汽车芯片的下一波革命或将发生在这一通信领域

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文｜半导体产业纵横

以太网（Ethernet，IEEE 802.3标准）应用市场广阔，自1973年诞生以来，已经历40多年的发展历程。因其具备技术成熟、高度标准化、带宽高及低成本等诸多优势，成为了应用最普遍的局域网技术，覆盖家庭网络及用户终端，企业及园区网，运营商网络，大型数据中心和服务提供商等应用领域，在全球范围内形成了以太网生态系统，是当今信息世界最重要的基础设施，需要通过以太网通信的终端设备都可以采用以太网物理层芯片（PHY芯片）及相关设备实现通信。

以太网协议采用星形拓扑或线性总线，这是IEEE 802.3标准的基础，在OSI（Open System Interconnection）七层（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层）网络结构中，以太网协议在物理层和数据链路层工作。以太网将数据链路层的功能划分到了两个不同的子层，分别是逻辑链路控制层和介质访问控制（Media Access Control，MAC）层。

本文主要关注物理层，OSI物理层规范规定的是连接传输介质的相关器件标准，主要包括机械特性，电气特性和功能特性。机械特性是指接口所用连接器的尺寸、引线个数、引线排列顺序，以及固定方式和材质等机械性能指标；电气特性是指介质及接口电压、电流指标；功能特性是指物理层器件需要实现的功能，例如，如何处理数据流，使用哪种编码方式，以及规定帧格式等。

根据以太网联盟创建的路线图，将以太网应用分为五大类：工业自动化，车载以太网，企业应用，电信运营商，数据中心。具体来看，包括信息通信（路由器、交换机、无线终端、中继器），智能电子（机顶盒、LED显示屏、网络打印机、智能电视），工业控制（矿业、工业相机等），监控设备（安防摄像头），以及汽车系统中的辅助驾驶、智能网联、摄像头、激光雷达、行车记录仪等。

PHY芯片是互联的关键

以太网物理层芯片（PHY）工作于OSI网络七层架构的最底层，是有线传输通信芯片，用以实现不同设备之间的连接。具体而言，PHY芯片连接数据链路层的设备到物理媒介，并为设备之间的数据通信提供传输媒介，处理信号的正确发送与接收。

网络接口电路一般由CPU、MAC控制器和物理层接口（PHY）组成，PHY整合了多种模拟电路，MAC是全数字器件。它们通常有以下三种集成结构：1、CPU内部集成了MAC和PHY，这种比较少见；2、CPU内部集成了MAC，PHY是独立芯片，这种比较常见；3、CPU不集成MAC和PHY，MAC和PHY采用独立芯片或者集成芯片。

在IC设计业内，PHY芯片的研发门槛是比较高的，这是因为PHY芯片要将数字信号转换为模拟信号，并把它发送到通信介质上，同时，从接收到的模拟信号中恢复出数字信号，再传输到上层芯片处理。因此，PHY芯片是一个复杂的数模混合系统，芯片中包含高性能SerDes、ADC/DAC、高精度PLL等AFE设计，还包括滤波算法和信号恢复等DSP设计，其中，模拟电路主要负责模拟信号与数字信号之间的转换，，数字电路负责数字信号的处理，实现降噪、干扰抵消、均衡、时钟恢复等功能。因此，这种芯片研发需要深厚的数字、模拟、算法等全方位的技术经验，还需要产品设计团队高效配合，不是一般的工程师能够完成的。

新时期，新应用

近些年，各种数字化终端设备大规模普及，通信、计算、存储、监控等各种应用和网络逐渐融合。

据IDC预测，未来3年全球算力规模将以超过50%的速度增长，到2025年整体规模将达到3300EFlops，2025年全球物联网设备数将超过400亿台，产生的数据量接近80ZB，超过一半的数据需要依赖终端或者边缘的计算能力进行处理。

以太网作为应用最广的局域网传输技术，在传输可靠性、稳定性等方面具有明显优势，可以为物联网设备、操作系统和软件运行提供基础网络层。随着物联网和人工智能发展带来的数据传输量不断攀升，以太网应用将在现有基础上不断扩展。

在这样的大背景下，PHY芯片作为以太网传输的基础芯片，随着各种应用数据量的爆发式增长，其市场规模也在持续上涨。

据中国汽车技术研究中心预测，2022~2025年，全球以太网PHY芯片市场规模将保持25%以上的年复合增长率，到2025年，有望突破300亿元。

汽车市场是重点突破方向

随着以新能源汽车为代表的当代汽车向电动化、网联化、智能化方向发展，传统汽车使用的总线（CAN、LIN、FlexRay、MOST）在成本、性能上越来越难以满足现代化汽车的需求，而以太网在汽车应用中的优势逐渐凸显出来。车载以太网PHY芯片有望在新能源汽车智能化发展趋势带动下实现大规模应用。

