本文来自微信公众号“半导体行业观察”。
随着“人工智能无处不在”的理念延伸至汽车领域，车载网络面临着越来越大的压力，需要传输更多数据，并加快传输速度。对于软件定义汽车而言，这一点尤为突出，因为它们需要比传统协议所能提供的更高的带宽、更高的确定性和更强的安全性。
汽车以太网正在成为其明确的继任者，但像CAN和LIN这样深度嵌入式、低成本的标准在短期内不会消失。这将是一个漫长的过渡过程，其特点是混合架构、集成挑战以及为使新旧技术协同工作而需要复杂的系统级建模。
如今，车载以太网主要用于信息娱乐系统、高级驾驶辅助系统中的摄像头视频流、自动驾驶、互联骨干网和诊断。但随着软件定义汽车逐渐成为主流，其应用场景预计将会不断扩展。设计和制造一辆配备所有最新网络和组件的全新软件定义汽车相对简单。真正复杂的是将新的通信协议与传统的集成电路（例如电子控制单元(ECU)、传感器和执行器）集成。
汽车以太网的日益普及引发了一个问题：它是否会完全取代车载通信的旧网络协议，例如CAN（控制器区域网络总线）和LIN（本地互连网络），或者所有这些协议是否会继续与SerDes（串行器/解串行器功能块）共存。
Keysight汽车与能源事业部SDV解决方案经理Seung-Taek Chang表示：“短期内，汽车以太网不会完全取代CAN、LIN或FlexRay，因为CAN/LIN在低速、非关键功能方面仍然具有成本效益和可靠性。以太网正在成为高带宽和时间敏感型应用的主干网络。我的建议是，新平台应使用以太网作为主干网络，边缘采用10BASE-T1S，并在成本或传统技术限制的情况下保留CAN/LIN。”
在区域架构中，以太网骨干网将来自执行器、激光雷达和雷达的数据传输到中央计算区域，所有高性能计算以及ADAS和信息娱乐部分都位于该区域。
英飞凌科技ATV事业部以太网解决方案高级副总裁兼总经理Mike Yeager表示：“骨干网的传输速度大约在每秒1Gbps到2.5Gbps之间。目前，摄像头和显示器之间仍然使用专有链路，采用LVDS（低压差分信号）或FPD（平板显示链路）技术。我们正在考虑将其升级为完整的以太网桥接解决方案。这样一来，我们就无需再使用专有摄像头，而是采用以太网设备，将MIPI摄像头信号转换为以太网信号，然后接入系统。使用以太网后，我们可以利用更高级别的协议，例如时间敏感网络（TSN）。延迟更低，链路也更加冗余。以太网层面有很多优势，我们正在摄像头和显示器层面同时推进这项工作。”
图1：一种半区域架构，点对点摄像头仍通过传统协议连接
例如，该公司的摄像头桥接芯片采用了基于IEEE 802.3DM标准的以太网桥接网络。“骨干网速度高达10 Gbps，”Yeager说。“我们目前仍在研发25 Gbps的速度，与机器人领域的专家交流后发现，这非常契合他们的需求。该网络使我们能够共享摄像头并缩短线缆长度。”
图2：以太网端到端解决方案包括通过以太网连接摄像头和显示器
TSN会记录所有需要传入的数据的时间日志。“我们还拥有精确时间协议(PTP)，精度可达纳秒级，”英飞凌高级应用工程师Benjamin Tan表示，“当数据包传入时，我们可以记录数据何时进入以及何时离开网络，从而测量我们自身网络的延迟。”
凭借这些技术进步，汽车以太网最终有望在车辆控制或汽车雷达传感器等需要实时响应的安全关键型应用中占据一席之地。
“汽车以太网已在信息娱乐和高级驾驶辅助系统(ADAS)领域证明了其价值，但其能否扩展到线控转向和制动等安全关键型领域，取决于其确定性性能和容错能力，”Rambus硅IP业务开发总监Adiel Bahrouch表示。“诸如IEEE 802.1AS之类的TSN扩展提供了所需的时序保证，而MACsec则确保了数据完整性。向软件定义车辆的转变提升了以太网的价值，简化了布线，减轻了重量，并安全地跨域统一了通信协议。”
总而言之，汽车以太网的优势预示着一个不再需要旧协议的未来。
“随着区域架构的日益普及，以太网将不同域统一到通用协议栈下的能力变得越来越有吸引力，”Bahrouch指出。“凭借多千兆链路和同步数据包传输，以太网能够以安全关键型操作所需的精度处理实时控制回路。当以太网不仅达到而且超越传统汽车网络的安全性和可靠性基准时，这将是一个转折点。”
