Zonal通信研究：從SerDes、PHY等產品創(chuàng)新，看下一代車載通信網絡如何搭建？

佐思汽研發(fā)布《2024年下一代Zonal通信網絡拓撲及芯片行業(yè)研究報告》。

車載通信架構在汽車E/E架構中扮演連接的角色，隨著汽車E/E架構的演進，車載通信技術也隨之不斷發(fā)展，通信技術發(fā)展的核心是通信接口協(xié)議?；谙乱淮鶽onal架構的車載通信框架中：

總線通信：主要包括車載以太網（10M/100M/1000M/2.5G/5G/10G等）、CAN-XL、CAN-FD等。CAN-XL/CAN-FD總線通信的底層是收發(fā)器芯片，車載以太網芯片則包括物理層PHY芯片和交換機芯片。Zonal架構下，汽車的骨干網絡將采用車載以太網，局部低速網絡短期內仍將繼續(xù)使用CAN-FD/LIN，待10Base-T1S車載以太網和CAN-XL產品規(guī)模化后，可能會成為Zonal架構中低速網絡的主要應用。

高速視頻流通信：目前車載SerDes芯片有多種協(xié)議，主要包括FPD-Link、GMSL、MIPI A-PHY、ASA-ML等。汽車高速視頻流傳輸采用串行傳輸技術，需要SerDes串行器/解串器來實現，主要應用場景包括攝像頭到ADAS SoC的視頻傳輸、座艙SoC到車載顯示屏的內容傳輸。

近距無線通信：主要包括藍牙、WIFI、NFC、UWB和星閃等，主要應用場景包括手車互聯、數字車鑰匙、無線BMS等。

片間通信：主要有PCIe、NVLink等協(xié)議，在中央超算+Zonal架構下，多SoC片間級聯應用較多，PCIe主要用于CPU與GPU之間的通信，NVLink主要用于GPU與GPU之間的通信。

Zonal架構的車載通信網絡拓撲

來源：沃爾沃

高速視頻流通信：車載SerDes芯片如何助力車企降本增效？

車載SerDes芯片主要用于車載攝像頭到ADAS域控制器、座艙域控制器、車載顯示器等的圖像和視頻信號的實時數據傳輸，通常由Serializer（串行器）和De-serializer（解串器）兩顆芯片組成，串行器和解串器之間要有一套完整的通訊協(xié)議才能實現數據完整、安全、無誤的傳輸。

SerDes芯片在汽車領域中的應用

來源：ADI

10G+車載SerDes通信的必要性：10G+車載SerDes芯片的發(fā)展，與汽車中央集成+Zonal架構、端到端自動駕駛、車載顯示貫穿一體屏及超高清畫質等發(fā)展趨勢息息相關。

高清攝像頭端：在深度學習模型中，需要高分辨率圖像數據來進行目標識別，為了能夠對更遠距離的目標進行識別和監(jiān)測，已有廠商推出800萬像素以上的車載攝像頭。比如索尼半導體在2023年發(fā)布了1700萬像素的車規(guī)圖像傳感器IMX735；舜宇光學也宣布完成了17MP前視車載鏡頭的研發(fā)。目前，一顆800萬像素攝像頭每秒鐘產生的數據量高達5.76Gbps，未來要實現更高清攝像頭的數據傳輸，對帶寬的要求需達到10Gbps及以上。

高分辨率顯示屏端：智能座艙域與車載顯示屏之間的信息交互對帶寬的需求也越來越高。以吉利銀河E8為例，其搭載的45寸8K貫穿一體屏帶寬需求可達12.7Gbps。

車載SerDes芯片集成的方案必要性：在大模型時代，如果攝像頭達到320度的全視角覆蓋，所需的攝像頭數量將翻倍增長。車載SerDes芯片都是成對使用，如果按照單顆攝像頭配一對串行/解串器的方案，那么整車對于車載SerDes芯片的需求就會大量增加，由此增加的線纜和插件等相關連接件，不僅不利于汽車輕量化，更會增加汽車的制造成本，與汽車整體的發(fā)展趨勢和主機廠降本的需求相悖。對于采用下一代Zonal架構和AI大模型的汽車，串行器和解串器的集成方案顯得尤為重要，有助于簡化電路設計、減少SerDes芯片用量及線束、連接器的使用。

車載SerDes的協(xié)議可主要分為私有協(xié)議和公有協(xié)議。目前，全球車載SerDes市場是以私有協(xié)議為主導，ADI的GMSL和TI的FPD-Link幾乎壟斷了全球車載SerDes市場份額。為打破行業(yè)壟斷，國內涌現出了越來越多的車載SerDes芯片企業(yè)，比如仁芯科技、昆高新芯、裕太微等。

