SerDes芯片在汽車領域中的應用

佐思汽研發(fā)布《2024年下一代Zonal通信網(wǎng)絡拓撲及芯片行業(yè)研究報告》。

車載通信架構在汽車E/E架構中扮演連接的角色，隨著汽車E/E架構的演進，車載通信技術也隨之不斷發(fā)展，通信技術發(fā)展的核心是通信接口協(xié)議?；谙乱淮鶽onal架構的車載通信框架中：

總線通信：主要包括車載以太網(wǎng)（10M/100M/1000M/2.5G/5G/10G等）、CAN-XL、CAN-FD等。CAN-XL/CAN-FD總線通信的底層是收發(fā)器芯片，車載以太網(wǎng)芯片則包括物理層PHY芯片和交換機芯片。Zonal架構下，汽車的骨干網(wǎng)絡將采用車載以太網(wǎng)，局部低速網(wǎng)絡短期內(nèi)仍將繼續(xù)使用CAN-FD/LIN，待10Base-T1S車載以太網(wǎng)和CAN-XL產(chǎn)品規(guī)?；?，可能會成為Zonal架構中低速網(wǎng)絡的主要應用。

高速視頻流通信：目前車載SerDes芯片有多種協(xié)議，主要包括FPD-Link、GMSL、MIPI A-PHY、ASA-ML等。汽車高速視頻流傳輸采用串行傳輸技術，需要SerDes串行器/解串器來實現(xiàn)，主要應用場景包括攝像頭到ADAS SoC的視頻傳輸、座艙SoC到車載顯示屏的內(nèi)容傳輸。

近距無線通信：主要包括藍牙、WIFI、NFC、UWB和星閃等，主要應用場景包括手車互聯(lián)、數(shù)字車鑰匙、無線BMS等。

片間通信：主要有PCIe、NVLink等協(xié)議，在中央超算+Zonal架構下，多SoC片間級聯(lián)應用較多，PCIe主要用于CPU與GPU之間的通信，NVLink主要用于GPU與GPU之間的通信。

Zonal架構的車載通信網(wǎng)絡拓撲

來源：沃爾沃

高速視頻流通信：車載SerDes芯片如何助力車企降本增效？

車載SerDes芯片主要用于車載攝像頭到ADAS域控制器、座艙域控制器、車載顯示器等的圖像和視頻信號的實時數(shù)據(jù)傳輸，通常由Serializer（串行器）和De-serializer（解串器）兩顆芯片組成，串行器和解串器之間要有一套完整的通訊協(xié)議才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)完整、安全、無誤的傳輸。

SerDes芯片在汽車領域中的應用

來源：ADI

10G+車載SerDes通信的必要性：10G+車載SerDes芯片的發(fā)展，與汽車中央集成+Zonal架構、端到端自動駕駛、車載顯示貫穿一體屏及超高清畫質(zhì)等發(fā)展趨勢息息相關。

高清攝像頭端：在深度學習模型中，需要高分辨率圖像數(shù)據(jù)來進行目標識別，為了能夠?qū)Ωh距離的目標進行識別和監(jiān)測，已有廠商推出800萬像素以上的車載攝像頭。比如索尼半導體在2023年發(fā)布了1700萬像素的車規(guī)圖像傳感器IMX735；舜宇光學也宣布完成了17MP前視車載鏡頭的研發(fā)。目前，一顆800萬像素攝像頭每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量高達5.76Gbps，未來要實現(xiàn)更高清攝像頭的數(shù)據(jù)傳輸，對帶寬的要求需達到10Gbps及以上。

