以太網(wǎng)（Ethernet，IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn))應(yīng)用市場(chǎng)廣闊，自1973年誕生以來，已有40多年的發(fā)展歷程。由于其技術(shù)成熟、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、帶寬高、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今信息世界最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，涵蓋家庭網(wǎng)絡(luò)和用戶終端、企業(yè)和公園網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)、大型數(shù)據(jù)中心和服務(wù)供應(yīng)商等應(yīng)用領(lǐng)域，在全球范圍內(nèi)形成了以太網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。所有需要通過以太網(wǎng)通信的智能終端都可以選擇以太網(wǎng)物理層芯片(PHY芯片)及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行通信。

選擇星形拓?fù)浠蚓€性總線作為以太網(wǎng)協(xié)議，這是IEEE。 OSI是基于802.3標(biāo)準(zhǔn)的（Open System Interconnection）以太網(wǎng)協(xié)議在七層(物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層、傳輸層、對(duì)話層、表示層和網(wǎng)絡(luò)層)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層工作。在邏輯鏈接控制層和介質(zhì)密鑰管理中，以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)鏈路層的功能分為兩個(gè)不同的子層。（Media Access Control，MAC）層。

本論文主要關(guān)注物理層，OSI物理層規(guī)范規(guī)定了與傳輸介質(zhì)相關(guān)的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，主要包括機(jī)械特性、電氣特性和功能特性。機(jī)械特性是指連接器的尺寸、導(dǎo)線數(shù)量、導(dǎo)線排列順序、固定方法和材料等機(jī)械性能指標(biāo)。電氣特性是指介質(zhì)、接口電壓和電流指標(biāo)；功能特性是指物理層設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)的功能，如如何處理數(shù)據(jù)流，使用哪種編碼方法，以及規(guī)定的幀格式。

按照以太網(wǎng)聯(lián)盟建立的路線圖，將以太網(wǎng)應(yīng)用分為工業(yè)自動(dòng)化、車載以太網(wǎng)、企業(yè)應(yīng)用、通信運(yùn)營商、數(shù)據(jù)中心五大類。具體來說，包括通信網(wǎng)絡(luò)(路由器、交換機(jī)、無線終端、中繼器)、智能設(shè)備(機(jī)頂盒、LED顯示屏、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、智能電視)、工業(yè)控制(礦業(yè)、工業(yè)相機(jī)等)。)、監(jiān)控系統(tǒng)(安全攝像頭)、輔助駕駛、智能網(wǎng)絡(luò)連接、攝像頭、激光雷達(dá)、駕駛記錄儀等。

PHY芯片是互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵。

以太網(wǎng)物理層芯片（PHY）在OSI網(wǎng)絡(luò)七層架構(gòu)的底層工作，為了實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的連接，有線傳輸通信芯片。具體來說，PHY芯片將數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備連接到物理媒體，為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒介，正確發(fā)送和接收信號(hào)。

CPU通常由網(wǎng)絡(luò)通信接口組成、物理層接口的MAC控制器和接口（PHY）組成部分，PHY融合了多種模擬電路，MAC是全數(shù)字設(shè)備。它們通常有三種集成結(jié)構(gòu)：1、MAC和PHY集成在CPU內(nèi)部，這種情況比較少見；2、MAC集成在CPU內(nèi)部，PHY是一種獨(dú)立芯片，比較常見；3、MAC和PHY不集成CPU，MAC和PHY選擇單個(gè)芯片或集成芯片。

在IC設(shè)計(jì)行業(yè)，PHY芯片的研發(fā)門檻相對(duì)較高，因?yàn)镻HY芯片應(yīng)該將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并將其發(fā)送到通信介質(zhì)。同時(shí)，模擬信號(hào)應(yīng)從接收到的模擬信號(hào)中恢復(fù)，然后傳輸?shù)缴蠈有酒幚?。所以，PHY芯片是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)?；旌舷到y(tǒng)，其中包含了高性能SerDes、ADC/DAC、AFE設(shè)計(jì)，如高精度PLL，也包括DSP設(shè)計(jì)，如濾波算法和信號(hào)恢復(fù)，其中，模擬電路主要從事模擬信號(hào)與模擬信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，數(shù)字電路負(fù)責(zé)模擬信號(hào)的處理，實(shí)現(xiàn)降噪、影響抵消、平衡、時(shí)鐘恢復(fù)等功能。因此，這種芯片研發(fā)需要強(qiáng)大的數(shù)字、模擬、算法等技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要高效的合作，這是普通工程師無法完成的。

新時(shí)期，新應(yīng)用

近年來，各種數(shù)字智能終端大規(guī)模普及，通信、計(jì)算、存儲(chǔ)、監(jiān)控等多種應(yīng)用程序逐步與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。

