無論是軟件定義汽車,，還是分布式ECU抑或是自適應(yīng)Autosar,，都離不開智能汽車時(shí)代的基礎(chǔ)技術(shù)車載以太網(wǎng),，對于硬件工程師來說，車載以太網(wǎng)物理層和交換機(jī)是其最關(guān)注的芯片,，這也是利潤率遠(yuǎn)超過高算力芯片的領(lǐng)域,，也是基本上被歐美企業(yè)壟斷的領(lǐng)域。

　　上圖是整個(gè)車載以太網(wǎng)的7層OSI模型與標(biāo)準(zhǔn)分布圖,，我們最常提到的是TSN或EAVB,，而物理層標(biāo)準(zhǔn)鮮少有人提及。因?yàn)榻^大多數(shù)工程師都不會(huì)和物理層打交道,。

　　很多人都在說域控制器,、服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)、分布式計(jì)算或軟件定義汽車，殊不知關(guān)鍵的1G車載以太網(wǎng)物理層芯片在2020年才SOP,，而多G帶寬的車載以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)才剛剛在去年完成,，SOP還得一年或兩三年左右。沒有這個(gè)芯片,，什么域控制器,、服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)、分布式計(jì)算或軟件定義汽車都是空中樓閣,。 全面使用域控制器,、服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)、分布式計(jì)算或軟件定義汽車都需要以太網(wǎng)做骨干網(wǎng),，也就是多G以太網(wǎng)，而第一個(gè)支持多G車載以太網(wǎng)物理層的芯片在2020年11月才正式推出,，量產(chǎn)估計(jì)要到2021年底或2022年初,，也有可能到2022年底才量產(chǎn)。使用單一域控制器,，也離不開1G車載以太網(wǎng)物理層芯片,，而1G車載以太網(wǎng)物理層芯片量產(chǎn)是在2019年。

　　首先一個(gè)問題,，為什么要獨(dú)立制定一個(gè)車載以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn),？沿用傳統(tǒng)以太網(wǎng)物理層不更好么？

　　傳統(tǒng)以太網(wǎng)與車載以太網(wǎng)最大不同是傳統(tǒng)以太網(wǎng)需要2-4對線,，車載以太網(wǎng)只需一對,，且是非屏蔽的，僅此一項(xiàng),，可以減少70-80%的連接器成本,，可以減少30%的重量。這是車載以太網(wǎng)誕生的最主要原因,。同時(shí)也是為了滿足車內(nèi)的EMC電磁干擾,。

　　常見汽車傳輸界面特性一覽表。

　　四個(gè)車載以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn),，車載以太網(wǎng)野心勃勃,，10Base-T1S是試圖取代傳統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)的。第一個(gè)1000Base-T1標(biāo)準(zhǔn)的物理層芯片是Marvell的88Q2112,，雖然其推出時(shí)間是2015年10月,，但在2019年才量產(chǎn)，典型應(yīng)用如英偉達(dá)的旗艦盒子Pegasus,。

　　特斯拉最新的HW3.0使用Marvell的88EA1512,，是20年前的傳統(tǒng)以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)。2020年10月，Marvell推出第三代產(chǎn)品,，實(shí)際上88Q2112有兩代,，第一代沒有量產(chǎn)，只是占個(gè)第一的位置,。所以Marvell第三代型號是88Q222xM,。 第三代特別增加對Open Alliance TC10，用于睡眠模式和喚醒,。能夠滿足最嚴(yán)苛的ASIL-D級標(biāo)準(zhǔn),，在AEC-Q100溫度上達(dá)到1級標(biāo)準(zhǔn)，也就是最高可承受125°高溫,，通常物理層芯片都是2級標(biāo)準(zhǔn),，即105°高溫。除了Marvell,，還有德州儀器,、博通能提供1000Base-T1標(biāo)準(zhǔn)的物理層芯片。

