汽車網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)：使用PCIe的優(yōu)勢

?汽車網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

Zonal架構(gòu)全部使用以太網(wǎng)技術(shù)可以帶來了很多優(yōu)勢，例如，基于相同的標準，可以提供從兆到千兆不同的帶寬，提供云端到設(shè)備端的安全IP通信，不需要網(wǎng)關(guān)，減少布線的成本、重量和復(fù)雜性等。

根據(jù)SAE自動駕駛等級劃分，目前大部分的車輛的等級為L2或L2++，如果要實現(xiàn)L4L5高級別的自動駕駛，汽車需要更多更高性能的傳感器，如激光雷達、攝像頭等，這些傳感器輸入的冗余信息可以幫助中央電腦做出更準確的判斷。

目前L2車上有1個攝像頭和1個毫米波雷達以及多個超聲波雷達，到L3級自動駕駛，車上會有8個以上超聲波雷達、4個以上攝像頭和1個激光雷達，并會引入V2X模塊、導(dǎo)航IMU等以及多傳感器融合方案。而到了L4/5級自動駕駛，車上則會有12個以上超聲波雷達、6～8個攝像頭、1～3個激光雷達、1～2個V2X模塊、組合導(dǎo)航以及多傳感器融合方案，Waymo甚至使用了29個攝像頭。車載雷達的視距和探測精度都會提供，視距的提高可以使系統(tǒng)更好地完成路徑規(guī)劃，精度提高更有利于車輛行車安全，進而影響整車性能，而雷達視距和精度的提高，都帶來相應(yīng)的傳感器芯片的數(shù)據(jù)量，性能和能耗的提升。

根據(jù)Strategy Analytics 在2020年10月的評估，汽車以太網(wǎng)設(shè)備的復(fù)合年均增長率將達到46%，到2024年設(shè)備數(shù)量將會增長到5.95億。

汽車以太網(wǎng)設(shè)備?

汽車網(wǎng)絡(luò)面臨的一個挑戰(zhàn)就是需要管理更多的傳感器和ECU數(shù)據(jù)。下圖展示了一個案例，整車電子電器架構(gòu)有4個Zonal ECU，每個Zonal ECU都高清的攝像頭和1～2激光雷達/毫米波雷達。高清攝像頭的帶寬需要10Gpbs以上，雷達需要1Gbps左右，加上其余的傳感器，從Zonal ECU的角度看預(yù)計需要25Gbps的帶寬，如果還要在系統(tǒng)中增加冗余，那就意味著從Zonal ECU到中央計算平臺的帶寬需要50Gbps左右。所以需要2條20Gpbs以上的以太網(wǎng)連接到中央計算平臺。

整車電子電器架構(gòu)案例 ?

網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求爆發(fā)性的增長，就需要更高帶寬的以太網(wǎng)。電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）也在規(guī)劃高帶寬以太網(wǎng)規(guī)范。

多千兆以太網(wǎng)

汽車網(wǎng)絡(luò)面臨的另一個挑戰(zhàn)是，中央計算平臺本身的高性能計算互聯(lián)。如下圖所示，4個以太網(wǎng)連接到了PCIe橋，按照前面的估算，這4個ECU的帶寬大概要50Gbps，所以需要使用橋接芯片或者交換機把以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換到PCIe。需要進行轉(zhuǎn)換的原因是，根據(jù)支持的功能，目前的中央計算平臺上，至少需要2個或者更多的SOC，而PCIe是高性能計算SoC的首選接口，雖然也有部分SOC支持以太網(wǎng)口，但是數(shù)量和帶寬都不足。二是和數(shù)據(jù)中心類似，PCIe技術(shù)可以提供高帶寬、低延時、低成本的互聯(lián)，類似SOC和SOC之間，SOC和SSD之間等多方面的互聯(lián)。