尽管如此，一些设计人员仍然偏爱传统协议而非以太网。“我认为这种转变将持续下去，”西门子EDA汽车和军工航空混合物理和虚拟系统副总裁David Fritz表示。“越来越多的传感器和执行器正尝试直接迁移到汽车以太网，摆脱CAN和CAN FD。我们处理的是CAN、CAN FD（灵活数据速率）、LIN、FlexRay——所有这些都比双绞线要好得多。我最近和一个人争论，他说：‘车辆中存在对时间要求非常严格的环节。’我说：‘没错，但如果你拥有100 Gbps的带宽，而你只使用100兆比特，数据肯定能及时到达。你为什么这么担心？’即便如此，你还可以在此基础上增加服务质量保障。如果我有一个关键的大数据包，我可以关闭其他所有服务，让它们等待数据包通过。我可以保证这一点。我们目前正在与一家与日本最大的OEM厂商关系密切的一级供应商合作，以证明这一点。我们正在使用Arm的IP，搭建一个假想的系统，在上面运行实际工作负载，并验证测量结果。这……”关键数据我们掌握了，但目前仍有95%的数据处于闲置状态。当然，这种情况终会改变。技术已经发展到你以前担心的那些问题现在都不用担心了。例如，展望未来，在更高的层面上，我们正在迈向人工智能。
CAN总线淘汰时间表
人工智能（AI）以及车辆中GPU使用量不断增加的趋势，是CAN和LIN总线可能被取代的原因之一。
“我们确实看到车辆对GPU的性能要求越来越高，这主要受以下几个因素驱动，”Imagination Technologies产品管理高级总监Rob Fisher表示。“车辆架构正在走向集中化。以前，车辆周围分布着许多独立的系统，每个系统都有独立的ECU，但现在越来越多的车辆配备了驾驶舱域控制器、ADAS域控制器和中央域控制器，它们整合了多种功能，这进一步推高了性能要求。这种集中化很大程度上得益于汽车以太网等技术，因为传统的CAN总线架构（一种串行总线）的带宽不足以将所有必要的数据传输到中央位置。”
CAN、LIN和FlexRay都是成熟的技术，已在汽车环境中得到验证，具有深度集成和高性价比的特点，但专家一致认为它们还不足以满足未来汽车的需求。
英飞凌的Tan表示：“我们认为汽车以太网将成为最终的替代方案。具体来说，我们看到10BASE-T1S（运行速度为10兆比特/秒）将逐步取代CAN和CAN FD。我们的目标是，在未来五到十年内，最终将完全由以太网取代CAN和LIN。”
Rambus的Bahrouch指出，以太网解决方案必须在带宽、可扩展性和安全性方面提供明显的附加值，同时还要达到或超过其成本效益。“像10BASE-T1S这样的新兴技术正是这一发展趋势的体现，它将以太网的应用范围扩展到低成本的传感器和执行器领域，使其能够与CAN直接竞争。”
CAN总线还会继续存在一段时间，就像其他应用中的旧技术至今仍未消失一样。“CAN总线可能会消失，但有时这种变化需要几代技术的发展才能发生，”Synopsys以太网IP产品组合首席产品经理Jon Ames表示。“以Thunderbolt为例，它用于连接计算机和显示器，所有这些都基于以太网，但Thunderbolt仍然存在。有时，同一条线路上会同时存在多种技术，例如，你可能将一种技术嵌入到另一种技术中。”
未来还包括更快的以太网标准和光纤。“10BASE-T1S支持多点拓扑结构，非常适合低速传感器和执行器，而光纤以太网则用于高速骨干网，例如10 Gbps或25 Gbps，”Keysight的Chang表示。“在10BASE-T1S、光以太网和CAN、LIN等传统协议之间建立桥接需要具备协议转换功能的网关或区域ECU。挑战包括同步、延迟管理以及确保异构网络间的确定性行为。”
传统组件滞后
许多低成本的汽车级组件，包括ECU，都是为较旧的通信协议设计的。要让保守的制造商加快步伐并非易事。
“一级供应商等了好几年才等到汽车以太网标准最终完成并获得批准，”西门子的弗里茨说道。“他们不想设计出某种产品，然后标准发生变化，最后因为不符合标准而不得不取消部分零件。至少现在标准已经制定好了。他们还需要确信所需的SerDes技术可靠且价格合理。如果一款售价3美元的摄像头需要15美元的SerDes，而市场上又缺乏这种产品，那么即使摄像头售价3美元，销售也无济于事。这意味着市场状况将决定这一转变何时发生。我相信，一旦一家大型汽车供应商做出全面转向以太网的决定，并推动其供应商为每个ECU、每个传感器、每个执行器配备汽车以太网接口，那么其他所有厂商都会说：‘为了保持竞争力，我也必须这样做。’总得有人迈出这大胆的一步。”
