現在,越來越多的輔助駕駛系統之間都在進行高速、高帶寬的數據傳輸。作為一種低成本而且重量很輕的介質,車載以太網不但能夠顯著降低重量與成本,更能夠為車載網絡提供高級安全特性和穩定性能,是推動實現車聯網的重要技術之一。
根據以太網聯盟的預測,隨著汽車智能化應用需求的快速推進,未來智能汽車單車以太網端口將超過100個,考慮到近年來中國汽車市場龐大的年銷售量,以及高級輔助駕駛、車載娛樂系統、導航系統等已逐步成為智能汽車標配的實際情況,車載以太網芯片的市場規模之大可想而知。
僅以車載以太網物理層(PHY)芯片為例,來自中國汽車技術研究中心有限公司的預測顯示,2021-2025年,車載以太網PHY芯片出貨量將呈十倍數量級的增長,2025年中國車載以太網PHY芯片搭載量將超過2.9億片,市場規模有望突破120億元,近五年CAGR為30%以上。
以太網最初開發于1970年代,是全球所有計算機網絡使用的既定標準。與我們熟悉的標準以太網相比,適用于2.5Gbps、5Gbps和10Gbps的多千兆車載以太網標準由IEEE?802.3ch工作組定義,相關半導體產品需要經過專門設計才能夠滿足汽車行業嚴格的環境要求,并包括系統構建者需要的ISO26262功能安全合規所需的文檔。
在我們以往的認知中,能夠進行高速、高帶寬的數據傳輸;能夠顯著降低重量與成本,是車載以太網技術最主要的優勢。但實際上,隨著智能駕駛/自動駕駛時代的到來,以太網的優點并不僅僅在于高速,而在于它提供的可擴展性,從而提供特定功能所需的帶寬。
比如,一些傳感器和執行器只需要幾kbps的帶寬,而更復雜的視覺系統可能需要Gbps。但以太網的妙處在于,無論速度如何,數據的格式(即以太網幀)都是相同的。這樣一來,車企就可以使用10Mbps的鏈路連接傳感器,連接到一個簡單的交換機以將許多10Mb數據流聚合到更高的帶寬,并使用同一臺交換機傳輸需要更高速度的視頻流或信息娛樂數據。
Microchip最近推出了通過汽車認證的10BASE-T1S以太網器件LAN8670/1/2系列,就可將以前需要采用自有通信系統的低速設備,連接到汽車應用中的標準以太網系統上,從而將以太網的覆蓋范圍擴展到通常位于網絡邊緣的設備,簡化了系統設計。
相關分析機構指出,車載以太網今后的發展趨勢將分為三個階段:第一階段為面向車載診斷系統和ECU軟件刷新的DoIP協議的推廣運用,以及使用IP攝像頭的駕駛輔助系統;第二階段是將幾個子系統整合,面向車載智能座艙和智能輔助駕駛的推廣應用,如將多媒體,駕駛輔助和診斷界面結合在一起;第三階段將使用以太網作為車載主干網絡,集成動力總成、底盤和車身控制、智能座艙等,形成一個跨域汽車網絡,并逐步引入TSN等新一代以太網技術。
價格方面,該機構預測稱,預計到2025年,平均單車以太網+SERDES芯片合計價值量(ASP)約為1250元;到2030年后,L4級別的車型將搭載100顆以上以太網芯片,假定其中有12顆攝像頭+4個顯示屏、其余為千兆PHY,加上5個TSN交換芯片和2個網關芯片,屆時單車以太網+SERDES芯片價值量預計將達到約4760元。
隨著智能汽車/車聯網逐漸從概念變為現實,很多業內人士開始擔憂作為物聯網的一部分,未來的汽車發展方向將會從原來一個完全封閉的系統,轉變為一個完全開放的系統,大量非傳統汽車行業企業涌入市場,有些甚至沿用消費類電子的研發標準,從而給整個汽車電子系統架構帶來極大的安全隱患。
