車載網(wǎng)絡通信的關鍵技術——TSN

隨著汽車行業(yè)的不斷進步，車載以太網(wǎng)技術已成為推動汽車智能化發(fā)展的關鍵技術之一。它不僅能夠支持高速數(shù)據(jù)傳輸，還提供了多種協(xié)議和應用形式的支持，如TSN/TTE、TCP/IP、DOIP、SOME/IP等，這使得車載以太網(wǎng)在智能駕駛和智能座艙的應用中發(fā)揮著至關重要的作用。通過對傳統(tǒng)以太網(wǎng)物理層的改造，引入了100BASE-T1和1000BASE-T1標準，車載以太網(wǎng)成功降低了電磁干擾和布線成本，同時滿足了汽車行業(yè)對高數(shù)據(jù)傳輸速率、高可靠性、低電磁輻射、低功耗及同步實時性的高標準要求。

常規(guī)以太網(wǎng)vs汽車以太網(wǎng)物理層技術，來源：巨世安防

從發(fā)展階段來看，車載以太網(wǎng)的應用經(jīng)歷了從最初的車載診斷系統(tǒng)和ECU軟件刷新，到整合子系統(tǒng)支持智能座艙和輔助駕駛的應用，再到將來的主干網(wǎng)絡整合各個控制系統(tǒng)，形成跨域的汽車網(wǎng)絡。這一過程中，TSN技術的引入，作為車載網(wǎng)絡通信實現(xiàn)高可靠性和低時延的關鍵技術，標志著車載以太網(wǎng)技術邁向了新的發(fā)展階段。TSN技術通過精準的流量調(diào)度，確保了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸，這不僅技術成熟，而且具有顯著的成本效益，使其在多個領域成為下一代網(wǎng)絡承載技術的重要演進方向。

在汽車通信領域，隨著車載以太網(wǎng)節(jié)點的不斷增加，星形拓撲結構成為了一種重要的網(wǎng)絡結構。這種結構使得通過增加交換機的數(shù)量來擴展網(wǎng)絡變得簡單，對于ECU的頻繁變化提供了極大的靈活性。TSN交換芯片在這一過程中扮演著核心角色，它能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)有標準以太網(wǎng)交換芯片的兼容，同時增加了時間同步和輸出接口整型邏輯，有效地實現(xiàn)了TSN交換。這一進展不僅凸顯了車載以太網(wǎng)技術的快速發(fā)展，也預示著它在未來汽車通信網(wǎng)絡中的核心地位。

什么是以太網(wǎng)交換芯片？

交換芯片和物理層芯片的區(qū)別，來源：山西證券研究所

以太網(wǎng)交換設備由以太網(wǎng)交換芯片、CPU、PHY、PCB、接口/端口子系統(tǒng)等組成，其中以太網(wǎng)交換芯片和CPU為最核心部件。以太網(wǎng)交換芯片是現(xiàn)代網(wǎng)絡通信技術的關鍵組件，特別是在交換機的核心部件中發(fā)揮著至關重要的角色。它們不僅是專為網(wǎng)絡應用優(yōu)化的專用集成電路，而且還具有處理和轉(zhuǎn)發(fā)大量數(shù)據(jù)及報文的專業(yè)能力。這些芯片由接口模塊、內(nèi)容處理模塊、進出口數(shù)據(jù)包修改模塊、MMU模塊、L2和L3處理器、安全模塊等多個部分組成，每個部分協(xié)同工作以保持高效的數(shù)據(jù)處理能力。此外，以太網(wǎng)交換芯片的架構實現(xiàn)因其復雜性而顯得特別重要，內(nèi)部的邏輯通路由數(shù)百個特性集合組成，這些集合在一起，使得芯片能夠?qū)崿F(xiàn)其高性能。

以太網(wǎng)交換設備的工作原理包括數(shù)據(jù)包通過端口進入芯片后的一系列處理步驟：數(shù)據(jù)包頭字段的匹配、安全檢測、流分類、以及最終的二層交換或三層路由。經(jīng)過這一系列處理，數(shù)據(jù)包根據(jù)其優(yōu)先級或其他參數(shù)被放入不同的隊列中，等待通過調(diào)度器的調(diào)度，最終從相應的端口發(fā)送出去。這一過程不僅確保了數(shù)據(jù)的高效傳輸，還實現(xiàn)了對網(wǎng)絡流量的管理和控制。