最终的决定将取决于边缘节点，例如不需要太多更新或智能功能的传统ECU。“替换这些传统设备需要大量的工程时间和工程能力，”英飞凌的谭先生说道。“汽车行业的情况很复杂。标准很多，我们需要遵循很多协议。对于消费市场来说，你考虑的是两年后的市场情况。而汽车行业则非常成熟。”
汽车行业对成本极其敏感，如果某种产品已经商品化且性能足够好，那么汽车制造商（OEM）就必须有足够的动力去做出改变。“你必须始终考虑哪些功能能够促进汽车销售，”英飞凌移动出行、半导体、电子和ADAS高级总监Paula Jones指出。“对于传统组件来说，进行改造比从零开始设计要困难得多。如果你今天从零开始设计一辆汽车，你会使用最新的协议和传感器。”
然而，随着时间的推移，汽车以太网及其相关组件的成本将会下降，因为这些技术也被开发用于其他应用。“如果一项技术被广泛应用，并且有大量工程师致力于研发，那么这项技术的成本就会降低，”Synopsys公司的Ames说道。“制造支持CAN总线和以太网的组件并不难。两者使用的门电路数量并没有差别；成本差异主要体现在技术研发和软件开发上。但由于以太网需要投入更多的时间和精力进行技术开发和软件开发，因此其总体成本较低，应用范围也更广。”
以太网与CAN总线和LIN总线之间的差异不太可能成为同一公司内部不同车型（例如高端车型与低端车型）之间的区别。“配备后排娱乐显示器或自动驾驶功能的高端汽车可能会率先采用以太网等高性能技术，”艾姆斯说道。“但这并不意味着即使是最便宜的汽车也不需要以太网。如今，一些廉价的芯片可能不需要以太网，因此我们可以用这些廉价芯片来制造低端汽车。但我非常肯定，未来廉价芯片将会基于以太网。”
成功集成需要数字孪生技术
在一种协议成为主流之前，设计人员必须找到将新的网络协议与传统组件集成的方法。
“CAN和FlexRay凭借数十年的可靠性和成本效益，在汽车领域赢得了一席之地，”Rambus的Bahrouch表示。“它们的确定性、低成本和久经考验的良好记录，使它们在许多汽车子系统中不可或缺。以太网虽然功能强大，但仍然面临着集成方面的挑战，并且需要在安全关键型环境中进行广泛的验证。”
集成和验证工作正在进行中，但尚未完全解决。“六年来，我们一直与松下、索尼以及汽车传感器公司合作，努力帮助他们并监控从基于CAN或旧协议技术的系统向以太网的过渡，”西门子的Fritz表示。“大家都知道，以太网凭借其双绞线，能够实现超远距离数据传输。这样一来，就无需担心重量或线束问题，许多难题迎刃而解。但传感器和执行器公司若不进行转型，发展就只能止步于此。”
结果便是一场集成风暴。“当一个ECU只有大约100行代码时，你会做的假设较少，也能找到解决办法，”弗里茨指出。“但现在，代码量已达数百万行。它涉及网络处理能力、图形处理能力、DSP、128个CPU核心，以及各种不同的关键性——有些是任务关键型应用，有些只是给孩子们播放视频。复杂性已经膨胀到集成成为最大难题的地步。”
军工/航空航天领域也深受集成问题的困扰。“在五角大楼，我们正在和陆军部副部长讨论F-35项目延期数年、进展不顺的原因，”弗里茨说道。“为什么软件无法正常工作？硬件为什么会这样？”
问题出在LRU（线路可更换单元）上，它相当于汽车的ECU（电子控制单元），由洛克希德·马丁、波音和雷神等公司制造。
“他们制造出一个LRU装到这架战斗机上，然后说，‘好了，它能用。太好了，’”弗里茨说道。“但一旦把所有部件组装起来，飞机就飞不起来。他们的理由是，‘我必须假设LRU、传感器和执行器之间的通信能够正常进行。因此，我可以独立于其他所有部件测试我的LRU，并且我可以确信整个系统都能正常工作。’问题是，这是一种工程谬误。”
在复杂的系统中，由于十几个不同的供应商各自做出不同的假设，很容易出现问题。弗里茨解释说，这就需要数字孪生来模拟网络和组件的行为。
