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车载以太网，下一代汽车网络的主流传输技术
随着汽车行业朝着电动化、智能化和网联化的方向迅速发展，以太网技术正逐步成为汽车网络通信的关键技术。这种技术以其高带宽、低延迟和轻量化的线束优势，通过铜双绞线提供的高效数据和电力传输，显著降低了车辆成本和重量，预示着其将成为未来汽车网络通信的核心，预计将在未来彻底改变汽车内部通信架构。
此前，与非研究院已经在《产研：国产车载CAN IC崛起，能否挑战NXP？》一文中介绍了传统的汽车网络CAN总线。传统汽车网络架构以CAN总线为主流，同时包括LIN、FlexRay、MOST、LVDS等多种技术并存。CAN总线因其可靠性和低成本被广泛用于控制数据传输，而LIN总线主要用于车内的简单控制任务。FlexRay和MOST技术虽然提供更高带宽，但成本较高，限制了它们的普及。LVDS技术主要用于图像数据信号传输，特别是在高分辨率摄像头和显示屏之间。这些技术共同构成了复杂多样的车载网络系统，但随着汽车向高度数字化和智能化发展，它们的缺陷也逐渐显现。随着汽车内部电子元器件数量和复杂度的增加，以及传感器、摄像头和激光雷达等设备的广泛使用，传统的车载网络架构面临着巨大挑战。车载以太网技术的引入，不仅可以满足这些应用对高速数据传输的需求，还可以通过其轻量化的线束设计，显著减少车辆的重量和制造成本。
面向域控制器的混合车载网络架构，来源：厚势汽车
以太网技术以其高速数据传输能力，提供了一种有效的解决方案。车载以太网不仅能够提供高达10Gbit/s的数据传输速率，而且还具有低电磁干扰、低功耗和低延迟的特性，使其成为支持未来汽车应用，如自动驾驶、高级驾驶辅助系统（ADAS）和智能座舱的理想选择。特别是自动驾驶汽车需要处理和传输大量的传感器数据，以实现对周围环境的准确感知和快速反应。车载以太网在支持高速、大容量数据传输方面的能力，使其成为实现高级自动驾驶功能不可或缺的技术。
车载以太网与其他总线的性能对比，来源：裕太微-U招股书
据了解，目前国内外多家汽车制造商和供应商，如特斯拉、宝马、博世和采埃孚等，都在积极推进车载以太网技术的研发和应用。例如，特斯拉在其Model 3和Model Y车型中采用了以太网技术，宝马则从2015年开始在其全系车型中部署车载以太网，展示了这一技术在提高汽车通信效率和降低成本方面的潜力。
预计未来，随着车载以太网技术的进一步发展和优化，它将在智能驾驶、车联网服务和车内娱乐系统等领域发挥更大作用。今天与非研究院就深入介绍一下车载以太网芯片中的一个重要品类——以太网物理层（PHY）芯片。
以太网物理层（PHY）芯片的关键技术参数有哪些？
以太网物理层（PHY）芯片是实现以太网通信的基础，承担着将数字信号转换为能够在物理媒介上传输的模拟信号的任务，以及反向转换的功能。这些芯片广泛应用于多个领域，包括但不限于通信、汽车电子、消费电子、工业控制等，是现代网络通信不可或缺的一部分。随着技术的进步和市场需求的增长，PHY芯片的设计和制造已经变得越来越复杂和高效。
在工作原理上，以太网PHY芯片通过各种接口，如MII、RGMII或SGMII，与介质访问控制层（MAC）进行数据交换。它们负责将并行的数字数据转换为串行的模拟信号，以便通过电缆等物理媒介传输。接收方的PHY芯片再将这些模拟信号转换回数字信号，传递给MAC层，完成数据的接收过程。
以太网PHY芯片的技术水平主要体现在几个关键方面：传输速率、传输稳定性、可靠性、功耗水平和传输距离。传输速率是评价PHY芯片性能的重要指标之一，随着技术进步，千兆甚至万兆以太网已成为现实。传输稳定性和可靠性对于确保数据在复杂环境中准确传输至关重要，尤其是在汽车电子和工业控制这样的应用中。此外，随着对节能减排的要求日益增加，低功耗设计也成为PHY芯片开发的重要方向。最后，传输距离的增加可以使得网络布局更加灵活，尤其是在大型建筑或者广阔的工业区域中。
