Marvell眼中未来5年的车载以太网：自动驾驶加速主机厂10G+部署 |
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Marvell眼中未来5年的车载以太网：自动驾驶加速主机厂10G+部署
在网联化、智能化趋势的席卷下，云和大数据在车辆上的应用早已提上了各大主机厂的日程。而伴随着高级驾驶辅助系统（ADAS）的普及和业内对自动驾驶汽车研发的加速，汽车电子产品在整车中所占比重与日俱增，车辆正在变成车轮上的数据中心。随之而来的网络带宽需求也相应的扩大，目前主流的电子架构体系已逐渐显露出不足，因此构筑新型电子电器系统架构已经成为制造新一代汽车的必然任务。
以太网，无疑将担当起这一重任！
近日在深圳ELEXCON展会同期举办的“2019汽车新四化与汽车电子峰会”上，车载以太网技术领先厂商
Marvell公司中国区车载业务市场拓展总监孙扬
便发表了主题为“超越10G/s：2020年以太网的发展趋势”的精彩演讲，他透露，尽管如今汽车市场面临严峻挑战，但无论国际主机大厂还是本土造车新势力，都在加大高速车载以太网的新技术研发投入。
Why以太网？ 从传统汽车总线技术瓶颈说起 对于目前车载网络的升级，需要的是一个根本性的改变，首先是所使用的拓扑结构，其次是它所依赖的底层技术。 “现在量产的车型大部分采用传统分布式的架构，很多控制器的功能相对来说都比较单一，连接也都是用CAN、LIN、MOST以及部分以太网进行混合组网，而且不同的网络协议，不同的通信速率需要进行转换才能通信。 通常一辆车有100个以上这样的控制器，所以网络拓扑非常复杂，加深了车载网络灵活拓展的难度。 ”孙扬在演讲中指出。 以太网作为众多通信协议中的一种标准协议，IEEE802.3，发展至今已有近40年的历史，其结构简单，易组网，可灵活地部署，已成为应用广泛的局域网技术。从最初的10Mbps速率，发展到现今，在企业及数据中心的应用中更是已经能够达到400G的速率。不过以太网应用在车载环境中，最初是由BMW推动的。2005年，BMW开始研究开发以太网在车辆诊断方面的应用，在2008年实现搭载以太网诊断的功能，进而陆续有整车厂加入开始推动以太网的发展，成立OPEN联盟，并推动IEEE建立起车载以太网的相关标准。 2015年以后，车载以太网的数量在逐步增加，进入到子网络部署；但是到目前为止，量产的车里面带以太网的端口数都不是太多，基本上都是只有十几个口或者是少于十个口。虽然有车联网的要求，但是基本上都只应用在车载信息娱乐系统、车载通信系统、网关这些关键的控制器上面，速率也是100M。现在也有主流厂商在网关，TCU和智能驾舱引入了千兆以太网作为主干，为车载网络提供更高的带宽支持。现在4G通信速率千兆是完全能够覆盖的。 孙扬指出：“2020年以后随着5G的商用越来越快，5G模块供应商提供的对外网络接口都要接入更高速的网络。预测今后往L3以上的自动驾驶需求，车内的网络很多都会采用2.5/5/10G车载以太网的标准。真正到最后L4、L5级别的自动驾驶，以太网数量会增加，很多都会引入到10G以上的标准。”
图：一图了解车载以太网总体发展趋势。 车载以太网最新标准演进情况如何？ 虽然目前商用以太网最高的速率已经非常高，但是在汽车里面的应用标准仍要专门制定。因为车载以太网协议利用统一的标准，如果各个控制器之间都通过以太网去连接，可以很方便地保证协议的一致性，以此简化框架，整个网络也会变得更加灵活，成本更加优化，更利于汽车的轻量化发展。 同时相比传统网络，车载以太网带宽可以轻松扩展至10G甚至未来的10G+级别，能够为智能网联汽车发展充当坚实的后盾。目前针对百兆与千兆的标准均已完成，十兆和万兆的标准预计2020年第二季度也会正式发布。Marvell已正式量产百兆和千兆以太网相关的PHY和Switch，在业内整车厂的量产车型或近几年量产的车型中都会大量应用。十兆和万兆的产品也会在标准发布后的一年内提供样品。 孙扬表示：“最近一个快要完成的标准是802.3ch，即802.3ch -2.5/5/10G BASE-T1的标准。所有的T1都是一对非屏蔽的双绞线来传输，但是与十兆、百兆和千兆以太网标准不同，802.3ch由于其在硬件物理层上进行数据传输已经超过了1G的频率，用非屏蔽的双绞线无法完成汽车严格的EMC要求，所以需要屏蔽线，甚至专用的连接器来解决相应问题。预计 这些标准陆陆续续完成，很多主机厂已比较感兴趣这些产品什么时候能够在车型当中应用上，包括本土不少汽车厂商也在低调地进行研发布局。 ”从控制域架构到Zonal架构，10G+进程可能比想象中更快 为什么主机厂提出10G以上的带宽需求呢？ 在目前车载网络架构的研究里面，有很多OEM已经对外发布了他们的研究成果。 包括奥迪、丰田、大众、沃尔沃都已经对外发布了它们的研究方向——基于区域的架构（Zonal架构），即电子设备不再按照功能来划分，而是会按照其所处车身的位置来划分。 这就意味着里面的软件功能不再单一，会有非常多种类的软件执行在这些控制器当中，导致各种软件之间、处理器之间、包括控制器之间也需要大量的数据交互，保证整车信息传递的准确性和低延时。 通过主机厂的预测，想要在2025年实现自动驾驶的Zone架构，10G的带宽是必不可少的需求。