隨著技術的發(fā)展，以太網(wǎng)交換芯片的應用領域不斷拓寬，特別是在車載網(wǎng)絡中的應用。各域控制器通過以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)信息交互成為可能。在自動駕駛技術的推動下，車載以太網(wǎng)的需求量快速增長，市場格局呈現(xiàn)高度集中的趨勢。以太網(wǎng)技術不僅用于連接動力總成、底盤控制、車身、娛樂和ADAS等核心域控制器，而且還支持高級自動駕駛功能的實現(xiàn)，這使得車載以太網(wǎng)技術的滲透率不斷提升。

以太網(wǎng)交換芯片的市場前景

中國大陸以太網(wǎng)交換芯片市場規(guī)模，來源：中汽中心

中國車載以太網(wǎng)交換芯片市場規(guī)模，來源：Mouser

全球汽車以太網(wǎng)交換芯片市場前7強生產(chǎn)商排名及市場占有率(2022年)，來源：Mouser

全球汽車以太網(wǎng)交換芯片市場正經(jīng)歷快速增長，受益于新能源汽車智能化的推進和對數(shù)據(jù)傳輸量的爆發(fā)式需求。根據(jù)Mouser提供的數(shù)據(jù)，主要生產(chǎn)商包括Broadcom、Marvell、Microchip Technology等，其中2022年，這些頂尖廠商占有了全球市場約22.0%的份額。汽車局域網(wǎng)(LAN)作為當前最主要的細分產(chǎn)品，占據(jù)了約79.1%的市場份額。

從2016年的318.5億元增長到2020年的368.0億元，全球以太網(wǎng)交換芯片市場展現(xiàn)出穩(wěn)健的增長，年均復合增長率為3.6%。預計到2025年，市場規(guī)模將達到434.0億元，展現(xiàn)3.4%的年均復合增長率。市場參與者既包括專注于商用產(chǎn)品的博通、美滿等，也有如思科、華為這樣通過自研芯片滿足自身需求的廠商。

汽車以太網(wǎng)交換芯片的市場需求隨著智能汽車技術的發(fā)展而急劇增加。未來智能汽車的以太網(wǎng)端口數(shù)量預計將從目前的約10個增加到100個以上，這為車載以太網(wǎng)芯片帶來了巨大的增長潛力。特別是在中國，預計到2025年車載以太網(wǎng)交換芯片市場規(guī)模將達到137億元，2021-2025年的年均復合增長率高達63.1%。

從需求端看，智能駕駛和智能座艙對車載以太網(wǎng)交換機芯片的需求日益增長。例如，奔馳S級車型至少配備5個以太網(wǎng)交換芯片。據(jù)中國汽車技術研究中心的數(shù)據(jù)，2021年中國大陸的市場規(guī)模為107億元，預計至2025年將達到178億元，年均復合增長率約為13.5%。

芯片的價值量也是一個重要考慮。以NXP和Ti的產(chǎn)品為例，單車的SERDES+PHY+交換芯片價值量平均約為$119，再加上網(wǎng)關芯片后，總價值量約為$179（約1250元）。到2030年，預計L4級別的車型將搭載超過100顆以太網(wǎng)芯片，屆時單車以太網(wǎng)+SERDES芯片的價值量可能達到$680（約4760元）。

?車載以太網(wǎng)交換芯片主要玩家

在全球車載以太網(wǎng)交換機市場中，雖然由幾家國外巨頭主導，但隨著車輛智能化和網(wǎng)絡化需求的增加，市場正逐漸向更廣泛的技術創(chuàng)新和供應鏈多元化發(fā)展。以下是對車載以太網(wǎng)交換機市場和相關技術企業(yè)的進一步探討。

