芯耀
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隨著燃油車被電動車取代，機械連接越來越多地被電子信息所取代，需要一個車載網(wǎng)絡來促進通信。針對汽車和其他時間敏感的應用而出現(xiàn)的以太網(wǎng)似乎是首選。
但這一選擇是否已成定局？以太網(wǎng)會取代所有其他的車載網(wǎng)絡嗎？至少到目前為止，還不清楚。
Synopsys的高級市場經(jīng)理Joe Mallett說：“現(xiàn)在對汽車以太網(wǎng)是否真的會成為首選的總線仍有爭議。它減少了線束，無論何時減少線束都是好事。但服務質量一直是個挑戰(zhàn)。”
整體汽車架構會強烈影響網(wǎng)絡的走向。Zonal架構傾向于強大的骨干網(wǎng)絡，以太網(wǎng)似乎在這方面有優(yōu)勢。但最終的選擇還未定，即使以太網(wǎng)成為首選的主干網(wǎng)，連接到傳感器和顯示器的各種本地節(jié)點仍是一個問題。
汽車工程師協(xié)會（SAE）已經(jīng)定義了A到D四個級別的網(wǎng)絡。Rambus的安全技術產(chǎn)品經(jīng)理Thierry Kouthon說：“A只有很少的信息，比如開/關。B介于每秒幾百kb的速度。C會更快。而D超過1Mbps。在2000年之前的傳統(tǒng)汽車中，這基本上已經(jīng)足夠了。”
雖然最快的網(wǎng)絡級別是1Mbps以上，但以今天的標準來看非常慢，新的數(shù)據(jù)要求比這快3或4個數(shù)量級的網(wǎng)絡。
始于信息娛樂系統(tǒng)
車載網(wǎng)絡的大部分工作最初是由信息娛樂的需求驅動的。這意味著通過網(wǎng)絡與內(nèi)容源的外部連接，至少可以處理音頻和視頻的需求。
雖然許多系統(tǒng)都有普通以太網(wǎng)，但它不能處理音頻/視頻（A/V）的時間敏感需求，因為時間不是確定的。Kouthon解釋說：“它有一個可怕的避免沖突的檢測機制。”這就是為以太網(wǎng)開發(fā)時間敏感型網(wǎng)絡（TSN）功能的動機。
Avnu聯(lián)盟主席、英特爾的技術營銷戰(zhàn)略家Greg Schlechter說：“TSN始于AVB（A/V bridging）。然后，在汽車領域，他們說，‘我們需要在將A/V用到車上’。因此，我們進行了改進。而現(xiàn)在工業(yè)界也開始接受它，航空業(yè)也在關注它。”
TSN指的是可以為不同的應用所選擇的一組功能。顧名思義，它涉及到在交付時間保證下交付時間敏感的流量的能力。這是基礎以太網(wǎng)無法做到的，因為它是一個盡力而為的協(xié)議。
TSN功能包括流量整形、帶寬預留、減少延遲、搶占和處理實時要求。這些都是針對車輛內(nèi)不同功能的整體服務質量需求。
但是，如果以太網(wǎng)在信息娛樂系統(tǒng)中可以發(fā)揮作用，就出現(xiàn)了一種觀點，認為它也可能被用于車內(nèi)其它網(wǎng)絡。包括其他對時間敏感的控制功能，普通的以太網(wǎng)可能無法處理，但帶有TSN的以太網(wǎng)可以處理。
Synopsys的高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理John Swanson說：“當你踩下剎車時，在車輛完全停止之前還有一段時間。你不希望你孩子在玩的游戲干擾到網(wǎng)絡。異步流量整形器讓你更加靈活。如果你有足夠的余量和帶寬，TSN可以讓你保證所有的東西都能實現(xiàn)，而無需所有詳細的網(wǎng)絡工程。”
TSN以太網(wǎng)的汽車配置文件已經(jīng)建立，但問題仍然是這是否是整個車輛的最佳解決方案。
架構影響網(wǎng)絡如果以太網(wǎng)要在汽車中占主導地位，它需要被用于安全關鍵的應用。這與信息娛樂系統(tǒng)有很大不同，而且要復雜得多。在最高層面上，有兩種競爭性的架構，而每種架構的支持者都傾向于沿著商業(yè)產(chǎn)品線進行調整。