车载以太网PHY芯片需要满足更为严格的要求。车载网络不仅要求高速的数据传输以支持先进的驾驶辅助系统（ADAS）、娱乐系统等，还需要具备极高的可靠性和抗干扰能力，以适应车辆在复杂环境下的运行。此外，车载网络的PHY芯片还需要支持新的标准和协议，如100BASE-T1和1000BASE-T1，这些标准专为车载应用设计，能够通过单对双绞线实现全双工通信，显著降低系统的复杂度和成本。
总的来看，车载以太网的发展预计将经历三个阶段：从面向车载诊断系统和ECU软件刷新的DoIP协议的推广运用，到将多媒体、驾驶辅助和诊断界面整合的第二阶段，最终使用以太网作为车载主干网络，集成动力总成、底盘和车身控制、智能座舱等，形成一个跨域汽车网络。目前，千兆以太网1000BASE-T是基于双绞线的以太网主流技术，能在超过100M的5类双绞线上传输1000Mbit/s的数据流。千兆以太网作为高速网络技术的首选，以其技术成熟、高度标准化、带宽高和低成本等优势，已成为当今世界最普遍的局域网技术，为万物互联奠定基础。
车载以太网技术协议规范包括物理层、UDP-NM、DOIP、SOME/IP、SD五个模块，构成一个5层协议系统，覆盖应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层，每一层都承担不同的功能。由于IEEE 802.3工作组、汽车开放系统架构联盟AUTOSAR、OPEN联盟以及AVnu联盟在内的四大联盟或组织的共同发展与合作，进一步规范了车载以太网符合OSI模型的整体架构。
四个车载以太网物理层标准分别是：10base-T1S（IEEE 802.3cg即OPEN Alliance的TC14）、100base-T1（IEEE802.3bw即OPEN Alliance TC1）、1000base-T1（IEEE802.3bp即OPEN Alliance的TC12）和2.5/5/10Gbase-T1（IEEE802.3ch即OPEN Alliance的TC15）。其中，Marvell的88Q2112是1000base-T1标准的物理层芯片的先驱，而博通则在NGbase-T1物理层芯片领域领先。
目前，基于博通公司的BroadR-Reach技术并已被IEEE标准化为100BASE-T1，利用一对非屏蔽双绞线（UTP）实现全双工通信，提供至少100Mbit/s的宽带性能。这种技术在链路的两端使用BroadR-Reach的PHY芯片，允许数据在两个方向上同时传输和接收，而PHY芯片到MAC接口以上层级遵循传统的以太网结构（IEEE802.3）。BroadR-Reach技术的主要应用场景包括高级驾驶辅助系统（ADAS）和车载信息娱乐（IVI）系统。与MOST和LVDS相比，BroadR-Reach提供更高的带宽和更低的成本，这一点主要在布线成本上得到体现。博通和博世的联合研究表明，与传统总线相比，使用单根UTP电缆以100Mbps的速率传输数据，可减轻线缆重量30%并降低连接成本80%。
车载以太网PHY芯片市场规模有多大？
数据量的爆炸式增长是推动市场需求的主要因素之一。IDC的《Data Age 2025》报告预测，到2025年，全球每年将产生的数据量将从2018年的33ZB增长到175ZB。在汽车电子领域，随着L2级自动驾驶渗透率的提升及L3级自动驾驶的逐步落地，车载以太网将加速应用于需求带宽较高的智能座舱与智能驾驶等系统中。长期来看，以太网将集成更多汽车功能，成为整车骨干网络。
中国汽车技术研究中心有限公司的数据显示，全球以太网物理层芯片市场将在2022-2025年间保持超过25%的年复合增长率，预计2025年市场规模将突破300亿元。中国大陆市场也呈现出强劲增长势头，预计到2025年市场规模将超过120亿元，年复合增长率达到30%以上。中金研究预计，到2025年，国内车载以太网芯片市场规模将达到293亿元，展现出2020-2025年间高达66%的年复合增长率（CAGR）。
博通和博世的联合研究显示，与传统总线相比，车载以太网的连接成本可降低80%，电缆重量可降低30%。车载以太网芯片的需求量快速提升，根据中汽中心数据，预计到2025年中国以太网物理层芯片搭载量将超过2.9亿片，市场规模有望突破120亿元。