“你需要把所有东西整合在一起，并且能够对每一个LRU（线路可更换单元）进行建模，”他说。“它们都需要通过一个网络模型进行通信，该模型会考虑带宽、仲裁和服务质量，并指出：‘如果你在这个系统中部署一个10Gbps的SerDes，那么看起来会有3%的概率出现故障。这是不可接受的，所以你需要50Gbps的带宽。’在设计硬件之前，你就知道这一点，这意味着在验证之前，软件和硬件都是可以修改的。当所有环节都完美契合时，你就能满足所有要求。”
以太网成为至关重要的通信通道。“如果没有以太网之类的通信方式，在系统级建模中，根本无法实现，”弗里茨说道。“软件定义车辆和产品的核心理念在于，在确定硬件和软件架构之前，需要对所有组件进行足够精确的建模。这就是软件定义车辆的意义所在，也是解决集成问题的方法，无论是喷气式飞机、汽车还是火箭。”
人工智能加剧了集成的挑战，也增加了复杂性。“现在所有东西都融入了人工智能，而人工智能需要不断输入数据，”弗里茨说道。“我说的不是训练。我说的是你已经拥有一个训练好的系统，并且验证过它能够正常运行。它需要了解周围环境的变化，而这些数据仍然来自传感器。人工智能推理或决策的结果仍然会传递给执行器。只不过，（在军事/航空领域）执行器可以是飞行舵面、襟翼，而不是方向盘。所有这些系统都属于同一范畴，真正改变的只是传感器和执行器。中间的其他部分仍然面临着同样的挑战。”
SerDes仍然至关重要
CAN或LIN未来可能会被取代，但SerDes通常集成在汽车以太网芯片中，发挥着其自身不可或缺的作用。
“你必须用某种方式驱动线缆，”Synopsys的Ames解释道。“以太网使用单对线。这是关键所在，因为如果需要多对线，就意味着线缆更重。如果能减少到单对线，那么性能就足以媲美任何其他技术。有了这种多点连接技术，就不需要那么多交换机，只需一根线缆就能连接到车内的多个设备，例如开关、指示灯等等。”
因此，以太网和SerDes密不可分。“SerDes组件与汽车以太网以及整个以太网系统紧密相连，”Imagination的Fisher指出。“要达到所需的带宽，SerDes架构是必不可少的。”
GPU也可能成为驱动高级功能不可或缺的工具。
例如，汽车PHY和交换机可能配备SerDes，例如SGMII或25GBASE-X。“交换机的设计理念是将其与SerDes以及MCU、CPU或GPU等组件集成在同一块PCB板上，”英飞凌的Tan表示，“交换机通过这些组件与MCU、CPU或GPU通信，执行各种协议，并运行所有必要的网络操作，从而完成所需的处理。”
从这个意义上讲，汽车网络与数据中心类似。“随着人工智能从云计算和边缘计算迅速应用于AIoT（人工智能物联网）和汽车领域，汽车系统设计越来越多地采用PCIe、UCIe和以太网等高速互连协议，这与数据中心的发展趋势相呼应，”Cadence设计IP产品营销总监William Chen表示。“目前，汽车以太网和车用级SerDes并非主流数据中心的主要应用领域，因为它们主要针对汽车行业的需求进行优化，例如轻量化、低成本和EMI/EMC性能。然而，技术间的交叉融合仍在持续，尤其是在单对以太网（SPE）和SerDes设计技术方面。”
尽管数据中心需要比汽车行业更高速度的SerDes，但这两个领域仍将继续交流思想。“展望未来，边缘计算、工业和OT融合以及可组合架构可能会为车用级以太网或SerDes创造机遇，尤其是在低成本、轻量化布线具有优势的领域，”陈指出。“在核心超大规模数据中心，SerDes可能仍将专注于超高速、低抖动和高能效。更大的影响可能来自于SerDes的创新——例如均衡和容错能力——对通用高速SerDes设计的反馈，而不是直接采用车用PHY。”
结论
总体而言，从长远来看，汽车以太网的发展前景将优于传统的车载网络协议。“我看到很多OEM厂商都在谈论未来，他们认为未来会走向以太网，”Synopsys公司的Ames表示。“我相信，只要有意愿，以太网终将普及。从技术角度来看，它完全可以实现。”
但这种转变不会一蹴而就。“虽然以太网是为下一代汽车设计的，但传统协议仍会继续存在一段时间，并随着以太网在安全性、可靠性和经济性方面与现有协议达到同等水平而逐步过渡，”Rambus公司的Bahrouch表示。“随着OEM厂商验证以太网相对于CAN和FlexRay等传统系统的可靠性，这一转变将是一个渐进的过程，但随着芯片技术的成熟、认证框架的扩展以及成本的下降，发展方向已经非常明确。”
（来源：编译自semiengineering）