下面介绍一下汽车以太网优势的具体表现。

当代汽车中使用的电子控制和通信系统越来越多，如发动机电控系统、自动变速器控制系统、防抱死制动系统（ABS）、自动巡航系统（ACC）和车载多媒体系统等。这些系统之间、系统和汽车的显示仪表之间、系统和汽车故障诊断系统之间都需要进行大量的数据交换，这种情况下，就不能用导线进行点对点的连接和信息传输方式，因为这样装配非常复杂，且故障率会很高。这时，就需要用到汽车总线。

汽车总线是用于车载网络中底层设备或仪表互联的通信网络，是车用网络与车载设备控制系统的集成。

传统汽车总线LIN和CAN，虽然市场占有率很可观，但是，它们的传输速率已经不能满足逐渐增多的电气设备的要求，MOST总线虽然在传输速率上有很大提升，但其环形拓扑结构阻碍了在整车中的普及，FlexRay总线的数十兆传输速率、循环冗余网络拓扑结构和同步能力很优秀，但是，FlexRay网络的负载率及其难以实现预期的传输速率、价格昂贵等因素使它仅能用于信息娱乐系统。

此外，汽车内部电子电气（E/E）元器件的数量和复杂度大幅提升，单辆车ECU数量已经从20-30个增加到100多个，部分车型线束长度已高达2.5英里，E/E架构已经不能满足汽车智能化时代的发展需求，因此，车载网络转向域控制和集中控制的趋势越来越明显，总线也需要向高带宽方向发展。

车载以太网在传统以太网技术的基础上进行了一系列优化和改良，使之更为贴合车内通信需求。

车载以太网针对车内通信需求研发出了一种用以太网连接车内电子单元的新型局域网技术。车载以太网技术率先应用于智能驾驶和智能座舱，并在未来实现对整车通信技术的逐步替代，是近些年以太网技术发展的重要方向之一。

线束轻量化是以太网相较于其它总线的另一大优点。减轻汽车自重是节能的基本途径，而选用轻质材料是实现汽车轻量化最有效的方法，线束的复杂性使其成为汽车结构中仅次于底盘和发动机的第三重部件。部分传统总线线缆厚重，且需要额外的屏蔽以保护其不受电磁干扰，而车载以太网使用单对非屏蔽双绞线及更小型的连接器，与传统总线相比可减少80%的线束成本和30%的布线重量。可通过使用回声抵消技术在单线对上实现双向通信，以满足智能化对高带宽的需求。

传统以太网一般采用4对线，而车载以太网只有1对线，这就导致同样传输速率下，车载以太网PHY芯片的设计和实现难度成倍增加，这也是目前各大厂商技术和产品优势和竞争力的焦点。

车载总线技术对比

架构的改变和自动驾驶传感器带来的大量数据处理需求，使得带宽成为下一代汽车网络技术的关键。与传统车载总线网络不同，车载以太网可以提供带宽密集型应用所需的更高数据传输能力，同时，其先天技术优势可以满足汽车对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟、轻量化等方面的要求。目前，博世、采埃孚等都提出了下一代汽车网络架构，特斯拉在Model 3和Model Y中已经采用域控制结构。

自动驾驶级别越高，车内通信对高速率网络的需求就越迫切，L3以上的自动驾驶，需要在车内搭配2.5/5/10G以太网，而到了L4/L5自动驾驶，车内需要引入10G+以太网。因此，高速车载以太网是实现L3及以上自动驾驶必不可少的配置。

据以太网联盟预测，随着汽车智能化应用需求推动车联网技术不断发展，未来智能汽车单车以太网端口将超过100个，这为车载以太网芯片提供了巨大的发展空间。以Aquantia汽车的ADAS以太网架构为例，每一个传感器（摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达等）都需要部署一个PHY芯片以连接到ADAS域的交换机上，每个交换机节点也需要配置若干个PHY芯片。

中国本土PHY芯片企业在发力

目前，全球以太网PHY芯片市场被少数企业把持着，经过多年发展和积累，这些厂商凭借资金、技术、客户资源、品牌等优势，掌握了大部分市场份额。据中国汽车技术研究中心统计，博通、美满电子、瑞昱、德州仪器、恩智浦和微芯稳居前列，全球前五大以太网PHY芯片厂商的市场份额占比高达91%。目前，中国大陆的PHY芯片市场基本被这些国际巨头主导，市占率达87%。

近些年，中国本土厂商的技术能力一直在提升过程中，有望凭借本土快速响应能力占据更多市场份额。目前，国内主要以太网PHY芯片厂商包括裕太微，景略半导体，昆高新芯，国科天讯，物芯科技，鑫瑞技术，以及睿普康等。

在这些厂商中，裕太微是领先企业，能够大规模供应千兆以太网PHY芯片，是国内首家在车载PHY芯片领域通过OPEN Alliance IOP认证的企业，其2.5G PHY芯片已量产，在技术实力和规模上处于国内领先地位，2021年，裕太微产品在以太网PHY芯片市场份额为2%。景略半导体的核心团队源于美满电子，主要为车载、工业、企业应用提供以太网PHY芯片，其车载千兆PHY芯片即将量产。昆高新芯能提供千兆以太网PHY和TSN芯片，是国内较早实现TSN交换芯片流片的企业，TSN芯片即将进入量产阶段。

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