Swanson說：“人們現(xiàn)在正在兩個方向進行試驗。有超級計算構架，也有zonal計算構架。”
大型計算引擎的制造商們傾向于集中式計算，在這里可以利用高端處理器的能力，將他們鎖定在這個巨大的機會中。這意味著將所有數(shù)據(jù)帶入一個中心位置進行處理。
相比之下，zonal架構將計算分布在各zone和一個中央樞紐之間。一個zone指的是汽車的一個位置區(qū)域。例如，車輛的左前部分可以是一個zone。一個zone可能有各種功能，本地計算盡可能地處理這些功能。一個骨干網(wǎng)絡將連接各zone和中央處理器。
圖1：兩種主要的汽車網(wǎng)絡選擇。左邊是集中式模式，所有網(wǎng)絡端點都連接到中央處理器。右邊是zonal架構，在將結果傳遞給中央處理器之前，由本地zone處理部分處理工作。Zone內(nèi)的網(wǎng)絡仍然是一個開放的問題。
英飛凌產(chǎn)品營銷總監(jiān)Vikram Patel說：“如果他們走zonal架構的道路，中間有高算力中央計算平臺，那么千兆速度的以太網(wǎng)主干網(wǎng)可能是他們都在尋找的答案。”
這與domain構架不同，在domain構架中物理位置不再是決定因素。相反，相似的功能構成了一個domain。按domain來組織可能意味著中央計算，因為汽車中任何地方的所有共享功能都會被一起處理。
中央計算的一個好處是，它可以看到整個車輛，而一個zone只能看到該zone內(nèi)的東西。因此，zonal架構意味著在zone內(nèi)的本地計算和中央計算之間的分離，然后進一步集中計算將各zone結合起來。例如，一個攝像頭的處理可以在本地進行，然后將其結果被發(fā)送到中央樞紐，在那里所有攝像頭的結果可以被適當?shù)睾喜⑵饋怼?/p>
西門子EDA自動駕駛和ADAS高級總監(jiān)David Fritz說：“zonal架構成功的關鍵是一些新的橋梁。你可以從zone內(nèi)的本地CAN網(wǎng)絡到zone模塊。然后再進入主網(wǎng)絡，即汽車以太網(wǎng)。”
Zonal架構的關鍵動力之一是可以減少線束。線束被證明是車輛中最重和最昂貴的部件，因此行業(yè)正采取一切可能的方法來減少或簡化連接。
如果使用星形網(wǎng)絡配置，中央計算意味著從所有傳感器到中央樞紐的“全壘打”。在zonal架構下，這些連接大部分都在zone內(nèi)，只有一個連接從整個zone到中心。
Swanson說：“我相信我們將看到一種混合模式，在這種架構中，一臺超級計算機知道發(fā)生的一切，并可能驅動一切，但不同的zone做自己的事。處理一個視頻并把它接入網(wǎng)絡是一個zone可以做的事，我們不必浪費以太網(wǎng)流量來發(fā)送原始視頻。”
為了簡單起見，OEM希望由一個網(wǎng)絡來做所有的事。由于以太網(wǎng)涉及大量的軟件投資，盡可能地利用這種投資來提高開發(fā)效率。
英飛凌的Patel說：“一旦你在那種基于時間的domain協(xié)議上進行了投入，你同時也要對軟件進行很大的投資。因此，一些OEM發(fā)現(xiàn)，如果你要進入以太網(wǎng)，就得all in。”
雖然以太網(wǎng)可能是一個長期的選擇目標，但目前還不清楚它是否實用。
不同類型的網(wǎng)絡通信
這可以歸結為一個問題，即網(wǎng)絡需求是什么。答案是受到必須傳輸?shù)牟煌愋偷臄?shù)據(jù)的影響。
在一種情況下，常規(guī)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和流媒體數(shù)據(jù)之間是有區(qū)別的。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)往往由各種不同大小的數(shù)據(jù)包組成，并出于不同的目的在網(wǎng)絡上向多個方向移動。平均而言，它在流量方向上是對稱的，有些是來，有些是去。以太網(wǎng)被廣泛認為是這種流量的自然選擇。