以車載網絡為例,盡管其存在安全隱患的概率非常低,但可能性也是存在的。這意味著只要有足夠的時間和資源,黑客就可以開發出一整套攻擊方法,并將這些攻擊分送到整個車隊。換言之,一種單一、設計精妙的攻擊可以產生廣泛的影響,這也是汽車制造商和汽車行業采取措施確保聯網汽車安全的原因。
涉及網絡控制、服務拒絕、監視或信息竊取等內容的網絡安全是需要重點提及的另一個話題。畢竟許多入口都是需要保護的,例如以太網OBD端口訪問、以太網開放端口訪問、網關設備和固件破壞等,這些只通過標準數據包格式來提供基本水平的保護是遠遠不夠的。
而采用以太網的另一個重要好處是該技術此前一直用于各種類型的通信,存在安全、業界熟知且經過測試的系統,因此能夠在網絡中驗證參與者的身份,并加密流經網絡的信息。而其它類似技術則需要開發新的安全基礎設施,并且幾乎沒有全球生態系統的支撐來不斷尋找和解決最新發現的威脅。
Microchip的安全業務部門開發并部署了用于汽車和非汽車應用的安全產品,稱之為CryptoAutomotive?IC,它們可用來驗證彼此通信的器件,以確保這些器件屬于汽車;還可加密在網絡參與者之間傳輸的信息。此外,Microchip還有安全的流程系統,幫助客戶插入密鑰和信任證書,防止任何客戶的秘密在進入汽車之前被截獲,以確保這些加密器件的整個制造過程是安全的。
自動駕駛汽車是一個復雜的系統,集成了越來越復雜的電子組件組合:中央處理器(CPU)、電子控制單元(ECU)、圖形處理單元(GPU)、新聲學尺寸(NAD)、片上系統(SoC)、傳感器、加速器和存儲設備。電子元件之間的架構和通信不但必須經過精心設計,以滿足嚴格的安全性、可靠性、性能、成本和延遲要求,還需要大量的實時數據、云連接以及快速、安全和可靠的決策——它就像一個車輪上的數據中心。
下圖是一個高級駕駛輔助系統(ADAS)的體系結構圖,顯示了三種類型的連接數據流如何在高性能計算平臺中協同工作。
在圖表頂部,攝像機使用汽車SerDes聯盟(ASA)MotionLinkSerDes(紫色)連接到多個計算SoC,用于高速串行數據,從2Gbps擴展到16Gbps,流量數據連接的寬度表示其相對帶寬。
在藍色圖的底部是兩個以太網橋,連接到車輛內的區域ECU,基于IP的對稱點對點連接帶寬可擴展到10Gbps。這些以太網網橋中的每一個都承載著來自不同區域的其他傳感器通信量,可以為新區域添加額外的以太網到PCIe網橋,以支持擴展以實現更高級別的自治。
本地存儲顯示為使用NVMe?技術的橙色框。多個計算源(如SoC和MCU)需要高速訪問此存儲,因此互連通過PCIe交換機(深藍色)處理。通過使用PCIeGen4,對稱的點對點連接范圍為每個端口16到64Gbps(4通道)。
可以看出,盡管這三種通信技術在不同的時間發展以支持不同的需求,但異構架構利用了每種技術的優勢和權衡,而PCIe將其全部整合在一起,以實現最豐富的功能和最經濟高效的解決方案。
MatthiasKaestner最后強調說,汽車行業的愿景正在向全以太網軟件定義汽車(SDV)發展,互聯區域ECU、傳感器和設備由中央ECU控制。對于“綠地”制造商(全新系統的開發制造商)來說,這種遷移比老牌公司更容易,綠地環境可以立即全面采用,以便輕松采用全以太網方法。對于其他汽車制造商來說,遷移到全以太網車輛可能需要一些時間,要求SDV包括CAN、LIN和其他總線的混合網絡架構,以便通過主以太網主干網本地連接到某些組件。
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