由于TI和ADI在車載低速SerDes產品（1.6Gbps~6Gbps）已經占據先發(fā)優(yōu)勢和絕對壟斷的主導地位，因此，國內許多廠商則針對未來智能汽車高帶寬的需求，規(guī)劃了高速車載SerDes產品（10Gbps以上），以搶占高速車載SerDes產品量產的先發(fā)優(yōu)勢。

以仁芯科技為例，R-LinC是仁芯科技自研的單通道16Gbps車載高性能SerDes芯片，向下可兼容全速率16Gbps-1.6Gbps，采用私有協(xié)議，支持15米的長距離傳輸，采用22nm工藝打造，插損補償能力達到30dB以上，并可實現實時自適應均衡。R-LinC主要用于車載攝像頭等傳感器到SoC的長距離實時傳輸，其單通道16Gbps的速率可滿足當前超高分辨率攝像頭（如17MP）對于圖像數據傳輸的極致需求。

傳感器端，在16Gbps高速傳輸加持下，1顆仁芯R-LinC加串芯片可同時接入兩顆8MP像素高清攝像頭，單根線束傳輸兩路視頻流，節(jié)省1顆芯片和1套線束及接插件，助力當下主流視覺傳感器方案高效降本。

仁芯科技加串芯片二合一方案

來源：仁芯科技

控制器側，仁芯R-LinC單顆解串器可實現6路輸入，最高可實現6*16Gbps (12顆8MP攝像頭) 的高速數據吞吐能力，同時支持16Gbps的轉發(fā)能力，因此，1-2顆解串器即可覆蓋當前市場智駕主流視覺方案，配合6合1的新型連接器，使得板級硬件設計面積更小，器件布局更優(yōu)，大幅降低了系統(tǒng)方案成本。

仁芯科技解串芯片六路合一方案

來源：仁芯科技

目前智能車型視覺傳感器配置中，平均攝像頭配置數量已超5顆，高階智駕需要11顆攝像頭才能完成對于整車周圍環(huán)境的覆蓋，為此，仁芯科技聯合索尼半導體推出了“智駕5V超級視覺解決方案”。

仁芯科技＆索尼半導體“智駕5V超級視覺解決方案”

來源：仁芯科技

硬件配置：該方案由1顆基于索尼17M圖像傳感器（IMX735）的前視超高清攝像頭+4顆基于索尼8M像素的超級魚眼攝像頭+5顆仁芯16Gbps高速率加串芯片（RLC91603）+1顆高集成度6合1解串芯片（RLC99602）組成；

5顆攝像頭完成整車智駕全視野覆蓋：在該方案中，前視17MP攝像頭能同時輸出廣角到窄角三幅圖像，可替代現有主流2顆前視8MP像素攝像頭；另外4顆8MP-12MP像素超大廣角魚眼攝像頭，可以兼顧周視攝像頭功能，完成對整車的全景覆蓋。

R-LinC加/解串器在5V方案中的優(yōu)勢：

傳感器方面，使用1顆仁芯R-LinC加串芯片就可滿足索尼17MP超高清攝像頭的傳輸速率，節(jié)省了1顆加串芯片和1套線束及接插件，實現成本的大幅降低；

控制器方面，該方案僅需1顆仁芯R-LinC解串器就能實現5路視頻流輸入，配合高集成度的新型連接器，有助于減小板級硬件設計面積、優(yōu)化器件布局、降低系統(tǒng)方案成本。

車載SerDes的公有協(xié)議，目前有MIPI A-PHY、ASA-ML和HSMT三類公有標準。

三種車載SerDes公有協(xié)議

來源：佐思汽研《2024年下一代Zonal通信網絡拓撲及芯片行業(yè)研究報告》

在MIPI A-PHY標準中，Valens是重要貢獻者，也是市場上首家提供符合A-PHY標準的芯片組（VA7000系列）的廠商，目標是ADAS和自主驅動子系統(tǒng)中的超高速網絡應用。在Valens A-PHY芯片的規(guī)劃路線中，預計在2025年推出性能更強的VA7100芯片組，單個接口可支持16Gbps以上帶寬，能夠支持高達1700萬像素以上的分辨率，并且可以同時接入攝像頭和雷達的數據。在處理接受端，單鏈路可支持16Gbps以上帶寬，可實現多路實時視頻及數據的傳輸或交換，所有傳感器數據均可靈活交換、復制。