图：下一阶段汽车网络将向Zonal架构发展。 “许多主机厂同时在和各个供应商积极的沟通，要提供相关这类的产品。我们也知道，有很多主机厂虽然没有对外发布这件事，其实已经在内部启动了预研的项目，2025年看似比较遥远，但是整个功能的验证，包括对数据的需求，他们都需要有足够的时间来研究这些技术。” 孙扬表示，“从另一个角度来说，自动驾驶是汽车行业的未来。在L3以后的自动驾驶中，每辆车会产生大量的数据，尤其这些数据还是原始数据，对带宽的要求非常高。另外，针对于功能安全，做冗余设计需要硬件功能做到主备或并行处理，在这两个硬件系统之间需要大量的数据交互，会需要更高的带宽。” 他举例说，很多自动驾驶平台是用GPU加FPGA，再加上一些处理器搭建的平台，如特斯拉是自己定义专用的专属芯片，会把一些神经元、AI的功能集成到自己定义的芯片里面。在这样的冗余设计需要两颗芯片，从ASIL-C等级达到ASIL-D等级，在这两个芯片之间需要大量的数据交互，会需要更高的带宽。同时，在软件迁移这一块。回到Zone的架构里面，以后的控制器不会像现在这样有上百个控制器，一旦功能集中化了以后，除了主计算平台以外，周边Zone的控制器算力要求不是那么高。但是在主计算平台的控制器，为了功能安全的要求有大量的数据迁移跟软件算法的交互，通常在这里的数据主干链路有更高的数据通信要求。
图：自动驾驶需要10G+的互联带宽。 从安全的角度看，今后在自动驾驶真正能够量产和上路以后，车内的存储其实也是必不可少的。其功能类似于黑匣子，会存储记录大量的数据。如果摄像头存储的是高清数据，数据量也会很大，当然还有激光雷达，毫米波雷达，超声波等数据在内。这些数据如果都要被实时的存储起来，对车内带宽本身也有要求。从这一点，也可以看到高速车载以太网的必要性。 据麦肯锡预测，2030年以后对于10G以上网络端口数量的需求将达到超过1亿个。如果发展比较快，可能到2027年左右就会有1亿个10G+端口的需求。“我们认为在更高速的场景还不会来的这么早，因为L3以上、L4各种算法的成熟度还没有那么快。但很多海外做自动驾驶的公司包括主机厂也有相当激进的，甚至可以说在做自动驾驶上是不计成本的，同时推进像Marvell这样的芯片公司不断给他们提供相应的技术。”孙扬表示。
图：麦肯锡对汽车中10G+端口数的预测。 Marvell加强车载以太网生态合作，满足全速率、EMC、安全性、低功耗需求 Marvell公司在过去20多年一直致力于以太网的产品开发，长期处于该市场的前沿，在例如数据中心，企业网、园区网等应用中均部署了大量的交换机跟PHY相关产品。在车载以太网方向，Marvell从2010年正式开始进行车载以太网产品的开发，到目前为止已经成功量产了全球首款带安全功能的以太网千兆交换机和全球首款符合1000BASE-T1标准的PHY。另外需要提到的一点是，在车载以太网行业Marvell是车载以太网开放联盟（OPEN ALLIANCE）的 SIG 会员（该联盟是汽车行业和技术提供商的非盈利开放性行业联盟，其会员共同协作，推广以太网技术标准在车载网络领域的广泛应用），可以说Marvell是整个车载以太网技术的推动者，引领基于以太网的车载网络和区域架构的发展。 2019年10月Marvell正式收购了自动驾驶联盟NAV的成员之一Aquantia，使得Marvell具备了车载以太网一站式服务的能力。现今，在收发器一端，Marvell可以提供百兆、千兆、2.5/5/10G的收发器；在交换机一端，针对汽车市场，Marvell可以提供千兆级和万兆级的车载以太网交换机，同时还包括相关的高速控制器（PCIe Controller），可以说是业界最全速率车载以太网芯片技术提供商。
图：Marvell可以提供的千兆级车载以太网交换机芯片。 孙扬还强调了EMC考验 。众所周知，汽车对EMC的要求比较严格，这也是车载以太网目前在大规模应用上存在的比较大的一个阻碍点，例如速率从十兆往百兆以上发展就对整个EMC影响很大，包括雷达或者GPS的接收。Marvell在设计相关产品解决方案时就特别看重在整个汽车里面对EMC的抗干扰能力和免疫能力，积累自己的独到技术来减少对外部电子器件的影响，同时能够有很强的抗干扰能力。 值得一提的是，Marvell是业界少数拥有CISPR 25实验室的元器件厂商，以确保从芯片零部件级别到配合主机厂整个系统级别来满足汽车行业的EMC要求，不断进行相关产品的设计和优化。另外包括在终端节点，Marvell方案的功耗表现相对竞争对手也做得更好。 孙扬特别指出，基本上一些带有新功能的车型，如定位在自动驾驶或者是车身应用方面，主机厂商希望有这样高速的网络来进行连接，有些对整车器件有OTA升级的功能需求，也会引入到以太网。在这些新的应用场景里面，Marvell都在和各个主机厂以及相关产业链上下游公司进行合作，包括虽然现阶段总体还处于控制域架构初始阶段的中国车厂，但在一些新的车型，他们也可能开始快速部署车载以太网。 |
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