首先，美滿電子和博通作為第一梯隊，代表了市場上對高標準以太網(wǎng)產(chǎn)品的需求。美滿電子的88Q5050芯片不僅在汽車安全性方面設立了新標準，還促進了車載網(wǎng)絡技術的進步，其與NVIDIA DRIVE Pegasus平臺的合作，標志著先進的車載以太網(wǎng)技術在自動駕駛領域的應用。博通BCM8958X系列產(chǎn)品展示了其在網(wǎng)絡帶寬和處理能力方面的技術實力，為未來汽車架構提供全面的網(wǎng)絡解決方案，強化了軟件定義車輛的發(fā)展。

第二梯隊的企業(yè)，如微芯、恩智浦和瑞昱，雖然在技術標準上不及第一梯隊，但他們通過提供特定的解決方案和優(yōu)化成本效益比來滿足市場需求。恩智浦的整體解決方案聚焦于汽車領域，瑞昱則通過高性價比滿足大眾市場的需求，展示了市場競爭中的多樣性。

第三梯隊則以中國本土企業(yè)為主，國科天迅的TAS2010芯片的成功研發(fā)和應用，標志著中國在車載以太網(wǎng)技術領域取得的重大進步。這不僅體現(xiàn)了國家集成電路產(chǎn)業(yè)自主可控戰(zhàn)略的成效，也展現(xiàn)了國內(nèi)企業(yè)在高新技術研發(fā)方面的實力和潛力。此外，TAS2010芯片在一汽紅旗E-QM5電動車上的應用，驗證了其在實際車輛中的可靠性和性能，為國產(chǎn)化車載以太網(wǎng)技術的推廣和應用開辟了新路徑。昆高新芯、物芯科技和盛科通信等企業(yè)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和以太網(wǎng)交換芯片設計方面的持續(xù)投入和創(chuàng)新，不僅增強了我國在相關技術領域的競爭力，也為行業(yè)提供了更為豐富和可靠的產(chǎn)品選擇。

車載以太網(wǎng)交換芯片部分玩家，來源：與非研究院

總結：國內(nèi)外以太網(wǎng)芯片的技術差距

國內(nèi)外以太網(wǎng)芯片參數(shù)對比，來源：各公司官網(wǎng)

隨著技術的發(fā)展，車載以太網(wǎng)芯片正朝高交換容量、多端口配置方向進化。以太網(wǎng)聯(lián)盟預測，智能汽車單車以太網(wǎng)端口將超過100個。例如，Marvell的BrightlaneQ622x系列中央汽車以太網(wǎng)交換機，專為汽車Zonal架構設計，交換容量高達90Gbps。盡管如此，與海外龍頭廠商相比，國內(nèi)在交換容量、端口速率等方面存在技術差距。目前，主要海外公司所發(fā)布的芯片產(chǎn)品的交換容量已經(jīng)達到 25.6Tbps以上。博通和英偉達在 2022 年推出了面向超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的 51.2Tbps 超高容量產(chǎn)品，美滿和思科在 2023 年發(fā)布了 51.2Tbps 的新品。這些產(chǎn)品單一端口支持最大速率均達到800G，并且采用了 7nm 及以下的芯片制程工藝。與之相比，公司已量產(chǎn)芯片產(chǎn)品在交換容量、端口速率等方面存在代際差異，最大端口速率僅達到 400G，交換容量僅2.4Tbps，而芯片制程工藝仍停留在 28nm 水平。

車載以太網(wǎng)技術的發(fā)展也面臨挑戰(zhàn)，如TSN技術雖提供高可靠性和低時延通信解決方案，但協(xié)議復雜，汽車行業(yè)缺乏應用經(jīng)驗。此外，隨著技術的深入應用，對安全性、兼容性及系統(tǒng)集成的要求提高，需要不斷創(chuàng)新和優(yōu)化技術解決方案。

總的來看，全球以太網(wǎng)交換芯片市場正處快速增長期，尤其在汽車行業(yè)，技術進步和新能源汽車發(fā)展推動高速、高性能交換芯片需求，帶來市場機遇。預計國內(nèi)本土廠商將逐漸發(fā)力高端產(chǎn)品，積極追趕國際一線梯隊的腳步。

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