集中式計算的互連

目前，PCIe主要僅用于ECU處理器內(nèi)部連接，而ECU間的高速連接主要由汽車以太網(wǎng)實現(xiàn)。隨著汽車向跨數(shù)據(jù)主干的共享處理和冗余方向發(fā)展，與通過網(wǎng)卡將PCIe轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)進行互連然后在目標ECU轉(zhuǎn)換回PCIe的方式相比，將原生PCIe進行端到端的傳輸越來越具有吸引力。將一種接口技術(shù)轉(zhuǎn)換為另一種接口技術(shù)，PCIe的固有優(yōu)勢將會喪失。通過原生PCIe端到端的連接處理器可以利用協(xié)議的超低延遲、高可靠性和DMA的優(yōu)勢，這對提高計算效率和改善實時處理性能至關(guān)重要。對于高帶寬ECU間的互連，實時處理和算力最大化要優(yōu)于電纜數(shù)量，PCIe將成為一個高效有價值的汽車網(wǎng)絡(luò)的補充。

未來汽車就像帶4個輪子的數(shù)據(jù)中心，為了在局域架構(gòu)中實現(xiàn)分布式處理，汽車數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)必須采用支持高帶寬和低延遲的高速接口。PCIe交換機連接中央計算機內(nèi)的所有處理器，滿足連接帶寬需求，同時實現(xiàn)平臺模塊化、可擴展性、安全設(shè)計分區(qū)和到以太網(wǎng)域的橋接。特別是，當(dāng)共享數(shù)據(jù)用于安全關(guān)鍵的實時處理時，必須仔細考慮超低延遲。PCIe生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)解決了工業(yè)數(shù)據(jù)中心的這些類型的高帶寬、超低延遲性能需求，也可以以同樣的方式服務(wù)于汽車行業(yè)。

使用PCIe的優(yōu)勢

使用PCIe有以下5點關(guān)鍵優(yōu)勢： 1、帶寬擴展性好：PCIe帶寬每一代都翻了一番，設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)一個隨著帶寬需求的增加而擴展的未來性接口。PCIe提供靈活的鏈路寬度，并行通道可以輕松地將帶寬從×1擴展到×2、×4、×8或×16。 2、超低延遲和可靠性：PCIe集成了最小的數(shù)據(jù)開銷，保證了硬件級的可靠傳輸，將延遲降低到幾十納秒。相比之下，以太網(wǎng)這樣的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要依賴于TCP/IP層中的軟件來管理數(shù)據(jù)完整性和傳輸可靠性，從而導(dǎo)致開銷將延遲增加到幾微秒。這種延遲的量級差異在端到端汽車互連之間成倍增加，為具有實時性需求的汽車應(yīng)用（如ADAS和V2X）帶來了重大挑戰(zhàn)。 3、直接內(nèi)存訪問(DMA)：PCIe提供了內(nèi)置的DMA方法，而不需要進行分包，以減少CPU處理開銷資源。這進一步降低了遠程共享存儲的延遲。其他接口技術(shù)在CPU周期訪問、復(fù)制和緩沖區(qū)內(nèi)存數(shù)據(jù)方面會產(chǎn)生開銷，PCIe允許處理器有效地訪問共享內(nèi)存，就像內(nèi)存在本地一樣。 4、滿足汽車功能安全：PCIe體系提供了豐富的錯誤檢測、CRC校驗、內(nèi)置在事務(wù)層和應(yīng)用層的高級錯誤記錄和報告，消息計數(shù)器和流量控制等功能，為實現(xiàn)功能安全奠定了基礎(chǔ)。

5、PCIe生態(tài)廣泛：PCIe是非專有的，并被中央處理器（CPU）、圖形處理單元（GPU）和硬件加速器等眾多廠商采用。PCIe在行業(yè)中的普及，使現(xiàn)有的組件和現(xiàn)有的IP具有靈活的互操作性。并且生態(tài)系統(tǒng)的各種元素支持本地PCIe，包括SSD存儲和基于PCIe的交換機結(jié)構(gòu),支持具有非透明橋接(NTB)拓撲的交換結(jié)構(gòu)。面向 VirtIO、ScalableIO 和共享虛擬內(nèi)存的功能支持。