相比之下，由傳感器發(fā)出的流數(shù)據(jù)可能沒有自然的分界線，使分組變得容易。雖然流的大塊數(shù)據(jù)可以被放入數(shù)據(jù)包，但通常是在一些任意的時間間隔內(nèi)完成。此外，流量往往是高度不對稱和單向的。
Cadence汽車解決方案總監(jiān)Robert Schweiger說：“你有大量的數(shù)據(jù)從傳感器傳到汽車上，而你可能只需要其它反向的一點點數(shù)據(jù)來配置傳感器。對于顯示器來說，情況正好相反。你有大量的數(shù)據(jù)流向顯示器，顯示各種東西。但它不需要與數(shù)據(jù)源進行通信。”
以太網(wǎng)不被視為流數(shù)據(jù)的有效網(wǎng)絡選擇。因為以太網(wǎng)本質上是雙向的，這種后向通道容量很大程度上會被浪費掉。這可能是OEM對單一網(wǎng)絡的渴望與實際考慮相沖突的最鮮明的例子。
還有外部數(shù)據(jù)，如V2X與當?shù)鼗A設施或信息娛樂系統(tǒng)的通信和內(nèi)部數(shù)據(jù)之間的區(qū)別，后者是在內(nèi)部產(chǎn)生和使用的。外部通信必然是無線的，這意味著它的網(wǎng)絡需求將不同于內(nèi)部通過線束處理的數(shù)據(jù)。
Cadence的市場總監(jiān)Tom Wong指出：“無線模塊將通過PCIe的方式與計算機通信。”
帶寬要求
以太網(wǎng)速度并不是低級別的控制信息傳遞所需要的。它是由信息娛樂、ADAS和遠程信息處理的需求所驅動的。
Fritz指出：“中央式方案的主要挑戰(zhàn)之一是帶寬，它可以輕易地增加到10Gbps。我們離10Gbps還有一段距離，更不用說100G了。對于汽車以太網(wǎng)，目前我們的速度是1Gbps。”
但內(nèi)部需求可能會超過這個數(shù)字，特別是將數(shù)據(jù)流傳到中央處理器。雷達數(shù)據(jù)不需要1G的以太網(wǎng)，低速以太網(wǎng)就可以。攝像頭可以用以太網(wǎng)，如果增加了激光雷達，那么攝像頭/激光雷達數(shù)據(jù)的組合就需要高速以太網(wǎng)。
現(xiàn)在有10Gbps的PHYs，但它們很復雜，也很貴。而且它們只能作為單獨的芯片使用，而不是作為集成到SoC的IP。
Schweiger說：“從商業(yè)角度以及從將進入汽車的PHY的數(shù)量來看，將這種10-Gb以太網(wǎng)PHY作為IP可能很有意思。最有可能的是，第一個版本將是外部PHY，以后可能是一個集成版本。”
然而，即使有了這樣的IP，仍然存在著散熱問題。這些驅動器會發(fā)熱，需要用散熱器。在小型純驅動芯片上安裝散熱器成本較低。如果在整個SoC的成本中加入僅用于以太網(wǎng)驅動器的散熱器，則成本更高。
Cadence的Wong說：“想象一下，你把一堆高速以太網(wǎng)PHY放入一個SoC中，你有5個不同的通道都在驅動20或30甚至50英尺長的線束。SoC會發(fā)熱，所以SoC的低成本封裝就別想了。你必須采用散熱器封裝。而成本上升不是因為芯片本身，是因為封裝和散熱器。”
帶寬需求可能低于10Gbps（例如2.5或5Gbps），但預計不會有專用設備滿足這些速度。相反，人們會從1Gbps跳到10Gbps，但將時鐘撥回到所需的速率。也就是說，一個中央架構所需帶寬甚至可能超過10Gbps，甚至超出了當今最先進的PHY芯片所能達到的帶寬。
這也是為什么zonal架構目前最受歡迎的另一個原因。高帶寬的活動可以在本地處理，更高級別的數(shù)據(jù)（與原始數(shù)據(jù)相比自然是壓縮的）與中央處理器通信所需的帶寬更少。
鑒于這種安排，人們（但不是普遍地）預計，以太網(wǎng)將作為骨干網(wǎng)絡，所有的zone將用來與中央樞紐通信。剩下的問題是在這些zone內(nèi)會發(fā)生什么，答案并不清楚。
Zonal的沖突
