tǒng)、ADAS和其它環(huán)視傳感器應(yīng)用的物理層規(guī)范（最長15m）。隨著A-PHY開發(fā)已經(jīng)開始達(dá)到12-24Gbps，需求收集已經(jīng)開始支持更高的速度，包括超過48Gbps的顯示器和其它應(yīng)用。

據(jù)MIPI聯(lián)盟稱，2019年底開發(fā)人員就可以開始使用A-PHY v1.0了。MIPI聯(lián)盟預(yù)測第一批使用A-PHY組件的車輛會在2024年投產(chǎn)。

04 SerDes協(xié)議：私標(biāo)與公標(biāo)

車載SerDes按照協(xié)議的分類，主要分為私有標(biāo)準(zhǔn)和公有標(biāo)準(zhǔn)。像上文提及的TI、ADI等企業(yè)專用的標(biāo)準(zhǔn)均為私標(biāo)，或者說企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由ASA和MIPI等組織牽頭制定的則是公標(biāo)，目前已知的車載SerDes公標(biāo)有三個：

ASA聯(lián)盟發(fā)布的ASA標(biāo)準(zhǔn)，目前PHY層的最新版本為V1.01；

MIPI組織發(fā)布的A-PHY標(biāo)準(zhǔn)，目前最新版本是2023年5月24日發(fā)布的V1.1.1

中國汽標(biāo)委發(fā)布的HSMT標(biāo)準(zhǔn)，目前最新版本是2023年5月24日發(fā)布的征求意見稿

私標(biāo)與公標(biāo)的最大區(qū)別在于：

私標(biāo)是某企業(yè)自己制定的接口標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容不對外公布，加串芯片和解串芯片必須使用同一家公司的芯片。

公標(biāo)則是多個企業(yè)聯(lián)合起來制定的接口標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容至少要對聯(lián)合組織內(nèi)的所有公司進(jìn)行公開

目前，幾乎壟斷全球市場份額的Maxim和TI公司均為私標(biāo)，不過，隨著公標(biāo)產(chǎn)品的逐步推出，私標(biāo)與主機(jī)廠博弈的利益天平也將逐步向車企傾斜。原因主要有兩點：一是車廠有充足的動力打破私有協(xié)議主導(dǎo)的市場格局；二是公有標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)正處于起步階段，一旦進(jìn)入拐點會加速成熟，五年內(nèi)有機(jī)會成為主流技術(shù)路線。

由于ASA標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展速度較慢，從目前國產(chǎn)芯片的研發(fā)情況和車廠對標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)同程度來看，國內(nèi)主要競爭體現(xiàn)在HSMT和MIPI A-PHY。這兩者在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、抗干擾性、工藝節(jié)點、芯片復(fù)雜度和啟動時間等方面存在差異。

05 車載SerDes VS 汽車以太網(wǎng)

隨著整車電子架構(gòu)集中化的趨勢愈發(fā)明確，高帶寬數(shù)據(jù)傳輸需求，正在成為下一代整車電子架構(gòu)的剛需，也是架構(gòu)規(guī)劃的關(guān)鍵一環(huán)。

這其中，汽車以太網(wǎng)是目前市場的主流選擇，SerDes (ASA)、SerDes (MIPI A-PHY)也在被不少企業(yè)作為選擇方案。前者可以提供3.6到13Gbps的帶寬能力，后者可以提升至16Gbps以上，主要應(yīng)對傳感器、顯示屏與域控制器的數(shù)據(jù)交互。

牽頭成立ASA的寶馬集團(tuán)就認(rèn)為，SerDes是必要的和正確的技術(shù)，尤其是面向ADAS多傳感器的數(shù)據(jù)連接（非對稱數(shù)據(jù)點對點），而以太網(wǎng)是一種適合其他應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。

值得注意的是，寶馬也是全球第一個將以太網(wǎng)技術(shù)引到汽車工業(yè)的企業(yè)?，F(xiàn)如今，寶馬又開始押寶SerDes，其中很大的考量在于汽車以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)吞吐要略低于LVDS，這意味著，視頻等圖像信息需要解壓縮，從而增加了延遲的問題。

不過，相對比汽車以太網(wǎng)，SerDes的成本確實更高，而成本對于汽車制造商來說，往往是優(yōu)先考慮的關(guān)鍵問題之一。

在業(yè)內(nèi)人士看來，擁有一個具有成本效益和性能優(yōu)化的車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來支持智能座艙、自動駕駛等主要應(yīng)用是一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，行業(yè)正在尋找正確的解決方案。

對于這一難題，4月11日-12日，由談思實驗室和談思汽車聯(lián)合主辦的「第五屆中國國際汽車以太網(wǎng)峰會」上，來自寶馬集團(tuán)的高級專家，同時也是汽車以太網(wǎng)發(fā)明人之一、OPEN Alliance首任主席、《汽車以太網(wǎng)》第一作者的Kirsten Matheus博士將要發(fā)表的《結(jié)合SerDes和以太網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)汽車高速通信》這一主題演講，或?qū)⒔o到業(yè)內(nèi)人士一些技術(shù)啟示和實踐方向。

此外，聯(lián)合寶馬集團(tuán)共同牽頭成立ASA的恩智浦半導(dǎo)體（NXP），也將參與本次大會，并帶來硬核演講與技術(shù)方案。敬請期待。



審核編輯：劉清