PCIe長距離連接

為了讓處理器充分利用PCIe接口進行共享處理，將PCIe從ECU內(nèi)部接口轉(zhuǎn)變?yōu)镋CU間接口。TI、Rosenberger和GG Group等領(lǐng)先的汽車行業(yè)供應(yīng)商一直在開發(fā)創(chuàng)新解決方案，希望通過基于H-MTD 連接器和GG 2 Speed 電纜的汽車電纜通道實現(xiàn)本地PCIe傳輸。這些物理層解決方案將為汽車處理器實現(xiàn)其全部計算、效率和連接潛力掃清道路。

實現(xiàn)PCIe互聯(lián)，需要仔細考慮整個物理特性。完整的端到端通道或TX到RX鏈路由電纜通道兩端的兩個PCB通道組成。PCB通道包括從TX/RX PHY到相應(yīng)PCB針座的部分。汽車電纜通道可以由單個電纜組件組成，例如帶有兩個組裝連接器的散裝電纜，或多個電纜組件。對于多個電纜組件，電纜通道包括串聯(lián)連接。根據(jù)所需帶寬上的通道限制，電纜通道長度的限制取決于高速特性，例如插入和回波損耗。

為了保持PCIe連接的優(yōu)勢，同時滿足OEM對通用電纜通道解決方案的需求，并最大限度地降低電纜成本和重量，需要進行一些權(quán)衡。

1、保持與其他高速接口相似的電纜通道類型：用于PCIe的電纜組件解決方案應(yīng)盡可能與其他高速接口技術(shù)(如2.5/5/10GBASE-T1以太網(wǎng))相似。通過這種方式，OEM只需要為整個車輛的各種高速接口驗證單個連接器接口和電纜類型組合。

2、僅連接基本PCIe信號：為了減少電纜數(shù)量和重量，只需要通過汽車電纜連接必要的高速PCIe信號。本地PCB上的低速邊帶信號可能未連接。為了降低EMI諧振的風(fēng)險，可以從電纜互連中省略100MHz PCIe參考時鐘。PCIe規(guī)范支持SRNS(Separate Reference Non-Spread)和SRIS(Separate Reference Independent Spread)，用于電纜兩側(cè)的獨立時鐘。

3、以線纜數(shù)量換取原生PCIe性能：原生PCIe傳輸需要專用的TX和RX通道。因此，每條通道需要兩條STP電纜(每條通道一條TX和一條RX)，與其他高速接口（如 Multigig 以太網(wǎng)）使用的單根電纜相比，數(shù)量相對增加。在利用PCIe生態(tài)系統(tǒng)的同時，電纜數(shù)量的增加，可以保留原生PCIe性能和非專有PHY接口的價值。

4、保持相似的PHY層要求：原生PCIe通過專用的TX和RX方向?qū)崿F(xiàn)NRZ信令，并且能夠通過EMC要求。與PAM-4或PAM-16調(diào)制方案相比，NRZ信令可最大化垂直眼圖裕量。借助專用的TX和RX通道，復(fù)雜的DSP來消除噪聲和回聲，無需單獨的汽車PCIe PHY來支持全雙工雙向信令接口。

為了在數(shù)以百萬計的車輛中實現(xiàn)可靠連接，確定PHY對它們之間鏈路的高速要求，并使其與電纜和連接器能夠提供的性能保持一致。因此，需要一個通道規(guī)范來測試高速通道參數(shù)的極限。高速通道規(guī)范描述了基于S參數(shù)的電纜和PCB通道要求。

關(guān)鍵參數(shù)是所需的頻率帶寬，主要是插入損耗和回波損耗?？紤]到EMC，需要指定屏蔽和耦合衰減。另外，還需要對測試方案進行詳細說明，以比較不同的結(jié)果。

TI、GG Group和Rosenberger等合作擬議了汽車PCIe通道規(guī)范以及測試方案描述，這可以作為后續(xù)汽車用例官方PCI-SIG標準化的基礎(chǔ)。

電纜在正常室溫情況下僅滿足性能需求是不夠的。汽車認證需要不同的老化測試，例如，為確認電纜性能穩(wěn)定性，需要在高溫下老化3000小時。為了滿足接口性能要求，還必須考慮不同的電纜設(shè)計參數(shù)，例如絞線長度、芯線介電常數(shù)和絕緣材料。