国产替代是车载以太网物理层芯片发展的重要趋势。当前，全球车载以太网物理层芯片市场主要由境外企业主导，但国内自主品牌正逐步发力，面对技术门槛高和竞争格局高度集中的市场环境，国产替代提供了巨大的市场空间。根据中金公司的预测，2023-2025年中国以太网PHY芯片市场规模预计将保持超过50%的增长率，2021年至2025年的市场规模预计将从26.1亿元增长至184.6亿元。
车载以太网PHY芯片主要国产玩家
物理层芯片（PHY芯片）是网络通信中技术门槛极高的领域，目前全球仅有NXP、博通、Marvell、瑞昱、Microchip和德州仪器等六家企业具备生产能力，市场份额集中度高达91%至99%。这些芯片主要工作在OSI网络模型的最底层，负责将来自介质访问控制层（MAC）的数据转换成模拟信号进行传输，过程中包括增加检错码、数据编码等步骤，使用的是模拟技术。以太网作为最广泛应用的局域网技术，根据传输速率不同，分为标准以太网、快速以太网、千兆以太网和10G以太网等多种形式。
尽管以太网技术发展迅速，但国内在物理层芯片领域的市场份额依然较小，长期以来基本被国际巨头所垄断。2021年，虽然国内企业如裕太微收入增长了近20倍，市场份额也仅有2%。这主要是因为物理层芯片生产的技术门槛非常高，且广泛应用于汽车电子等领域。
全球和国内以太网物理层芯片市场高度集中，美国博通、美满电子和中国台湾瑞昱三家国际巨头占据主要份额。欧美 和中国台湾厂商经过多年发展，凭借资金、技术、客户资源、品牌等方面的积累，形成了巨大的领先优势，对以太网 物理层芯片行业的发展起到引领作用。在国内市场，以太网物理层芯片同样被境外国际巨头主导，自给率极低，下游 厂商高度依赖境外进口。根据中国汽车技术研究中心数据，全球以太网物理芯片市场中，博通、美满电子、瑞昱、德 州仪器、高通、微芯稳居前列，前五大以太网物理层芯片供应商市场份额占比高达 91%；国内市场瑞昱占比较高，前 五大境外供应商占比达 87%。
车载以太网物理层芯片市场份额（2021年），来源：裕太微招股书
车载以太网物理层芯片的市场竞争格局集中度更高，恩智浦跻身前五。根据中国汽车技术研究中心统计，全球车载以太网物理层芯片供应商几乎全部由以下五家企业占据：美满电子、博通、瑞昱、德州仪器和恩智浦。全球和国内的车载以太网物理层芯片市场规模的前五大供应商市场占比分别为 99.1%、99.4%。
在芯片国产化的大趋势下，=国内厂商技术实力不断追赶，有望凭借本土化优势和快速响应能力占据更多市场份额。受益于产业链上下游的大力支持，以太网物理层芯片国产化不断推进。国内主要的以太网物理层芯片厂商包括裕太微、景略半导 体、昆高新芯、国科天讯、东土科技旗下物芯科技、鑫瑞技术、睿普康、楠菲微电子等。
以下为部分国产PHY芯片供应商介绍：
裕太微
裕太微电子成立于2017年，是中国大陆为数不多的拥有自主知识产权并能够大规模销售以太网物理层芯片的供应商之一。公司专注于高速有线通信芯片的研发、设计与销售，产品覆盖通信、汽车电子、消费电子、安防监控、工业控制等众多市场领域。裕太微-U的产品线包括商规级、工规级、车规级产品，支持百兆、千兆和2.5G等不同传输速率，满足各种应用场景需求。
裕太微的车载百兆以太网物理层芯片通过了AEC-Q100 Grade 1车规认证和德国C&S实验室的互联互通兼容性测试，已成功进入德赛西威等国内知名汽车配套设施供应商的供应链并实现销售。该公司的产品在技术参数、可靠性指标上与国际主流产品相当，甚至更具优势，体现了自主品牌在追赶国际技术水平方面的显著成果。裕太微电子是国内首家在车载PHY领域通过OPEN Alliance IOP认证的企业，其2.5G PHY芯片已量产，技术实力和规模在国内处于领先地位，2021年市场份额占比为2%。