根據(jù)IDC預(yù)測(cè)，未來三年，全球計(jì)算率將以超過50%的速度增長(zhǎng)，到2025年，整體規(guī)模將達(dá)到3300EFlops，到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將超過400億臺(tái)，產(chǎn)生的信息量將接近80ZB，超過一半的數(shù)據(jù)需要依靠終端或邊緣的計(jì)算能力來處理。

作為應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)傳輸技術(shù)，以太網(wǎng)在傳輸可靠性和穩(wěn)定性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、操作系統(tǒng)和軟件運(yùn)行提供基本的傳輸層。隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的發(fā)展，以太網(wǎng)的應(yīng)用將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上不斷擴(kuò)大。

隨著各種應(yīng)用信息量的井噴式增長(zhǎng)，PHY芯片作為以太網(wǎng)傳輸?shù)幕A(chǔ)芯片，其市場(chǎng)規(guī)模也在不斷上升。

根據(jù)中國汽車技術(shù)研究中心的預(yù)測(cè)，2022~2025年，全球以太網(wǎng)PHY芯片市場(chǎng)規(guī)模將保持25%以上的復(fù)合增長(zhǎng)，到2025年，預(yù)計(jì)將超過300億元。

汽車市場(chǎng)是重點(diǎn)突破方向

伴隨著以新能源汽車為代表的當(dāng)代汽車向電氣化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，傳統(tǒng)汽車使用的總線（CAN、LIN、FlexRay、MOST）以太網(wǎng)在汽車應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，在成本和功能上越來越不能滿足現(xiàn)代汽車的需求。在新能源汽車智能化發(fā)展趨勢(shì)的推動(dòng)下，汽車以太網(wǎng)PHY芯片有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

以下是汽車以太網(wǎng)優(yōu)勢(shì)的主要表現(xiàn)。

現(xiàn)代汽車中使用的電子控制和通信系統(tǒng)越來越多，如發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)、自動(dòng)變速箱控制系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)等（ABS）、自動(dòng)化巡航系統(tǒng)（ACC）以及車載多媒體系統(tǒng)等。大量的數(shù)據(jù)交換需要在這些系統(tǒng)、系統(tǒng)和車輛的數(shù)據(jù)儀表、系統(tǒng)和汽車故障診斷系統(tǒng)之間進(jìn)行。在這種情況下，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接和信息傳輸技術(shù)不能用導(dǎo)線進(jìn)行，因?yàn)榘惭b非常復(fù)雜，故障率會(huì)很高。此時(shí)，需要使用汽車總線。

汽車總線是一種通信網(wǎng)絡(luò)，用于車載網(wǎng)絡(luò)中的底層設(shè)備和儀表互聯(lián)，是車配網(wǎng)絡(luò)和車載設(shè)備控制系統(tǒng)的集成。

雖然傳統(tǒng)汽車總線LIN和CAN的市場(chǎng)份額相當(dāng)可觀，但其傳輸速度已不能滿足電氣設(shè)備日益增加的要求。雖然MOST總線的傳輸速度有了很大的提高，但其環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)阻礙了整車的普及。FlexRay總線具有優(yōu)異的傳輸速度、循環(huán)冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和同步能力。然而，F(xiàn)lexRay網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率和難以達(dá)到預(yù)期的傳輸速度、昂貴的價(jià)格等因素使得它只能用于信息娛樂系統(tǒng)。

另外，汽車內(nèi)部的電子電器（E/E）單車ECU數(shù)量已從20-30個(gè)增加到100多個(gè)，部分車型的線束長(zhǎng)度已達(dá)2.5公里，部分車型的線束長(zhǎng)度已達(dá)2.5公里，E/E架構(gòu)已經(jīng)不能滿足汽車智能時(shí)代的發(fā)展需求。因此，汽車網(wǎng)絡(luò)向域控制和集中控制轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)越來越明顯，總線也需要向高帶寬發(fā)展。

在過去以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，車載以太網(wǎng)進(jìn)行了一系列的優(yōu)化和改進(jìn)，使其更符合車內(nèi)通信的需要。

根據(jù)車內(nèi)通信需求，車載以太網(wǎng)開發(fā)了一種新型的局域網(wǎng)技術(shù)，將車內(nèi)電子單元與以太網(wǎng)連接起來。車載以太網(wǎng)技術(shù)是近年來以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，它率先應(yīng)用于智能駕駛和智能駕駛艙，并在未來逐步取代整車通信技術(shù)。

與其他總線相比，線束輕量化是以太網(wǎng)的另一大優(yōu)勢(shì)。減輕汽車自重是節(jié)能的基本方法，選擇輕質(zhì)材料是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化最有效的方法。線束的復(fù)雜性使其成為汽車結(jié)構(gòu)中僅次于底盤和發(fā)動(dòng)機(jī)的第三重部件。一些傳統(tǒng)的總線電纜很重，需要額外的屏蔽來保證它們不受干擾。與傳統(tǒng)總線相比，車載以太網(wǎng)使用單對(duì)非屏蔽雙絞線和較小的連接器可以降低80%的線束成本和30%的線路重量。為了滿足智能對(duì)高帶寬的需求，可以利用回音抵消技術(shù)在單線對(duì)上實(shí)現(xiàn)雙向通信。

