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未来最贵的车载半导体是什么?

2020-09-23 22:19:44·  来源:佐思汽车研究  作者:周彦武  
 
随着汽车电子架构的演进,以太网将大量应用,未来最贵的车载半导体将是网络界面IC(主要是PHY)和以太网交换机。不仅最贵,且门槛也最高。上表为Drive AGX Pegas
随着汽车电子架构的演进,以太网将大量应用,未来最贵的车载半导体将是网络界面IC(主要是PHY)和以太网交换机。不仅最贵,且门槛也最高。
 
上表为Drive AGX Pegasus主要集成电路表,未计算图灵GPU的价格。这其中使用了18个PHY,4个以太网交换机芯片,以太网交换机芯片内部也都有PHY,且所占的成本比例(即晶圆面积)也最高。价值远在主运算单元之上。目前车载以太网PHY,最常见的是博通、NXP和Marvell,其他还有德州仪器、Microchip(即收购来的Micrel和Microsemi)、台湾瑞昱、高通收购的Atheros。万兆以太网PHY基本上被Marvell收购的Aquantia垄断,Aquantia已经被Marvell以4.52亿美元收购。车载10Gbps PHY只有Aquantia的AQV107。以太网交换机芯片和以太PHY除了在计算单元使用外,座舱部分也是大量使用,奔驰最新的S级座舱使用4片Marvell的88EA6321,至少4个PHY。在中央网关和每一个分域网关也需要一个以太交换机,ADAS部分可能还需要一个PCIe交换机。未来一部车当中至少有5片以太网交换机芯片,多的可能达到10片-12片以上,以太PHY至少需要10片,多得可能达15片。总价值远超主SoC。主要厂家有Marvell、博通、Microchip、瑞昱和NXP。市场潜力大,门槛高,几乎不可能有新玩家出现,格局非常稳定。前两者市场占有率估计超过60%。
 
目前100M车载以太网主要是100base-T1,这个标准背后主要是博通。在2011年,宝马、现代、NXP、飞思卡尔、HARMAN、意法半导体、博通发起OABR (OPEN Alliance BroadR-Reach)车载以太网联盟, OPEN是onePair Ethernet Network的缩写,OABR 已经由 IEEE 标准化,并命名为100base-T1。传统的百兆以太网的名字是100base-TX,二者在物理层上差别很大。二者最显著的区别就是,100base-T1在物理连接上使用了一对双绞线实现全双工的信息传输,而100base-TX则使用了两对双绞线实现全双工,一对用于收,另一对用于发。
 
100base-T1利用所谓的回音消除技术(echo cancellation)实现了在一对双绞线上的全双工通信。回音消除技术的大概过程是这样的,作为发送方的节点将自己要发送的差分电压加载到双绞线上,而作为接收者的节点则将双绞线上的总电压减去自己发出去的电压,做减法得到的结果就是发送节点发送的电压。BroadR-Reach是Broadcom公司针对自己车载以太网产品的专用商标。因此可以认为100base-T1=OABR=BroadR-Reach。   
 
上图为网络 OSI 7层模型,物理层IC是传输界面IC,也可以叫收发器IC。PHY连接一个数据链路层的设备(MAC)到一个物理媒介,如光纤或铜缆线。典型的PHY包括PCS(Physical Coding Sublayer,物理编码子层)和PMD(PhysicalMedia Dependent,物理介质相关子层)。PCS对被发送和接受的信息加码和解码,目的是使接收器更容易恢复信号。物理层不是指具体的物理设备,也不是指信号传输的物理媒体,而是指在物理媒体之上为上一层(数据链路层)提供一个传输原始比特流的物理连接。物理层规定:为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除,而提供具有机械的,电子的,功能的和规范的特性。
 
简单的说,物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。以以太网为例,数据链路层分为上层LLC(Logical links Control,逻辑链路控制),和下层的MAC(媒体访问控制),MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的时候,MAC协议可以事先判断是否可以发送数据,如果可以发送将给数据加上一些控制信息,最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层;在接收数据的时候,MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误,如果没有错误,则去掉控制信息发送至LLC(逻辑链路控制)层。   
   
PHY在发送数据的时候,收到MAC过来的数据(对PHY来说,没有帧的概念,对它来说,都是数据而不管什么地址,数据还是CRC),每4bit就增加1bit的检错码,然后把并行数据转化为串行流数据,再按照物理层的编码规则(10based-T的NRZ编码或100based-T的曼彻斯特编码)把数据编码,再变为模拟信号把数据送出去。网线上的到底是模拟信号还是数字信号呢?答案是模拟信号,因为它传出和接收是采用的模拟的技术。虽然它传送的信息是数字的,并不是传送的信号是数字的。  
 