高分辨率顯示屏端：智能座艙域與車載顯示屏之間的信息交互對帶寬的需求也越來越高。以吉利銀河E8為例，其搭載的45寸8K貫穿一體屏帶寬需求可達12.7Gbps。

車載SerDes芯片集成的方案必要性：在大模型時代，如果攝像頭達到320度的全視角覆蓋，所需的攝像頭數(shù)量將翻倍增長。車載SerDes芯片都是成對使用，如果按照單顆攝像頭配一對串行/解串器的方案，那么整車對于車載SerDes芯片的需求就會大量增加，由此增加的線纜和插件等相關連接件，不僅不利于汽車輕量化，更會增加汽車的制造成本，與汽車整體的發(fā)展趨勢和主機廠降本的需求相悖。對于采用下一代Zonal架構和AI大模型的汽車，串行器和解串器的集成方案顯得尤為重要，有助于簡化電路設計、減少SerDes芯片用量及線束、連接器的使用。

車載SerDes的協(xié)議可主要分為私有協(xié)議和公有協(xié)議。目前，全球車載SerDes市場是以私有協(xié)議為主導，ADI的GMSL和TI的FPD-Link幾乎壟斷了全球車載SerDes市場份額。為打破行業(yè)壟斷，國內(nèi)涌現(xiàn)出了越來越多的車載SerDes芯片企業(yè)，比如仁芯科技、昆高新芯、裕太微等。

由于TI和ADI在車載低速SerDes產(chǎn)品（1.6Gbps~6Gbps）已經(jīng)占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢和絕對壟斷的主導地位，因此，國內(nèi)許多廠商則針對未來智能汽車高帶寬的需求，規(guī)劃了高速車載SerDes產(chǎn)品（10Gbps以上），以搶占高速車載SerDes產(chǎn)品量產(chǎn)的先發(fā)優(yōu)勢。

以仁芯科技為例，R-LinC是仁芯科技自研的單通道16Gbps車載高性能SerDes芯片，向下可兼容全速率16Gbps-1.6Gbps，采用私有協(xié)議，支持15米的長距離傳輸，采用22nm工藝打造，插損補償能力達到30dB以上，并可實現(xiàn)實時自適應均衡。R-LinC主要用于車載攝像頭等傳感器到SoC的長距離實時傳輸，其單通道16Gbps的速率可滿足當前超高分辨率攝像頭（如17MP）對于圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉O致需求。

傳感器端，在16Gbps高速傳輸加持下，1顆仁芯R-LinC加串芯片可同時接入兩顆8MP像素高清攝像頭，單根線束傳輸兩路視頻流，節(jié)省1顆芯片和1套線束及接插件，助力當下主流視覺傳感器方案高效降本。

仁芯科技加串芯片二合一方案

來源：仁芯科技

控制器側(cè)，仁芯R-LinC單顆解串器可實現(xiàn)6路輸入，最高可實現(xiàn)6*16Gbps (12顆8MP攝像頭) 的高速數(shù)據(jù)吞吐能力，同時支持16Gbps的轉(zhuǎn)發(fā)能力，因此，1-2顆解串器即可覆蓋當前市場智駕主流視覺方案，配合6合1的新型連接器，使得板級硬件設計面積更小，器件布局更優(yōu)，大幅降低了系統(tǒng)方案成本。

仁芯科技解串芯片六路合一方案

來源：仁芯科技

目前智能車型視覺傳感器配置中，平均攝像頭配置數(shù)量已超5顆，高階智駕需要11顆攝像頭才能完成對于整車周圍環(huán)境的覆蓋，為此，仁芯科技聯(lián)合索尼半導體推出了“智駕5V超級視覺解決方案”。

仁芯科技＆索尼半導體“智駕5V超級視覺解決方案”

硬件配置：該方案由1顆基于索尼17M圖像傳感器（IMX735）的前視超高清攝像頭+4顆基于索尼8M像素的超級魚眼攝像頭+5顆仁芯16Gbps高速率加串芯片（RLC91603）+1顆高集成度6合1解串芯片（RLC99602）組成；

5顆攝像頭完成整車智駕全視野覆蓋：在該方案中，前視17MP攝像頭能同時輸出廣角到窄角三幅圖像，可替代現(xiàn)有主流2顆前視8MP像素攝像頭；另外4顆8MP-12MP像素超大廣角魚眼攝像頭，可以兼顧周視攝像頭功能，完成對整車的全景覆蓋。