　　臺(tái)灣Realtek有支持1000Base-T1標(biāo)準(zhǔn)物理層的交換機(jī)芯片,。 博通在NGBase-T1的物理層芯片領(lǐng)域拔得頭籌,，2020年11月，博通宣布推出BCM8989X 和BCM8957X,，BCM8989X是業(yè)內(nèi)第一個(gè)對應(yīng)NGBase-T1（即IEEE 802.3ch）標(biāo)準(zhǔn)的MACsec 物理層芯片,，到目前為止，博通是唯一能提供NGBase-T1芯片的廠家,。BCM8957X則是業(yè)內(nèi)第一個(gè)支持10Mbps 到10Gbps速率的L2/L3級車載以太網(wǎng)交換機(jī)芯片,。

　　特斯拉與博通在下一代FSD芯片上有合作，但不大可能將多G物理層嵌入FSD中,，因?yàn)槲锢韺有酒话愣际仟?dú)立的,。還有一個(gè)IEEE 802.3cy，也就是10G以上車載以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn),，分別支持25,、50、100G,。

　　IEEE的車載以太網(wǎng)物理層基本上是全部照搬OPEN Alliance的標(biāo)準(zhǔn),，OPEN Alliance是非盈利性的汽車行業(yè)和技術(shù)聯(lián)盟，旨在鼓勵(lì)大規(guī)模使用以太網(wǎng)作為車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),。OPEN Alliance成員單位利用以太網(wǎng)的可擴(kuò)展性和靈活性實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)低成本通信,，減少通訊復(fù)雜性。以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)也是實(shí)現(xiàn)未來自動(dòng)駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)汽車功能的重要組成部分,。

　　自建立以來,，OPEN Alliance的成員單位已增至近400家,。 10BASE-T1S即IEEE 802.3cg也就是 OPEN Alliance 的TC14 ，100BASE-T1即IEEE802.3bw也就是OPEN Alliance TC1,，100/1000BASE-T1 ECU測試標(biāo)準(zhǔn)即OPEN Alliance的TC8,， 1000BASE-T1即IEEE802.3bp也就是OPEN Alliance 的TC12，2.5/5/10GBASE-T1即IEEE802.3ch也就是OPEN Alliance 的TC15標(biāo)準(zhǔn),。

　　OPEN Alliance有18家發(fā)起（Promote）會(huì)員單位,，2011年11月，寶馬,、博通和NXP成立OPEN Alliance,，后來還有Marvell（原是Adopter會(huì)員，后提升）,、通用,、豐田、沃爾沃,、大眾,、捷豹路虎（曾經(jīng)是，目前退出）,、現(xiàn)代、博世,、瑞薩,、大眾、雷諾（曾經(jīng)是,，目前退出）,、大陸汽車、奔馳（曾經(jīng)是,，目前退出）,、三星哈曼（曾經(jīng)是，目前退出）,、現(xiàn)代,、中國臺(tái)灣瑞昱（曾經(jīng)是，目前退出）,。Promoter會(huì)員單位只能有原始的三家邀請才能成為Promoter會(huì)員單位,。

　　另外每年交1500美元就能成為的Adopter會(huì)員，其中包括20家中國企業(yè)（可能有遺漏）,，這20家中國企業(yè)是：北汽,、北京汽車研究總院、北汽福田,、華晨汽車,、一汽集團(tuán)、航盛電子、臺(tái)灣HTC,、惠州華陽,、豪恩、恒潤科技,、東軟,、寧波卡倍億、泛亞汽車,、臺(tái)灣和碩,、沈陽東信創(chuàng)智、深圳鵬毅實(shí)業(yè),、臺(tái)灣凌陽創(chuàng)新,、臺(tái)灣凌陽科技、信利光電,、信利半導(dǎo)體,。雖然IEEE制定了標(biāo)準(zhǔn)，但車載以太網(wǎng)ECU測試標(biāo)準(zhǔn)是OPEN Alliance制定的,。這里面涵蓋了行業(yè)的全部有影響力的企業(yè),。