以太网连接处理器的方式  
MII(Media Independent Interface)即媒体独立接口,MII接口是MAC与PHY连接的标准接口。它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。MII接口提供了MAC与PHY之间、PHY与STA(Station Management)之间的互联技术,该接口支持10Mb/s与100Mb/s的数据传输速率,数据传输的位宽为4位。"媒体独立"表明在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下,任何类型的PHY设备都可以正常工作。简化媒体独立接口是标准的以太网接口之一,比MII有更少的I/O传输。RMII口是用两根线来传输数据的,MII口是用4根线来传输数据的,GMII是用8根线来传输数据的。MII/RMII只是一种接口,对于10Mbps线速,MII的时钟速率是2.5MHz就可以了,RMII则需要5MHz;对于100Mbps线速,MII需要的时钟速率是25MHz,RMII则是50MHz。GMII是千兆网的MII接口,这个也有相应的RGMII接口,表示简化了的GMII接口。GMII采用8位接口数据,工作时钟125MHz,因此传输速率可达1000Mbps。同时兼容MII所规定的10/100Mbps工作方式。GMII接口数据结构符合IEEE以太网标准,该接口定义见IEEE 802.3-2000。
 
界面IC是混合IC,包含有模拟和数字。众所周知,模拟IC处理的信号都具有连续性,可以转换为正弦波研究,而数字IC处理的是非连续性信号,都是脉冲方波。模拟电路比较注重经验,设计门槛高,学习周期10-15年,数字电路则有EDA工具辅助,学习周期3-5年。模拟IC强调的是高信噪比、低失真、低耗电、高可靠性和稳定性。产品一旦达到设计目标就具备长久的生命力。
 
生命周期长达10年以上的模拟IC产品也不在少数。如音频运算放大器NE5532,生命周期超过50年,现在还在用。数字IC多采用CMOS工艺,而模拟IC少采用CMOS工艺。因为模拟IC通常要输出高电压或者大电流来驱动其他元件,而CMOS工艺的驱动能力很差。此外,模拟IC最关键的是低失真和高信噪比,这两者都是在高电压下比较容易做到的。而CMOS工艺主要用在5V以下的低电压环境,并且持续朝低电压方向发展。对于数字电路来说是没有噪音和失真的,数字电路设计者完全不用考虑这些因素。此外由于工艺技术的限制,模拟电路设计时应尽量少用或不用电阻和电容,特别是高阻值电阻和大容量电容,只有这样才能提高集成度和降低成本。某些射频IC在电路板的布局也必须考虑在内,而这些是数字IC设计所不用考虑的。因此模拟IC的设计者必须熟悉几乎所有的电子元器件。
 
另一个门槛是CDR,即时钟数据恢复,对于高速的串行总线来说,一般情况下都是通过数据编码把时钟信息嵌入到传输的数据流里,然后在接收端通过时钟恢复把时钟信息提取出来,并用这个恢复出来的时钟对数据进行采样,因此时钟恢复电路对于高速串行信号的传输和接收至关重要。CDR接口的主要设计挑战是抖动,即实际数据传送位置相对于所期望位置的偏移。总抖动(TJ)由确定性抖动和随机抖动组成。大多数抖动是确定的,其分量包括码间干扰、串扰、占空失真和周期抖动(例如来自开关电源的干扰)。而通常随机抖动是半导体发热问题的副产品,且很难预测。传送参考时钟、传送PLL、串化器和高速输出缓冲器都对会传送抖动造成影响。一般来说对低频的抖动容忍度很高,PLL电路能够很好地跟踪,恢复出来的时钟和被测信号一起抖动。高频比较麻烦,要设置PLL电路过滤掉,如何设置,没有电脑辅助,全靠经验,没有10年左右的经验是做不好的。
 
这也使得界面IC的护城河非常宽阔,可以允许非常小的厂家存在,它可能只有一款产品,但生命力异常顽强,生命周期一般都在20年以上。界面IC厂家的历史都非常悠远,最少都在10年以上,大部分超过20年,大部分都拥有自己的晶圆厂,因为这些芯片成本在推出几年后,99%都来自制造。中国这种厂家极少。 
 
以太网交换机的工作基础是以太网信息包结构。以太网信息包为固定格式,但长度可变,在信息包中带有目的MAC地址、源MAC地址、信息长度等若干内容。目前使用较多的以太网交换机都是Layer 2(OSI的第二层)交换机,即基于以太网MAC地址进行交换。
 