R-LinC加/解串器在5V方案中的優(yōu)勢：

傳感器方面，使用1顆仁芯R-LinC加串芯片就可滿足索尼17MP超高清攝像頭的傳輸速率，節(jié)省了1顆加串芯片和1套線束及接插件，實現(xiàn)成本的大幅降低；

控制器方面，該方案僅需1顆仁芯R-LinC解串器就能實現(xiàn)5路視頻流輸入，配合高集成度的新型連接器，有助于減小板級硬件設計面積、優(yōu)化器件布局、降低系統(tǒng)方案成本。

車載SerDes的公有協(xié)議，目前有MIPI A-PHY、ASA-ML和HSMT三類公有標準。

三種車載SerDes公有協(xié)議

來源：佐思汽研《2024年下一代Zonal通信網(wǎng)絡拓撲及芯片行業(yè)研究報告》

在MIPI A-PHY標準中，Valens是重要貢獻者，也是市場上首家提供符合A-PHY標準的芯片組（VA7000系列）的廠商，目標是ADAS和自主驅(qū)動子系統(tǒng)中的超高速網(wǎng)絡應用。在Valens A-PHY芯片的規(guī)劃路線中，預計在2025年推出性能更強的VA7100芯片組，單個接口可支持16Gbps以上帶寬，能夠支持高達1700萬像素以上的分辨率，并且可以同時接入攝像頭和雷達的數(shù)據(jù)。在處理接受端，單鏈路可支持16Gbps以上帶寬，可實現(xiàn)多路實時視頻及數(shù)據(jù)的傳輸或交換，所有傳感器數(shù)據(jù)均可靈活交換、復制。

Valens下一代基于MIPI A-PHY標準的VA7100芯片組

來源：Valens

ASA Motion link（ASA-ML）規(guī)范主要由寶馬和Microchip推動。2024年3月，寶馬集團在慕尼黑舉行的汽車以太網(wǎng)大會上宣布，將于2027年引入標準化的ASA-ML。此外，寶馬與Microchip還合作進行了一次基于ASA-ML標準的芯片組概念驗證，未來寶馬極有可能會采用Microchip的VS77X芯片組，傳感器與域控和顯示器之間的高速視頻圖像傳輸。

HSMT標準主要由華為等國內(nèi)企業(yè)主推動。

不過，目前A-PHY、ASA-ML、HSMT等公有協(xié)議均未最后凍結，仍處于更新中，既沒有通過產(chǎn)品規(guī)模出貨的驗證，更沒有被行業(yè)廣泛接受和普遍采用，還存在著很多不確定性。

由于SerDes是跨零部件的橋接芯片，在實際應用中都是成對使用，互聯(lián)互通并非剛性需求，相對來說，私有協(xié)議更加高效簡潔，成熟度高，因此關于SerDes標準化的發(fā)展路徑仍有待觀察。

Zonal架構下，如何構建下一代車載通信架構？

下一代Zonal架構中，實現(xiàn)功能集中化之后，車內(nèi)ECU將大量減少。這種功能的集中化主要是靠軟件算法來引導，但要真正落實下來，必須依賴區(qū)域控制器及中央計算平臺內(nèi)的控制器、SoC、通信芯片、電源芯片等物理硬件來支撐。

現(xiàn)階段跨域融合+Zonal架構對車內(nèi)骨干網(wǎng)絡的通信需求

小鵬汽車X-EEA3.0：中央超算C-DCU，集成座艙、部分車身、中央網(wǎng)關等功能。在這個中央超算的通信中，C-DCU內(nèi)含1個車載以太網(wǎng)交換機并支持TSN，通過2路千兆以太網(wǎng)1000Base-T1與XPU和5G智能天線連接；6路百兆以太網(wǎng)，其中2路連接左右Zonal控制器（LDCU、RDCU）。中央計算平臺和兩個區(qū)域控制器的MCU均采用瑞薩第三代28nm高速MCU。