在一個zone內(nèi)，執(zhí)行著許多不同的功能。對以太網(wǎng)抗拒最強的是流媒體，目前往往由基于MIPI的協(xié)議主導。雖然MIPI的D-PHY和C-PHY在手機中占主導地位，但該組織已經(jīng)提出了一個串行A-PHY版本，可以處理車輛中高達15米的范圍。同時，新的ASA組織提出了一個不同的串行標準來處理汽車攝像頭和顯示器數(shù)據(jù)。目前還不清楚哪一個會占主導地位。
可用性和多個供應源是一個重要的考慮因素。Schweiger說：“我們不希望只有一個供應商，我們希望有五個，甚至更多，這樣我們就不會遇到供應鏈問題。”
Swanson表示贊同。“許多OEM希望堅持這些標準，但他們希望標準能使他們的供應商相互競爭。”
對于速度較慢的控制相關的信息傳遞，CAN在歷史上一直占主導地位，而且它仍然可以存在于zone內(nèi)。另外，新的10-BASE-T1S提供了一個雙絞線多分流選項，運行速度可達10Mbps。
Swanson指出：“10-BASE-T1S實際上是作為CAN的替代品而設計的。對于流媒體數(shù)據(jù)來說，它的速度遠遠不夠，但對于控制來說是沒問題的。”
Kouthon指出：“當你控制舒適性功能相關的ECU時（比如讓座椅上下和向后傾斜的ECU），那就是一個開關，你不需要用以太網(wǎng)來做這個，像CAN或LIN這樣的傳統(tǒng)網(wǎng)絡已經(jīng)足夠了。”
但如果異步以太網(wǎng)版本浮出水面，可能還有另一種選擇。Schweiger說：“有些人贊成推廣所謂的異步以太網(wǎng)通信。所以你在一個方向上的帶寬很寬，在另一個方向上減少帶寬。”
雖然不清楚這到底是什么，但據(jù)推測，它的好處是可以利用當前汽車以太網(wǎng)的工作成果，在更大程度上統(tǒng)一網(wǎng)絡。
還有規(guī)模的問題。一些人認為，汽車的接口決定是受手機的影響，而手機的銷量規(guī)模要比汽車大得多。如果攝像頭供應商只關注手機的格式（目前是MIPI），那么這可能會壓倒Tier1或OEM可能的其他選擇。
網(wǎng)絡安全和可靠性
網(wǎng)絡安全問題顯然是一個問題。MacSec是一種第二層安全協(xié)議，預計將在車輛內(nèi)部署，它的可用性增加了以太網(wǎng)成為主要競爭者的因素。
Kouthon說：“MacSec是一種線速技術，對延遲或帶寬幾乎沒有影響。它可以用來驗證所有傳感器與中央控制單元的關系，所以你會知道你收到的是否是來自車輛的真實攝像頭的信息。你不是從一個中間介質那里接收的。”
但汽車上有兩個主要的數(shù)據(jù)流需要保護。一種是內(nèi)部產(chǎn)生的流量，理論上，如果沒有某種物理連接，就不能被破壞。還有通過外部無線連接進入汽車的數(shù)據(jù)流。
無線信號既連接到安全關鍵的V2X通信，也連接到非關鍵的信息娛樂流。這些流也需要在堆棧的更高級別上得到保護。
Zonal架構本身可能提供更高的安全性。Kouthon說：“如果你的zone受到網(wǎng)關的限制，就會提高安全級別。當你有分段的VLAN時，管理安全更容易，你知道誰被授權與另一個子網(wǎng)絡通信。”
同時，可靠性對于網(wǎng)絡的安全關鍵方面非常重要。噪聲如果嚴重到足以破壞信息，就會產(chǎn)生嚴重的影響。
Patel解釋說：“屏幕如果宕機了會很煩人，但它不是安全關鍵。如果依賴安全連接的ADAS系統(tǒng)發(fā)送了錯誤的信息或信息被破壞，就是一場災難了。”
雖然出于成本和重量的考慮，人們強烈希望使用非屏蔽雙絞線，但車輛內(nèi)的電磁干擾太大，似乎需要屏蔽雙絞線來防止噪音。
汽車以太網(wǎng)互操作
改善汽車以太網(wǎng)中TSN功能還有更多的工作需要去做。以太網(wǎng)是一個OSI第二層協(xié)議，附著在各種PHY（第一層）選項上。對于標準的以太網(wǎng)（例如用于辦公室網(wǎng)絡）第三層通常是IP，第四層通常是TCP，但偶爾是UDP。