以太网交换机控制电路收到一个以太包(从某一端口)后,立即查找其内存中的地址对照表(MAC端口号),以确认该目的MAC的NIC挂在哪一个端口上,然后将该包送到该端口上,如果该目的MAC地址是首次出现,则广播到所有端口。以太网交换机是根据以太网包中的源MAC地址来更新“MAC地址—端口号表”的,每一台计算机打开后,其上面的NIC(即PHY)会定期发出空闲包或信号,以太网交换机可据此得知其存在及MAC地址,所谓自动地址学习就是指此意。
 
所谓自动年龄更新(Auto-aging),指的是若一定时间内未见已出现的MAC地址发出包,则将此MAC地址从“MAC—端口号表”中清除,此MAC地址重新出现时将会被当作新地址处理。如果收到1个包,查了目标mac,没查到相应的条目怎么办?会从所有口发出,这个动作也叫做泛洪,即广播。
 
汽车以太网交换机自然要复杂的多,TSN的众多标准都是靠以太网交换机实现的。
 
我们重点来看出镜率仅次于802.1AS的802.1Qbv。
汽车控制数据可以分为三种,Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic。ScheduledTraffic如底盘控制数据,没有任何的妥协余地,必须按照严格的时间要求送达,有些是只需要尽力而为的如娱乐系统数据,可以灵活掌握。汽车行业一般要求底盘系统延迟不超过5毫秒,最好是2.5毫秒或1毫秒,这也是车载以太网与通用以太网最大不同之处,要求低延迟。
 
在TSN标准里,数据则被分为4级,最高的预计延迟时间仅为100微秒。
低延迟的核心标准是IEEE802.1Qbv时间感知队列。
 
通过时间感知整形器(Time Aware Shaper)使TSN交换机能够来控制队列流量(queued traffic),以太网帧被标识并指派给基于优先级的VLAN Tag,每个队列在一个时间表中定义,然后这些数据队列报文的在预定时间窗口在出口执行传输。其它队列将被锁定在规定时间窗口里。因此消除了周期性数据被非周期性数据所影响的结果。这意味着每个交换机的延迟是确定的,可知的。而在TSN网络的数据报文延时被得到保障。TAS介绍了一个传输门概念,这个门有“开”、“关”两个状态。传输的选择过程-仅选择那些数据队列的门是“开”状态的信息。而这些门的状态由网络时间进度表network schedule进行定义。对没有进入network schedule的队列流量关闭,这样就能保障那些对传输时间要求严格的队列的带宽和延迟时间。TAS保障时间要求严苛的队列免受其它网络信息的干扰,它未必带来最佳的带宽使用和最小通信延迟。当优先级非常高时,抢占机制可以被使用。
 
在网络进行配置时队列分为Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic三种,对于Schedule而言则直接按照原定的时间规划通过,其它则按优先级,Best-effort通常排在最后。Qbv主要为那些时间严苛型应用而设计,其必须确保非常低的抖动和延时。Qbv确保了实时数据的传输,以及其它非实时数据的交换。
汽车以太网交换机方面,主要有Marvell、博通和NXP。Microchip收购的Micrel和台湾瑞昱也有一席之地。瑞昱已经成功进入大众供应链。
 
目前已经量产的最顶级车载以太网交换芯片是博通的BCM53162,可以对应 4 路 2.5GbE,售价高达 650 美元(Mouser 报价,100 片起,万片起的话,价格估计降到 130美元)左右。Marvell目前主力产品是88EA6321和88Q5050, 在2019 年 9 月,Marvell 又推出了 88Q5072 和 88Q6113,自然也满足 TSN 标准。目前 Marvell 的旗舰是 88Q6113。
 
88Q6113放弃低带宽的100/1000base-T接口,大量增加SGMII。
NXP的车载以太网交换芯片以高性价比著称,目前NXP有两款车载以太网交换芯片,一片是2016年中期推出的SJA1105TEL,另一片是刚刚在2020年1月推出的SJA1110。SJA1105是针对EAVB网络,SJA1105TEL则增加了对TSN的支持,为了降低成本,SJA1105内部没有PHY,需要外置PHY,NXP推荐TJA1101/TJA1102/TJA1110。端口也比较少,只有5口。SJA1110则有10口。
国内一窝蜂地去做所谓人工智能芯片,就是门槛很低,估计有上百家都在做所谓人工智能芯片,而市场空间非常有限,泡沫之大,实属罕见。
 
 
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