小鵬汽車中央超算C-DCU通信拓撲

來源：小鵬汽車

長安汽車SDV環(huán)網(wǎng)：長安汽車SDA架構由C2（中央計算機：算力508TOPS）+EDC（體驗計算機：算力2000GFLOPS）+三個區(qū)域控制器VIU組成。該架構采用車載以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)通信技術，以百兆以太網(wǎng)為主干網(wǎng)，C2和EDC之間通過千兆以太網(wǎng)通信，同時應用了TSN、環(huán)網(wǎng)冗余等技術，解決傳統(tǒng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸亂序、丟包等問題。

長安汽車SDV環(huán)網(wǎng)

來源：長安汽車

下一代中央計算+Zonal架構對車內(nèi)骨干網(wǎng)絡的通信需求

下一代中央計算+Zonal架構中，區(qū)域控制器內(nèi)一般會集成Zonal網(wǎng)關、高速通信MCU、車載以太網(wǎng)交換芯片、以太網(wǎng)PHY芯片等與通信相關的芯片器件。每個Zonal網(wǎng)關內(nèi)都包含一個以太網(wǎng)交換機，一輛車可能需要6-7片。

典型的Zonal網(wǎng)關設計

來源：Visteon

Zonal架構下一些典型解決方案：

高速通信MCU（NXP）：2024年3月，NXP推出了全球首款5納米汽車MCU——S32N55。S32N55集成了車輛動態(tài)控制、車身、舒適、中央網(wǎng)關，具備多種網(wǎng)絡接口，包括CAN、LIN、FlexRay、車載以太網(wǎng)、CAN-FD、CAN-XL以及PCIe，CAN網(wǎng)絡接口至少有15個。

NXP S32N55內(nèi)部框圖

來源：NXP

車載以太網(wǎng)PHY芯片（裕太微）：2023年年底，裕太微的首款千兆車載以太網(wǎng)PHY芯片產(chǎn)品YT8011成功量產(chǎn)，并拿到多家OEM定點。YT8011系列芯片兼容百兆100BASE-T1和千兆1000BASE-T1，支持RGMII/SGMII MAC 接口，支持EEE節(jié)能以太網(wǎng)、1588時間同步協(xié)議、IEEE802.1AS時間同步協(xié)議，可在非屏蔽雙絞線上達到60米以上的傳輸距離，充分滿足雷達、環(huán)視、自動駕駛等高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽眯枨蟆?/p>

裕太微千兆車載以太網(wǎng)PHY芯片YT8011應用框

來源：裕太微

車載以太網(wǎng)交換芯片（Marvell）：Marvell的中央汽車以太網(wǎng)交換機系列Brightlane Q622x包含了Q6222和Q6223兩款產(chǎn)品，是專門為汽車Zonal架構而設計。其中，Q6223帶寬達90 Gbps，幾乎是當前可用汽車交換機容量的2倍；Q6222包含9個60 Gbps端口，其中有五個10G SerDes端口、四個2.5G SerDes端口和兩個1000Base-T1 PHY可供選擇。該區(qū)域交換機將來自汽車物理區(qū)域內(nèi)的設備的流量聚合到一起，通過高速以太網(wǎng)連接至中央計算交換機實現(xiàn)信息交互。

Marvell 中央汽車以太網(wǎng)交換機Q6222框圖

來源：Marvell

赫千科技基于車載以太網(wǎng)為骨干網(wǎng)絡設計的區(qū)域網(wǎng)關架構：傳感器采集數(shù)據(jù)后通過車載以太網(wǎng)傳輸至對應的TSN區(qū)域網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)交換，然后區(qū)域網(wǎng)關將對應的數(shù)據(jù)再通過車載以太網(wǎng)總線傳輸至中央計算平臺進行運算處理；中央計算平臺對數(shù)據(jù)進行運算處理后通過TSN網(wǎng)關傳輸至域控制器進行決策或車載以太網(wǎng)顯示屏（Eth Screen）進行顯示；同時TSN區(qū)域網(wǎng)關兼容CAN/CAN-FD通信，通過CAN總線、CAN-FD總線與相應CAN ECU進行信息交換。