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)一般采用四對(duì)一的方式，而車載以太網(wǎng)只有一對(duì)一的方式，使得在同樣的傳輸速度下，車載以太網(wǎng)的PHY芯片設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)難度成倍增加，這也是目前各大廠商技術(shù)和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力的焦點(diǎn)。

汽車總線技術(shù)對(duì)比

自動(dòng)駕駛傳感器帶來的結(jié)構(gòu)變化和大量的數(shù)據(jù)處理需求，使得帶寬成為下一代汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)的車載總線網(wǎng)絡(luò)不同，車載以太網(wǎng)可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸能力，需要帶寬密集型應(yīng)用。同時(shí)，其先天的技術(shù)優(yōu)勢(shì)可以滿足汽車對(duì)高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲、輕量化的要求?，F(xiàn)在，博世、采埃孚等都提出了下一代汽車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，特斯拉在Model上 3和Model Y里已選擇了域控制結(jié)構(gòu)。

自動(dòng)駕駛級(jí)別越大，對(duì)高速網(wǎng)絡(luò)的需求就越迫切。對(duì)于L3以上的自動(dòng)駕駛，需要在車內(nèi)組合2.5/5/10G以太網(wǎng)，而對(duì)于L4/L5自動(dòng)駕駛，需要在車內(nèi)引入10G。 所以，高速車載以太網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)L3或以上自動(dòng)駕駛不可缺少的設(shè)備。

根據(jù)以太網(wǎng)聯(lián)盟的預(yù)測(cè)，隨著汽車智能應(yīng)用的需要，汽車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來將有100多個(gè)智能汽車自行車以太網(wǎng)端口，這將為汽車以太網(wǎng)芯片帶來巨大的發(fā)展前景。以Aquantia車輛的ADAS以太網(wǎng)架構(gòu)為例，每個(gè)傳感器(攝像機(jī)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等)都需要安排一個(gè)PHY芯片來連接ADAS域的交換機(jī)，每個(gè)交換節(jié)點(diǎn)也需要配備幾個(gè)PHY芯片。

在中國，當(dāng)?shù)氐腜HY芯片企業(yè)正在努力

目前，全球以太網(wǎng)PHY芯片市場(chǎng)已被少數(shù)公司控制。經(jīng)過多年的發(fā)展和積累，這些廠商憑借資金、技術(shù)、客戶資源、品牌等優(yōu)勢(shì)，擁有了大部分的市場(chǎng)份額。根據(jù)中國汽車技術(shù)研究中心的統(tǒng)計(jì)，博通、美滿電子、瑞昱、德州儀器、恩智浦和微芯位居前列，全球前五大以太網(wǎng)PHY芯片制造商的市場(chǎng)份額高達(dá)91%。當(dāng)前，PHY芯片在中國大陸的市場(chǎng)基本上是由這些國際巨頭主導(dǎo)的，市場(chǎng)份額達(dá)到87%。

近年來，中國當(dāng)?shù)刂圃焐痰募夹g(shù)能力不斷提高，有望憑借當(dāng)?shù)氐目焖夙憫?yīng)能力占據(jù)更多的市場(chǎng)份額。目前國內(nèi)以太網(wǎng)PHY芯片廠商主要包括裕太微、景略半導(dǎo)體、昆高新芯、國科天訊、物芯技術(shù)、新瑞技術(shù)、瑞普康等。

在這些廠商中，裕太微是一家領(lǐng)先的企業(yè)，可以大規(guī)模供應(yīng)千兆以太網(wǎng)PHY芯片。它是中國第一家通過OPEN在車載PHY芯片領(lǐng)域的公司。 Alliance IOP認(rèn)證公司，2.5G PHY芯片已經(jīng)量產(chǎn)，在技術(shù)水平和規(guī)模上處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，2021年，裕太微商品在以太網(wǎng)PHY芯片的市場(chǎng)份額為2%。景略半導(dǎo)體的核心團(tuán)隊(duì)起源于美滿電子，主要為車載、工業(yè)、企業(yè)應(yīng)用提供以太網(wǎng)PHY芯片，其車載千兆PHY芯片將大規(guī)模生產(chǎn)。作為國內(nèi)較早實(shí)現(xiàn)TSN交換芯片流片的公司，昆高新芯可以提供千兆以太網(wǎng)PHY和TSN芯片，TSN芯片即將進(jìn)入量產(chǎn)階段。

本文來自微信公眾號(hào)“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫”（ID:ICViews），作者：暢秋，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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