作者：毛爍

智能網(wǎng)聯(lián)汽車其實(shí)就是四個(gè)輪子的“具身智能”，這一觀點(diǎn)已經(jīng)被行業(yè)內(nèi)越來越多人認(rèn)可。

現(xiàn)在的智能網(wǎng)聯(lián)汽車不僅依賴感知環(huán)境、理解指令，更要在瞬息萬變的道路場(chǎng)景中做出自主決策。

但是，隨著傳感器數(shù)量和數(shù)據(jù)量的爆炸式增長，車輛的“神經(jīng)系統(tǒng)”——底層通信，越來越難以承載海量數(shù)據(jù)的瞬時(shí)交互。每一次傳感器信號(hào)的傳輸與中央控制指令的交互，都在逼近硬件的極限邊界。

作為國內(nèi)時(shí)敏通信芯片領(lǐng)域的先鋒力量，芯升半導(dǎo)體跳出了傳統(tǒng)的介質(zhì)替換思維，以一條融合“TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）+ PON（無源光網(wǎng)絡(luò)）+ 光纖”的路徑，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車重塑一張自主創(chuàng)新的全光網(wǎng)底座。

01  車載通信架構(gòu)的 “換底” 時(shí)刻

在高階自動(dòng)駕駛的演進(jìn)過程中，車載傳感器的分辨率與采樣率正呈指數(shù)級(jí)攀升。高清環(huán)視攝像頭的未壓縮視頻流，通信速率需求已經(jīng)達(dá)到了800Mbps甚至1Gbps 以上；而激光雷達(dá)與4D 毫米波雷達(dá)產(chǎn)生的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，更是將瞬時(shí)帶寬需求推向了更大的量級(jí)。

面對(duì)如此巨大的帶寬壓力，傳統(tǒng)CAN、LIN 總線因物理帶寬上限僅為兆級(jí)（LIN 只有幾十kbps），早已無法勝任高速數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。行業(yè)轉(zhuǎn)而采用基于同軸電纜或雙絞線的SerDes點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直連技術(shù)來彌補(bǔ)帶寬缺口。

然而，這種通過增加線束數(shù)量與收發(fā)節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)展帶寬的 “物理堆疊”模式，也引發(fā)了其他的系統(tǒng)性挑戰(zhàn)。

首當(dāng)其沖的是車載高速線束系統(tǒng)的工程挑戰(zhàn)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無序連接導(dǎo)致車內(nèi)高頻線束種類繁雜、重量大且柔韌性差。在有限的車身走線空間內(nèi)，沉重的線束不僅大幅推高了BOM 成本也增加了裝配難度。

更為嚴(yán)峻的是電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)。隨著汽車邁向800V及更高電壓平臺(tái)，碳化硅（SiC）功率器件的高頻開關(guān)動(dòng)作必然產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射（EMI）。在這種高壓、高頻、復(fù)雜的電磁環(huán)境下，高速電信號(hào)在銅纜中傳輸時(shí)極易出現(xiàn)信號(hào)衰減、串?dāng)_等問題，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

這些問題在商用車等車身較長的應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)得尤為突出。中大型商用車的信號(hào)傳輸距離可達(dá)十幾米，銅纜在長距離、高帶寬與強(qiáng)電磁干擾疊加的環(huán)境下，誤碼率會(huì)呈指數(shù)級(jí)上升。

由此可以看出，銅纜物理介質(zhì)已經(jīng)不是“打補(bǔ)丁”就能繞過的問題，要繼續(xù)往上走，整套架構(gòu)就需要“換底”。但換底之前，還有一道緊迫的關(guān)卡——協(xié)議的統(tǒng)一。

02  TSN跨越車載數(shù)據(jù)流的“十字路口”

要理解為什么協(xié)議會(huì)成為關(guān)卡，就需要明確如今整車架構(gòu)正在發(fā)生的劇變。事實(shí)上，車載數(shù)據(jù)流天然存在的雙重矛盾需求。

一方面，高清視頻流、激光雷達(dá)與4D毫米波雷達(dá)點(diǎn)云等感知數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了 Gbps級(jí)的要求；另一方面，剎車、轉(zhuǎn)向、動(dòng)力控制等關(guān)乎行車安全的硬實(shí)時(shí)指令，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的微秒級(jí)抖動(dòng)、零丟包率有著不可妥協(xié)的確定性要求。