基于車載以太網(wǎng)為骨干的區(qū)域網(wǎng)關架構

來源：赫千科技

未來，考慮到自動駕駛對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅约盀闈M足車內(nèi)功能安全的要求、中央與區(qū)域控制器之間大量的數(shù)據(jù)傳輸遷移以及軟件算法的交互，10G+車載以太網(wǎng)可能會成為Zonal架構中的數(shù)據(jù)主干鏈路。

來源：北匯信息

片間互連成為HPC中央計算平臺通信關鍵

Zonal架構的核心部分是中央計算平臺，由于智能駕駛、智能座艙、車控等所有需要一定規(guī)模計算資源的系統(tǒng)都將集中在一個中央計算單元內(nèi)，會用到多個處理器或是SoC，這對中央計算平臺硬件架構的算力、接口、數(shù)據(jù)安全、功能安全等諸多方面提出了很高的要求。中央計算平臺是CPU+GPU的異構芯片集成化設計，板間互連、片間互連、片上互連等通信技術是關鍵。因此，Zonal架構下，汽車網(wǎng)絡還面臨一個重要挑戰(zhàn)，那就是中央計算平臺本身的高性能計算互聯(lián)。

在異構計算架構中，GPU與CPU一般通過PCIe總線連接在一起來協(xié)同工作。目前，市場上車規(guī)級PCIe交換機廠商主要有兩家，一家是Microchip，偏向中高端產(chǎn)品；另一家是瑞薩收購的PERICOM，偏向低端市場，不支持NTB。

Zonal架構中，HPC內(nèi)部將使用PCIe總線連接

來源：Microchip

在大模型訓練過程中，高端顯卡集群的全部潛力取決于GPU服務器集群中每個GPU之間能否快速、順暢地通信。在多GPU系統(tǒng)內(nèi)部，GPU間通信的帶寬通常在數(shù)百GB/s以上，PCIe總線的數(shù)據(jù)傳輸速率容易成為瓶頸，且PCIe鏈路接口的串并轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生較大延時，影響GPU并行計算的效率和性能。

因此，NVIDIA推出了能夠提升GPU之間通信的NVLink技術。NVLink用于SoC，車載計算平臺NVIDIA DRIVE Thor將數(shù)字儀表板、車載信息娛樂、自動駕駛、泊車等諸多智能功能統(tǒng)一整合到單個架構中。2024年3月，NVIDIA推出了第五代NVLink，總帶寬可達 1.8 TB/s，是PCIe 5.0 帶寬的14 倍之多，單顆NVLink Switch芯片有500億顆晶體管，支持多達576個GPU間的無縫高速通信，適用于復雜大語言模型。

NVIDIA Blackwell架構基于第五代NVLink技術，專為Transformer、大語言模型（LLM）和生成式AI工作負載而打造，可分為B200和GB200產(chǎn)品系列。其中GB200 GPU集成了1個Grace CPU和2個B200 GPU，相較于NVLink 4的H100 Tensor Core GPU，GB200 NVL72可以為大語言模型（LLM）推理負載提供 30 倍的性能提升，并將在數(shù)萬億參數(shù)上構建和運行實時生成式 AI 大型語言模型的成本和能耗降低到此前的 25 分之一。

2024年3月，英偉達宣布與比亞迪擴大合作，未來的比亞迪電動汽車將搭載英偉達采用Blackwell架構新一代自動駕駛汽車處理器DRIVE Thor，DRIVE Thor預計最早于2025年開始量產(chǎn)，性能高達1000TFLOPS。此外，比亞迪還將使用英偉達 AI 基礎設施進行自動駕駛模型訓練，智能工廠機器人也將使用NVIDIA Isaac 機器人系統(tǒng)。