　　物理層標(biāo)準(zhǔn)再分為三層，即PCS,、PMA和PMD,。

　　PMA比較關(guān)鍵，變化也比較多,。PCS子層負(fù)責(zé)3B2T（千兆車載以太網(wǎng)）編碼,，它可以把從GMII口接收到的8位并行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10位并行的數(shù)據(jù)輸出。因?yàn)?0比特的數(shù)據(jù)能有效地減小直流分量,，降低誤碼率,，另外采用3B2T編碼便于在數(shù)據(jù)中提取時(shí)鐘和進(jìn)行首發(fā)同步?？梢园裀CS兩頭看成GMII接口和TBI接口,。PMA子層進(jìn)一步將PCS子層的編碼結(jié)果向各種物理媒體傳送，主要是負(fù)責(zé)完成串并轉(zhuǎn)換,。PCS層以125M的速率并行傳送10位代碼到PMA層,，由PMA層轉(zhuǎn)換為1.25Gbps的串行數(shù)據(jù)流進(jìn)行發(fā)送，以便實(shí)際能得到1Gbps的千兆以太網(wǎng)傳送速率,?？梢园裀MA子層的兩頭分別看做TBI接口和SGMII接口。PMD子層將對各種實(shí)際的物理媒體完成接口,，完成真正的物理連接,。

　　因?yàn)槭欠瞧帘螁螌€,，擔(dān)心有RF泄露，因此美國FCC會(huì)對此類產(chǎn)品做檢驗(yàn),。車載以太網(wǎng)的測試是大麻煩,，直到2021年2月，泰科才第一個(gè)推出滿足IEEE 802.3ch MultiGBASE-T1規(guī)范的車載以太網(wǎng)測試系統(tǒng),。 全雙工通信及 PAM3 信令為在真實(shí)世界條件下驗(yàn)證 ECU 增加了復(fù)雜度,。大多數(shù)串行標(biāo)準(zhǔn)都在單工模式下工作，一次只有一臺(tái)設(shè)備通信,，有些通信標(biāo)準(zhǔn)對發(fā)送和接收使用一條單獨(dú)的鏈路,，而在汽車以太網(wǎng)中，主設(shè)備和從設(shè)備可以通過同一條鏈路同時(shí)通信,。因此,，來自主設(shè)備的信號與來自從設(shè)備的信號相互疊加。主設(shè)備知道它發(fā)送的是哪些數(shù)據(jù),，它可以從疊加的信號中確定從設(shè)備的信號,，反之亦然。盡管收發(fā)機(jī)是為處理這種情況而設(shè)計(jì)的,，但在示波器上隔離信號,，進(jìn)行信號完整性測試或協(xié)議解碼幾乎是不可能的。

　　測試需要昂貴的硬件和軟件,，還要有足夠強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力,，幾乎沒有人熟悉這個(gè)領(lǐng)域。這個(gè)在開發(fā)后期需要頻繁測試調(diào)整,，租一套設(shè)備測試幾乎是不可能的。硬件昂貴,，像高帶寬的示波器是很昂貴的,，13G的示波器，大概200萬人民幣左右,，硬件工程師得人手一個(gè),，可不是只買一個(gè)就行得，110G的示波器價(jià)格是百萬美元,。頻譜儀,，射頻信號源，網(wǎng)絡(luò)分析儀這些一旦上G帶寬,，都是數(shù)百萬元價(jià)格,。

　　主要測試內(nèi)容如上表。物理層芯片是一個(gè)技術(shù)門檻非常高的領(lǐng)域,，全球只有NXP,、博通,、Marvell、瑞昱,、Microchip,、德州儀器六家能夠完成，因?yàn)槲锢韺有酒悄M領(lǐng)域,。物理層芯片在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候,，收到MAC過來的數(shù)據(jù)（對物理層芯片來說，沒有幀的概念,，對它來說,，都是數(shù)據(jù)而不管什么地址，數(shù)據(jù)還是CRC）,，每4bit就增加1bit的檢錯(cuò)碼,，然后把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行流數(shù)據(jù)，再按照物理層的編碼規(guī)則（10Based-T的NRZ編碼或100based-T的曼徹斯特編碼）把數(shù)據(jù)編碼,，再變?yōu)槟M信號把數(shù)據(jù)送出去,。

　　網(wǎng)線上的到底是模擬信號還是數(shù)字信號呢？答案是模擬信號,，因?yàn)樗鼈鞒龊徒邮帐遣捎玫哪M的技術(shù),。雖然它傳送的信息是數(shù)字的，并不是傳送的信號是數(shù)字的,。