Rosenberger的H-MTD電纜組件，標配GG 2Speed 251線纜。這種可以滿足大量協(xié)議，例如100/1000BASE-T1以太網(wǎng)、2/5/10GBASE-T1以太網(wǎng)、FPD-Link和其他下一代SerDes。GG 2Speed 251電纜和H-MTD 連接器組合也可滿足的汽車PCIe系統(tǒng)。

另外使用Redriver和Retimer可以抵消PCIe傳輸時發(fā)生的額外插入損耗和信噪比下降。自PCIe2.0以來，Redriver一直是PCI-SIG集成商認可組件列表的一部分。從PCIe4.0起，Retimer正式成為PCIe基本規(guī)范的一部分。

Redriver與Retimer對比

對于ECU內(nèi)部和短距離的場景，使用Redriver是合適的選擇。對于原生PCIe3.0的傳輸，使用GG 2Speed 251 STP線纜和Rosenberger H-MTD連接器情況下，配合Redriver可滿足長達5米的應(yīng)用。

對于更長的電纜距離應(yīng)用，Retimer對于最大化信號余量至關(guān)重要。與Redriver相比，PCIe Retimer可以提供更復(fù)雜的功能，包括自適應(yīng)均衡器、DFE和CDR。Retimer還提供多種鏈路監(jiān)控診斷功能，以支持系統(tǒng)級功能安全，包括RX鏈路裕度、內(nèi)部眼圖監(jiān)控器和電纜故障檢測等。對于原生PCIe3.0傳輸，使用GG 2Speed 251 STP線纜和Rosenberger H-MTD連接器情況下，配合Retimer可滿足長達10米的應(yīng)用。

PCIe在汽車上應(yīng)用介紹

PCIe生態(tài)非常完善，具備高帶寬、超低延遲等特性，下面介紹幾個PCIe在汽車上使用的案例。

算力拓展的應(yīng)用

PCIe算力可擴展性的應(yīng)用包括自動駕駛系統(tǒng)、輔助駕駛系統(tǒng)、ADAS和娛樂系統(tǒng)。新的人工智能算法，比如，深度學(xué)習(xí)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等對計算平臺有了更高的要求。隨著汽車傳感器數(shù)量的增加，算力的需求也在增加，根據(jù)場景，算力需求會從30TOPS到700TOPS以上。在域架構(gòu)中，可以看到算力拓展的需求。

PCIe系統(tǒng)具備：高帶寬、可拓展的接口、支持Hypervisor 虛擬化應(yīng)用、更好的熱管理和更好的電源管理、支持功能安全和數(shù)據(jù)安全等特性，非常適合自動駕駛汽車拓展算力的應(yīng)用。

PCIe拓展算力的應(yīng)用

在輔助駕駛域中，可以通過PCIe連接一個或者多個加速處理器，以滿足不同的平臺算力的需求。

在娛樂域控制中，處理器可以連接加速處理器或者GPU，根據(jù)顯示的數(shù)量、分辨率、內(nèi)容，來確定不同的加速器和GPU的數(shù)量。

數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)的應(yīng)用

前文已經(jīng)提到，未來的電子電氣架構(gòu)算力趨向集中，數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)承載著處理過的和原始的數(shù)據(jù)，以便集中計算，隨著更多的傳感器和數(shù)據(jù)需要處理，骨干網(wǎng)帶寬的需求越來越大，可達5Gbps～40Gbps+。

PCIe鏈路可以支持高帶寬、低延時的傳輸，具備汽車功能安全和數(shù)據(jù)安全特性，而且電纜供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)出可靠的線纜來滿足高速率的數(shù)據(jù)的傳輸，具備可靠性高EMC/EMI性能。PCIe可以在ECU冗余處理、傳感器融合、ECU區(qū)域/環(huán)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾矫姘l(fā)揮作用。