在傳統(tǒng)分布式ECU架構(gòu)下，這兩類特性迥異的數(shù)據(jù)通過不同總線分別傳輸，互不干擾。但在中央計(jì)算架構(gòu)下，所有感知數(shù)據(jù)與控制指令必須統(tǒng)一匯聚至中央SoC進(jìn)行融合處理，這就要求底層網(wǎng)絡(luò)必須能夠在同一物理鏈路上同時(shí)承載大帶寬、非實(shí)時(shí)流量、高確定性實(shí)時(shí)流量。

傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)采用的是CSMA/CD（載波偵聽多路訪問 / 沖突檢測(cè)）機(jī)制，這種方式一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁塞，便無法保證控制指令的到達(dá)時(shí)間。

然而，TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）協(xié)議族的引入，正是通過全局高精度時(shí)鐘同步、流量調(diào)度（如 IEEE 802.1Qbv時(shí)間感知整形）、幀搶占（Qbu）等微架構(gòu)層面的硬件機(jī)制，讓異構(gòu)的多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)能夠在同一張共性網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、可靠、無阻塞調(diào)度。

基于這一關(guān)鍵技術(shù)升級(jí)的節(jié)點(diǎn)上，芯升半導(dǎo)體率先完成了底層核心技術(shù)的閉環(huán)，推出了SV3111車規(guī)級(jí)11口以太網(wǎng)TSN交換芯片。

SV3111的各項(xiàng)核心指標(biāo)達(dá)到了國際一線水平。該芯片內(nèi)部集成了100BASE-T1、1000BASE-T1、100BASE-TX 以及高速的xMII、SGMII/2500Base-X、PCIe 3.0 等豐富的端口組合，最高交換帶寬可達(dá)33Gbps。

具體看，該芯片不僅支持IEEE 802.1AS-2020、Qav/Qbv/Qat、CB、Qci等全棧TSN協(xié)議的硬件加速引擎，還內(nèi)嵌了高性能RISC-V 架構(gòu)的CPU，通過QSPI高速外設(shè)接口支持車輛安全快速啟動(dòng)。

03  從“光以太”到“TSPON”融合

當(dāng)TSN協(xié)議從邏輯層面解決了“實(shí)時(shí)與大帶寬”的共存挑戰(zhàn)后，突破物理介質(zhì)的天花板就成了最后一塊拼圖。

“光纖上車”因其天然物理特性，被業(yè)界認(rèn)為是替代銅纜的新解法。光信號(hào)完全免疫車內(nèi)的高壓電磁干擾（EMC），線徑極細(xì)且重量極輕，單通道帶寬可輕松向10G、25G乃至50G平滑演進(jìn)，長距離傳輸毫無衰減壓力。

其實(shí)，在全光網(wǎng)絡(luò)的底層架構(gòu)路線上，半導(dǎo)體行業(yè)曾有兩條候選路徑：：一條是直接照搬 IT 行業(yè)成熟的“光以太網(wǎng)”，另一條是引入電信領(lǐng)域常見的PON（無源光網(wǎng)絡(luò)），并針對(duì)車載場(chǎng)景重塑。

但是這兩條路都有缺陷。光以太網(wǎng)的問題出在成本。其沿用傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）連接，車內(nèi)部署的十幾個(gè)攝像頭、多塊屏幕及雷達(dá)傳感器，每一條鏈路兩端都需要配備獨(dú)立的光收發(fā)模塊。對(duì)于成本極度敏感的汽車行業(yè)，這種架構(gòu)的BOM 遠(yuǎn)超整車廠的可接受范圍。

反而，PON在成本結(jié)構(gòu)上具備天然優(yōu)勢(shì)。其采用點(diǎn)到多點(diǎn)（P2MP）的樹型拓?fù)洹幻?OLT（光線路終端）芯片部署于中央計(jì)算節(jié)點(diǎn)，引出一根主干光纖后，僅通過純物理的無源分光器（Splitter），即可連接分布在車身各處的多個(gè)ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）終端芯片，覆蓋車內(nèi)攝像頭、顯示屏、雷達(dá)等各類外設(shè)。相比光以太，這種架構(gòu)可將全車光模塊與有源器件的使用量削減70%以上，讓整車網(wǎng)絡(luò)成本與線束復(fù)雜度都大幅下降。