Valens下一代基于MIPI A-PHY標準的VA7100芯片組

來源：Valens

ASA Motion link（ASA-ML）規(guī)范主要由寶馬和Microchip推動。2024年3月，寶馬集團在慕尼黑舉行的汽車以太網大會上宣布，將于2027年引入標準化的ASA-ML。此外，寶馬與Microchip還合作進行了一次基于ASA-ML標準的芯片組概念驗證，未來寶馬極有可能會采用Microchip的VS77X芯片組，傳感器與域控和顯示器之間的高速視頻圖像傳輸。

HSMT標準主要由華為等國內企業(yè)主推動。

不過，目前A-PHY、ASA-ML、HSMT等公有協(xié)議均未最后凍結，仍處于更新中，既沒有通過產品規(guī)模出貨的驗證，更沒有被行業(yè)廣泛接受和普遍采用，還存在著很多不確定性。

由于SerDes是跨零部件的橋接芯片，在實際應用中都是成對使用，互聯互通并非剛性需求，相對來說，私有協(xié)議更加高效簡潔，成熟度高，因此關于SerDes標準化的發(fā)展路徑仍有待觀察。

Zonal架構下，如何構建下一代車載通信架構？

下一代Zonal架構中，實現功能集中化之后，車內ECU將大量減少。這種功能的集中化主要是靠軟件算法來引導，但要真正落實下來，必須依賴區(qū)域控制器及中央計算平臺內的控制器、SoC、通信芯片、電源芯片等物理硬件來支撐。

現階段跨域融合+Zonal架構對車內骨干網絡的通信需求

小鵬汽車X-EEA3.0：中央超算C-DCU，集成座艙、部分車身、中央網關等功能。在這個中央超算的通信中，C-DCU內含1個車載以太網交換機并支持TSN，通過2路千兆以太網1000Base-T1與XPU和5G智能天線連接；6路百兆以太網，其中2路連接左右Zonal控制器（LDCU、RDCU）。中央計算平臺和兩個區(qū)域控制器的MCU均采用瑞薩第三代28nm高速MCU。

小鵬汽車中央超算C-DCU通信拓撲

來源：小鵬汽車

長安汽車SDV環(huán)網：長安汽車SDA架構由C2（中央計算機：算力508TOPS）+EDC（體驗計算機：算力2000GFLOPS）+三個區(qū)域控制器VIU組成。該架構采用車載以太網環(huán)網通信技術，以百兆以太網為主干網，C2和EDC之間通過千兆以太網通信，同時應用了TSN、環(huán)網冗余等技術，解決傳統(tǒng)以太網數據傳輸亂序、丟包等問題。

長安汽車SDV環(huán)網

來源：長安汽車

下一代中央計算+Zonal架構對車內骨干網絡的通信需求

下一代中央計算+Zonal架構中，區(qū)域控制器內一般會集成Zonal網關、高速通信MCU、車載以太網交換芯片、以太網PHY芯片等與通信相關的芯片器件。每個Zonal網關內都包含一個以太網交換機，一輛車可能需要6-7片。

典型的Zonal網關設計

來源：Visteon

Zonal架構下一些典型解決方案：

高速通信MCU（NXP）：2024年3月，NXP推出了全球首款5納米汽車MCU——S32N55。S32N55集成了車輛動態(tài)控制、車身、舒適、中央網關，具備多種網絡接口，包括CAN、LIN、FlexRay、車載以太網、CAN-FD、CAN-XL以及PCIe，CAN網絡接口至少有15個。

NXP S32N55內部框圖

來源：NXP

車載以太網PHY芯片（裕太微）：2023年年底，裕太微的首款千兆車載以太網PHY芯片產品YT8011成功量產，并拿到多家OEM定點。YT8011系列芯片兼容百兆100BASE-T1和千兆1000BASE-T1，支持RGMII/SGMII MAC 接口，支持EEE節(jié)能以太網、1588時間同步協(xié)議、IEEE802.1AS時間同步協(xié)議，可在非屏蔽雙絞線上達到60米以上的傳輸距離，充分滿足雷達、環(huán)視、自動駕駛等高速數據傳輸的應用需求。