數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)應(yīng)用PCIe的案例

基于PCIe的存儲

汽車里一般有三個主要的區(qū)域需要儲存： 1、黑匣子。目前100%的新車都有事件數(shù)據(jù)記錄器，通常他們使用少量的內(nèi)存，因為它只需要記錄30秒的視頻和中心數(shù)據(jù)，但是目前自動駕駛汽車需要記錄汽車行駛過程中所有的傳感數(shù)據(jù)，所以黑匣子的存儲容量正在顯著增加。 2、娛樂應(yīng)用。可以看到目前車內(nèi)的顯示越來越大，有的顯示屏已經(jīng)達到42英寸，對于娛樂應(yīng)用來說，需要大容量的存儲空間。

3、地圖。自動駕駛汽車需要實時定位，其中一種方法就是地圖的實時更新，這需要大容量的存儲空間。

對于汽車而言，存儲需要滿足特定的要求，一般來說需要15年的工作壽命，在車內(nèi)高溫等極端環(huán)境下可以正常工作，根據(jù)不同應(yīng)用，存儲容量會高達1TB以上。傳統(tǒng)上汽車存儲已經(jīng)使用了很多移動類型的存儲，像EMMC和UFS，目前正在向著PCIe存儲過度，基于硬盤的存儲不是汽車的首選，而固態(tài)硬盤，可以滿足汽車的振動測試，并滿足長期可靠性需求。PCIe存儲，特別是NVME類型，可以提供最低延時，高帶寬和極短的啟動時間。NVMe 固態(tài)盤具有更高的可靠性、可用性和可服務(wù)性 (R.A.S) 的特點。PCIe 總線支持從對NVMe 固態(tài)盤進行熱交換更換，而無需關(guān)閉系統(tǒng)。

為了確保數(shù)據(jù)的正確性，PCIe還支持LCRC、ECRC、Ack/Nak等特性： ●LCRC(Link CRC)，可以檢測在兩個設(shè)備之間的鏈路（Link）上發(fā)生的錯誤，這些錯誤大多是由于物理層的信號質(zhì)量問題引起的； ●ECRC(End-to-End CRC)，可以檢測TLP報文的內(nèi)容是否在Requester和Completer之間的路徑上是否損壞。如switch在轉(zhuǎn)發(fā)TLP報文時由于某些bug發(fā)生了數(shù)據(jù)不一致；

●Ack/Nak，是由硬件實現(xiàn)完全自動的機制，目的是保證TLP有效可靠地傳輸。Ack DLLP用于確認TLP被成功接收，Nak DLLP則用于表明TLP傳輸中遇到了錯誤。

因為算力集中，需要非常高的功耗，而高功耗很難消除熱量，所以中央計算平臺對于低功耗有著巨大的需求，PCIe可以進行L1狀態(tài)，根據(jù)鏈路數(shù)據(jù)傳輸流量控制降低鏈路寬度，只要滿足系統(tǒng)的吞吐率，適當(dāng)?shù)年P(guān)閉原本活動的鏈路，減小能耗，以最小的系統(tǒng)能耗完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

隨著中央處理的功能的增多，需要虛擬化功能，SR-IOV也非常適用于虛擬化。PCIE的這些特性使PCIE成為真正適合汽車大容量SSD存儲的技術(shù)。

基于PCIe的存儲

V2X/V2V的應(yīng)用

一個典型的電子電氣架構(gòu)中，其中射頻連接功能集中在TCU中實現(xiàn)。TCU具備LTE/5G、WiFi、BT5.0、GNSS、V2X等功能，而芯片之前使用的高速接口大多數(shù)是PCIe。隨著5G時代的到來，帶寬的需求會越來越大。

TCU可以使用PCIe總線連接到主機。PCIe具備極大的靈活性，可以輕松支持更高的帶寬，并支持向前、向后兼容，而無需對架構(gòu)進行重大更改。PCIe也支持遠距離線纜連接，可以進行端到端的傳輸，而不用中間轉(zhuǎn)換，更方便的進行功能安全和數(shù)據(jù)安全的防護。

PCIe 總線在V2X/V2V中的應(yīng)用

本文摘自《智能汽車：新一代技術(shù)與應(yīng)用》.姜鴻雷.電子工業(yè)出版社—第三章部分內(nèi)容。 ?

編輯：黃飛

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