但是， PON原生上不了車。

PON脫胎于民用光纖入戶場(chǎng)景，天然存在毫秒級(jí)的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，無法滿足車載控制指令微秒級(jí)的響應(yīng)要求。這意味著，PON雖然在成本結(jié)構(gòu)上有優(yōu)勢(shì)，但在確定性上，反而比電信號(hào)以太網(wǎng)還要差。

然而，芯升半導(dǎo)體的破局點(diǎn)，正在PON的短板上把TSN調(diào)度協(xié)議，在MAC（介質(zhì)訪問控制）層直接集成到PON的光通信底層機(jī)制中，由此首創(chuàng)了車規(guī)級(jí)TSPON 技術(shù)。

芯升半導(dǎo)體推出的SV37XX車規(guī)級(jí)TSPON芯片，正是這一架構(gòu)的集大成者。

作為一款高度集成的SoC，SV37XX內(nèi)部包含OLT/ONU核心數(shù)據(jù)通路處理模塊，還集成了接口協(xié)議轉(zhuǎn)換引擎，能在芯片底層直接捕獲高速的 MIPI、(e)DP 視頻流，以及以太網(wǎng)、PCIe 乃至低速的CAN、SPI 等異構(gòu)協(xié)議，將其統(tǒng)一封裝進(jìn)入XGSPON（10G 帶寬）的光鏈路中進(jìn)行時(shí)分復(fù)用傳輸。

憑借硬件級(jí)的TSN 調(diào)度融合，SV37XX 將整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)級(jí)時(shí)鐘同步精度極限壓縮到了20ns，端到端的實(shí)時(shí)傳輸時(shí)延低至20us，并支持車載環(huán)境150ms內(nèi)冷啟動(dòng)上線。

在這套TSPON搭建的全光底座上，高帶寬的智駕視頻流與低時(shí)延的底盤線控指令，能在同一根光纖里實(shí)現(xiàn)無阻塞協(xié)同。

04  下一個(gè)“分水嶺”

從全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)博弈的視角來看，車載底層網(wǎng)絡(luò)芯片長期是中國汽車工業(yè)的核心短板。在這個(gè)市場(chǎng)規(guī)模數(shù)十億元，且正持續(xù)爆發(fā)式增長的細(xì)分領(lǐng)域中，本土化率卻常年不到1%，產(chǎn)業(yè)命脈被幾家國際老牌半導(dǎo)體巨頭牢牢掌控。

但危機(jī)之中也孕育著時(shí)代變局。中國新能源汽車在三電技術(shù)、智能化平臺(tái)等領(lǐng)域已確立系統(tǒng)性全球領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。出于構(gòu)建安全可控的多元化供應(yīng)鏈，以及在未來物理AI競(jìng)爭中打造底層硬件差異化壁壘的雙重戰(zhàn)略考量。

中國整車企業(yè)，正牽引國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)開展底層核心技術(shù)的全棧式重構(gòu)。

也正是這股來自整車端的強(qiáng)大牽引力，讓芯升半導(dǎo)體這樣的國產(chǎn)車規(guī)芯片企業(yè)獲得了從跟隨者轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱淮ㄐ偶軜?gòu)定義者的歷史機(jī)遇。

芯升半導(dǎo)體負(fù)責(zé)人判斷，很快將迎來車載底層電子電氣架構(gòu)演進(jìn)的關(guān)鍵“分水嶺”。這一判斷已在頭部整車企業(yè)、光纖線束廠商、車規(guī)級(jí)光連接器及光模塊供應(yīng)商等全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)逐步形成共識(shí)。

在這一節(jié)點(diǎn)之前，行業(yè)將處于局部痛點(diǎn)場(chǎng)景驗(yàn)證、車規(guī)級(jí)工程工藝打磨、光電協(xié)同生態(tài)構(gòu)建的關(guān)鍵積蓄期。一旦越過這一節(jié)點(diǎn)，伴隨核心光電芯片工藝的成熟與量產(chǎn)路試的閉環(huán)，新一代汽車電子電氣架構(gòu)的頂層設(shè)計(jì)，將加速轉(zhuǎn)向全光網(wǎng)絡(luò)底座。

在算力與數(shù)據(jù)的光速博弈中，本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正憑借原生架構(gòu)的顛覆式創(chuàng)新，讓一張真正屬于中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車的“全光網(wǎng)底座”，加速落成！