目前，裕太微电子量产的以太网PHY芯片包括12个消费级料号、10个工业级料号，以及车载以太网PHY芯片YT8010A（单口百兆）和YT8011A（千兆，已推出但尚未量产）。YT8011系列千兆PHY，拥有完全自主知识产权，采用高速DSP技术、高性能SerDes和AFE设计，能在CAT5E低成本非屏蔽双绞线上传输60米以上的双向数据流，满足车载雷达、环视、自动驾驶等高速数据传输应用需求。
裕太微电子不仅在技术上取得进步，其产品已被广汽、北汽、上汽、吉利、一汽红旗等汽车行业知名客户采用，预示着在新能源汽车智能化趋势下的大规模应用潜力。公司在苏州和上海设有研发中心，并在上海、成都及深圳成立子公司，持续推动以太网物理层芯片技术的创新与应用。
傲芯科技
傲芯科技，一家新成立的初创公司，也聚焦于车载通讯芯片（如车载收发器CAN/以太网PHY芯片）的研发设计与销售，于2021年3月成立。公司创始人郑飞君拥有十余年一线研发经验，曾在恩智浦半导体、新思科技等国际巨头担任工程师职位。傲芯科技获得小米投资，展示了车载通讯市场的潜力及国内企业在该领域的活跃发展。
景略半导体
景略半导体，源自Marvell的核心团队，专注于高速数模混合信号芯片设计，致力于为车载、工业、企业领域提供高性能的以太网PHY、Switch及相关SoC产品。2019年，景略半导体成为国内首家成功流片车载千兆以太网PHY芯片的公司，标志着国产填补空白。2020年，基于EtherNext™技术推出Cheetah™系列车载以太网PHY产品，Antelop™系列工业以太网PHY产品，SailFish™系列企业以太网PHY产品，这些产品已量产并供应多个细分市场，出货量超数千万颗。2021年世界半导体大会上，展示了BlueWhale™全新一代L2/L2+网络交换机Switch芯片技术，进一步展现公司在PHY+Switch两大核心技术版块的布局。景略半导体强调自主可控，从设计到生产全流程管控，EtherNext™技术使其产品在性能、功耗和成本方面具有竞争优势，功耗仅为对手三分之二，芯片面积缩小超过三分之一。
昆高新芯
昆高新芯微电子，成立于2019年，专注于时间敏感网络（TSN）交换、PHY和网关芯片的研发，旨在为工业互联网、自动驾驶、智能电网、轨道交通等领域提供国产高端芯片解决方案。该公司已与多家车厂、工业互联网厂商等建立合作，推出基于自有TSN交换、PHY和网关芯片的整体解决方案，以降低客户的开发成本。昆高新芯的核心团队拥有15年以上开发经验，曾在国际顶尖公司工作，掌握高速ADC/DAC、PLL、高速Serdes、算法等领先技术。公司目前正开发千兆以太网PHY、网关和TSN交换芯片，旨在为自动&无人驾驶、中国智能制造、轨道交通和智能电网楼宇行业提供强有力的国产芯片支持。昆高新芯已完成千兆PHY及网关芯片产品设计及流片。
鑫瑞技术
鑫瑞技术主要从事智能以太网交换及接口芯片的设计，是一家专注于智能以太网领域的芯片设计公司和国外以太网芯片的替代厂商。目前旗下有XR18201、XR8211、XR8010、XR86114、XR86118五个料号的以太网PHY芯片。XR8010为车载百兆以太网PHY，XR86114和XR86118为千兆以太网PHY，能够支持多种不同协议数据速率，集成同步以太功能实现整网的时钟同步，有效改善了延迟影响。
睿普康
睿普康主要从事智能物联网终端通信芯片的设计开发，旗下两个料号RPC8211E/F为以太网千兆PHY芯片，RPC8201F为以太网百兆PHY芯片。千兆PHY芯片RPC8211E/F性能对标瑞昱的RTL8211，RPC8211E/F兼容1000Base-T、100Base-TX、10Base-T还能支持节能以太网，传输距离在1000Base-T中支持120m的CAT.5电缆也足够长。睿普康的PHY芯片是用来代替瑞昱pin对pin芯片的常客
和芯润德
和芯润德的SR8201F（I）是两款单口百兆以太网PHY芯片，在通信、物联网领域应用广泛。目前SR8201F（I）已经应用到华为海思、安凯微电子、瑞芯微电子、炬力科技、兆易创新、乐鑫、君正等公司的数十款MCU中。
楠菲微电子