裕太微千兆車載以太網PHY芯片YT8011應用框

來源：裕太微

車載以太網交換芯片（Marvell）：Marvell的中央汽車以太網交換機系列Brightlane Q622x包含了Q6222和Q6223兩款產品，是專門為汽車Zonal架構而設計。其中，Q6223帶寬達90 Gbps，幾乎是當前可用汽車交換機容量的2倍；Q6222包含9個60 Gbps端口，其中有五個10G SerDes端口、四個2.5G SerDes端口和兩個1000Base-T1 PHY可供選擇。該區(qū)域交換機將來自汽車物理區(qū)域內的設備的流量聚合到一起，通過高速以太網連接至中央計算交換機實現信息交互。

Marvell 中央汽車以太網交換機Q6222框圖

來源：Marvell

赫千科技基于車載以太網為骨干網絡設計的區(qū)域網關架構：傳感器采集數據后通過車載以太網傳輸至對應的TSN區(qū)域網關進行數據交換，然后區(qū)域網關將對應的數據再通過車載以太網總線傳輸至中央計算平臺進行運算處理；中央計算平臺對數據進行運算處理后通過TSN網關傳輸至域控制器進行決策或車載以太網顯示屏（Eth Screen）進行顯示；同時TSN區(qū)域網關兼容CAN/CAN-FD通信，通過CAN總線、CAN-FD總線與相應CAN ECU進行信息交換。

基于車載以太網為骨干的區(qū)域網關架構

來源：赫千科技

未來，考慮到自動駕駛對數據傳輸的需求，以及為滿足車內功能安全的要求、中央與區(qū)域控制器之間大量的數據傳輸遷移以及軟件算法的交互，10G+車載以太網可能會成為Zonal架構中的數據主干鏈路。

片間互連成為HPC中央計算平臺通信關鍵

Zonal架構的核心部分是中央計算平臺，由于智能駕駛、智能座艙、車控等所有需要一定規(guī)模計算資源的系統(tǒng)都將集中在一個中央計算單元內，會用到多個處理器或是SoC，這對中央計算平臺硬件架構的算力、接口、數據安全、功能安全等諸多方面提出了很高的要求。中央計算平臺是CPU+GPU的異構芯片集成化設計，板間互連、片間互連、片上互連等通信技術是關鍵。因此，Zonal架構下，汽車網絡還面臨一個重要挑戰(zhàn)，那就是中央計算平臺本身的高性能計算互聯。

在異構計算架構中，GPU與CPU一般通過PCIe總線連接在一起來協(xié)同工作。目前，市場上車規(guī)級PCIe交換機廠商主要有兩家，一家是Microchip，偏向中高端產品；另一家是瑞薩收購的PERICOM，偏向低端市場，不支持NTB。

Zonal架構中，HPC內部將使用PCIe總線連接

來源：Microchip

在大模型訓練過程中，高端顯卡集群的全部潛力取決于GPU服務器集群中每個GPU之間能否快速、順暢地通信。在多GPU系統(tǒng)內部，GPU間通信的帶寬通常在數百GB/s以上，PCIe總線的數據傳輸速率容易成為瓶頸，且PCIe鏈路接口的串并轉換會產生較大延時，影響GPU并行計算的效率和性能。

因此，NVIDIA推出了能夠提升GPU之間通信的NVLink技術。NVLink用于SoC，車載計算平臺NVIDIA DRIVE Thor將數字儀表板、車載信息娛樂、自動駕駛、泊車等諸多智能功能統(tǒng)一整合到單個架構中。2024年3月，NVIDIA推出了第五代NVLink，總帶寬可達 1.8 TB/s，是PCIe 5.0 帶寬的14 倍之多，單顆NVLink Switch芯片有500億顆晶體管，支持多達576個GPU間的無縫高速通信，適用于復雜大語言模型。

NVIDIA Blackwell架構基于第五代NVLink技術，專為Transformer、大語言模型（LLM）和生成式AI工作負載而打造，可分為B200和GB200產品系列。其中GB200 GPU集成了1個Grace CPU和2個B200 GPU，相較于NVLink 4的H100 Tensor Core GPU，GB200 NVL72可以為大語言模型（LLM）推理負載提供 30 倍的性能提升，并將在數萬億參數上構建和運行實時生成式 AI 大型語言模型的成本和能耗降低到此前的 25 分之一。

來源：NVIDIA

2024年3月，英偉達宣布與比亞迪擴大合作，未來的比亞迪電動汽車將搭載英偉達采用Blackwell架構新一代自動駕駛汽車處理器DRIVE Thor，DRIVE Thor預計最早于2025年開始量產，性能高達1000TFLOPS。此外，比亞迪還將使用英偉達 AI 基礎設施進行自動駕駛模型訓練，智能工廠機器人也將使用NVIDIA Isaac 機器人系統(tǒng)。