　　眾所周知,，模擬IC處理的信號都具有連續(xù)性，可以轉(zhuǎn)換為正弦波研究,，而數(shù)字IC處理的是非連續(xù)性信號,，都是脈沖方波。模擬電路比較注重經(jīng)驗(yàn),，設(shè)計(jì)門檻高,，學(xué)習(xí)周期10-15年；數(shù)字電路則有EDA工具輔助,，學(xué)習(xí)周期2-3年,。模擬IC強(qiáng)調(diào)的是高信噪比、低失真,、低耗電,、高可靠性和穩(wěn)定性。產(chǎn)品一旦達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)就具備長久的生命力,，生命周期長達(dá)30年以上的模擬IC產(chǎn)品也不在少數(shù),。如運(yùn)算放大器NE5532，生命周期超過50年,，現(xiàn)在還在用,。

　　數(shù)字IC多采用低壓CMOS工藝,，而模擬IC少采用CMOS工藝。因?yàn)槟MIC通常要輸出高電壓或者大電流來驅(qū)動(dòng)其他元件,，而CMOS工藝的驅(qū)動(dòng)能力很差,。此外，模擬IC最關(guān)鍵的是低失真和高信噪比,，這兩者都是在高電壓下比較容易做到的,。而CMOS工藝主要用在5V以下的低電壓環(huán)境，并且持續(xù)朝低電壓方向發(fā)展,。

　　對于數(shù)字電路來說是沒有噪音和失真的,，數(shù)字電路設(shè)計(jì)者完全不用考慮這些因素。此外由于工藝技術(shù)的限制,，模擬電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量少用或不用電阻和電容,，特別是高阻值電阻和大容量電容，只有這樣才能提高集成度和降低成本,。某些射頻IC在電路板的布局也必須考慮在內(nèi),，而這些是數(shù)字IC設(shè)計(jì)所不用考慮的。因此模擬IC的設(shè)計(jì)者必須熟悉幾乎所有的電子元器件特性,，非15年以上經(jīng)驗(yàn)不可,。

　　另一個(gè)門檻是CDR，即時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù),，對于高速的串行總線來說,，一般情況下都是通過數(shù)據(jù)編碼把時(shí)鐘信息嵌入到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流里，然后在接收端通過時(shí)鐘恢復(fù)把時(shí)鐘信息提取出來,，并用這個(gè)恢復(fù)出來的時(shí)鐘對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,，因此時(shí)鐘恢復(fù)電路對于高速串行信號的傳輸和接收至關(guān)重要。

　　對于高速的串行總線來說,，一般情況下都是通過數(shù)據(jù)編碼把時(shí)鐘信息嵌入到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流里,，然后在接收端通過時(shí)鐘恢復(fù)把時(shí)鐘信息提取出來，并用這個(gè)恢復(fù)出來的時(shí)鐘對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,，因此時(shí)鐘恢復(fù)電路對于高速串行信號的傳輸和接收至關(guān)重要。

　　CDR接口的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是抖動(dòng),，即實(shí)際數(shù)據(jù)傳送位置相對于所期望位置的偏移,。總抖動(dòng)（TJ）由確定性抖動(dòng)（DJ）和隨機(jī)抖動(dòng)（RJ）組成,。大多數(shù)抖動(dòng)是確定的,，其分量包括碼間干擾、串?dāng)_,、占空失真和周期抖動(dòng)（例如來自開關(guān)電源的干擾）,。而隨機(jī)抖動(dòng)是半導(dǎo)體發(fā)熱問題的副產(chǎn)品,，無法科學(xué)預(yù)測，只能憑經(jīng)驗(yàn)猜測,。傳送參考時(shí)鐘,、傳送PLL、串化器和高速輸出緩沖器都對會(huì)傳送抖動(dòng)造成影響,。一般來說對低頻的抖動(dòng)容忍度很高,，PLL電路能夠很好地跟蹤，恢復(fù)出來的時(shí)鐘和被測信號一起抖動(dòng),。高頻比較麻煩,，要設(shè)置PLL電路過濾掉，如何設(shè)置,，沒有電腦輔助,，全靠經(jīng)驗(yàn)，沒有15年左右的經(jīng)驗(yàn)是做不好的,。