楠菲微电子是极少数同时掌握了智能计算中心、数据中心、工业和消费类全系列路由交换设备架构、通信协议栈以及相关芯片设计、量产能力的企业，在PHY芯片方面拥有核心技术。目前楠菲微电子有两款以太网PHY芯片，SF1004和SF1204。两款芯片均为4端口，SF1004为千兆，SF1204为万兆。
SF1204作为楠菲最新推出的10 / 100 / 1000 / 2.5G / 5G / 10GBase-T低功耗万兆PHY芯片，BER优于10-15。5G 和5G 模式在CAT 5e线缆上SF1204的传输距离大于100米，10G模式，在CAT 6A线缆上传输距离可达100m，芯片实力强劲。
昆高新芯
成立于2019年的昆高新芯瞄准了车载以太网这条赛道，致力于时间敏感网络（TSN）交换芯片和物理层芯片PHY的研发与设计。目前旗下有消费类PHY芯片KG7XXXC，工业类PHY芯片KG7XXXI、KG701XI以及车载PHY芯片KG701XM。
所有PHY芯片都内置了国密安全算法，核心IP均有自有知识产权，竞争力不俗。根据官网消息，昆高新芯研发的千兆PHY产品已经完成设计，预计今年将完成流片。
车载以太网物理层芯片的市场竞争格局集中度更高，恩智浦跻身前五。根据中国汽车技术研究中心统计，全球车载以太网物理层芯片供应商几乎全部由以下五家企业占据美满电子、博通、瑞昱、德州仪器和恩智浦。全球和国内的车载以太网物理层芯片市场规模的前五大供应商市场占比分别为 99.1%、99.4%。
物芯科技
北京物芯科技有限责任公司成立于2016年，主要从事工业互联网芯片的研究与开发，致力于成为工业网络芯片行业的佼佼者，助力我国工业核心网络发展的自主可控。
经过持续的研发投入，物芯已成功推出多型号，系列化，高可靠的网络芯片和产品解决方案。2017年成功量产具有64Gbps交换能力的网络芯片，2019年成功量产千兆以太网系列PHY芯片，2020年成功量产具有152Gbps交换能力的网络芯片，2021年成功量产新一代高可靠，高性能TSN网络交换芯片。基于物芯系列芯片的解决方案已广泛应用于石化，冶金，电力，铁路，工厂自动化等领域。未来物芯将持续投入资源，聚焦网络技术在各种工业环境以及汽车电子领域的应用和演进，推动物芯的产品服务于更多的客户，为客户创造更大的价值。
部分以太网PHY芯片供应商（截止2023），来源：与非研究院整理
车载PHY芯片的技术挑战有哪些？
随着智能化、网联化技术的发展，车载以太网技术的应用日益广泛，推动了车载高速有线通信业务的发展。国内外企业在这一新兴市场的竞争趋于白热化，国内企业正逐步打破国际巨头的垄断局面，提升国内芯片产业的整体水平，促进相关行业尤其是汽车电子等领域的技术进步和产业升级。
在集成电路设计领域，物理层芯片（PHY芯片）的研发呈现出几个挑战：
首先，这类芯片的研发门槛极高，需将数字信号转换为模拟信号进行传输，同时恢复接收到的模拟信号为数字信号，涉及复杂的数模混合系统设计，如高性能SerDes、ADC/DAC、高精度PLL和DSP设计等。模拟电路主要负责信号间的转换，而数字电路负责信号处理，实现降噪、干扰抵消等功能。这要求研发团队具备深厚的技术经验和高效的协作能力。
技术方面，模拟IC的设计强调高信噪比、低失真和高可靠性，产品生命周期长，而数字IC设计则较为依赖EDA工具。模拟IC设计门槛较高，通常需要10-15年的学习周期，而数字IC的学习周期相对较短。模拟IC少采用低压CMOS工艺，因为需要输出高电压或大电流，而CMOS工艺的驱动能力较差。高性能的模拟IC产品通常在高电压环境下更易实现低失真和高信噪比。
另一技术挑战是时钟数据恢复（CDR），对于高速串行总线至关重要，主要设计挑战之一是抖动管理。抖动分为确定性抖动和随机抖动，其中，随机抖动无法科学预测，需凭经验处理。高效管理抖动，尤其是高频抖动，是高速PHY芯片设计中的关键。
总的来看，面对激烈的市场竞争和技术挑战，国产PHY芯片企业一方面需要持续投入研发，缩小与国际巨头的技术差距，另一方面还需要通过时间来积累。模拟芯片很多产品，如果你没有做过，很难在技术上弯道超车。所以，我们一方面要给国产PHY芯片更多的机会，另一方面也要给予宽容，容许他们一步步成长。