因此，雖然以太網(wǎng)在許多應用中發(fā)揮著作用，但它只是整個網(wǎng)絡堆棧中的一層。但是，今天的“汽車以太網(wǎng)”的概念采用了第二層的概念，并將其分配給整個堆棧。事實上，隨著TSN功能的標準化，這似乎已經(jīng)進入了人們的思維。
Schlechter說：“在以太網(wǎng)之前，汽車領域的每一個通信協(xié)議都是一個完整的堆棧。在汽車以太網(wǎng)中，他們實際上是在談論一些傳輸?shù)膯栴}。”
圖2：七層OSI網(wǎng)絡堆棧。在左邊，一個典型的桌面計算堆棧通過傳輸層顯示出來。在右邊，TSN的功能已經(jīng)跨越了通常遠遠超出以太網(wǎng)范圍的層。
TSN的功能是在提供系統(tǒng)間互操作的層面上指定的，它包括傳統(tǒng)上可能存在于更高層次的元素。全棧傾向于用軟件來實現(xiàn)上層，硬件在第一層和第二層的一部分占主導地位。事實證明，雖然系統(tǒng)可以互操作，但TSN規(guī)范還沒有被設定在一個允許芯片明確互操作的水平。
Swanson說：“結果是，針對這些不同的市場提供了不同‘口味’的以太網(wǎng)。有一個汽車配置文件，一個工業(yè)配置文件，一個服務供應商配置文件，以及一個航空航天配置文件。還可能有其他一些。我們也在與5G領域交談，以確保所有這些東西都能一起工作。”
Schlechter說：“然而，這與最初的以太網(wǎng)不一致。這不是以太網(wǎng)的工作方式。在以太網(wǎng)這個詞前面真的不應該有那些東西。它只是以太網(wǎng)而已。”
Schlechter繼續(xù)說：“如果芯片制造商能夠將一個芯片賣到多個市場，那么汽車芯片的經(jīng)濟效益就會顯著改善。即使你有這些不同的垂直行業(yè)在使用它，到最后，有時同一個組件可以進入這些不同的市場。”
其他人也同意。Avnu聯(lián)盟的芯片驗證任務組主席、ADI確定性以太網(wǎng)技術組的營銷總監(jiān)Tom Weingartner說：“今天在標準以太網(wǎng)中，MAC（media access controller，位于第二層底部）就是MAC，而我們想通過TSN達到的目的只是另一個MAC。但規(guī)范并不一定會說，‘你需要這樣改變那個MAC，以便所有人的MAC都能一起工作’。”
這在很大程度上與合規(guī)性本身無關，因為這些TSN功能大多是可選的。Schlechter指出：“這就是以太網(wǎng)規(guī)模經(jīng)濟的方式。每當有人使用以太網(wǎng)時，就會有一百種你不不見得會使用的東西。”
但是在功能存在的地方，很難比較芯片以了解哪些具有必要的功能和性能。因此，Avnu聯(lián)盟正在努力在一定程度上進一步指定功能，以促進或至少澄清TSN功能的不同芯片實現(xiàn)之間的互操作性。
Schlechter說：“有時我們只是需要一個共同的標準。”
結論
汽車網(wǎng)絡在很大程度上仍然是一個開放的討論。它在OEM中得到了很高的重視，以至于大眾已經(jīng)成立了一個部門專門處理網(wǎng)絡問題。目前人們更傾向于以太網(wǎng)為骨干的zonal架構，盡管這還不是確定的答案，一些OEM可能會走不同的方向。
在可預見的未來，帶寬需求將繼續(xù)增長，盡管它們可能在未來某個遙遠的時刻趨于平穩(wěn)。Wong說：“可能是5年，也可能是10年，但我們將達到L5。而這代表了最高的實際帶寬要求。”
在zone內(nèi)，可以包含許多可能的網(wǎng)絡。就目前而言，這種多樣性可能仍會持續(xù)。問題是它們是否會隨著時間的推移遷移到某種版本的以太網(wǎng)。這不會很快發(fā)生，因為出于設計風險的考慮，變化將根據(jù)需要逐步進行。
Swanson說：“OEM絕對有興趣在一個單一的網(wǎng)絡上進行整合，因為它使一切變得更簡單。但你不可能在一夜之間變成一個單一的網(wǎng)絡。”
而且，以太網(wǎng)在汽車中的滲透程度還需要很多年才能知道。
[參考文章]
Will Automotive Ethernet Win? — Bryon Moyer
