隨著燃油車被電動車取代，機械連線越來越多地被電子資訊所取代，需要一個車載網路來促進通訊。針對汽車和其他時間敏感的應用而出現的乙太網似乎是首選。
但這一選擇是否已成定局？乙太網會取代所有其他的車載網路嗎？至少到目前為止，還不清楚。
Synopsys的高階市場經理Joe Mallett說：“現在對汽車乙太網是否真的會成為首選的匯流排仍有爭議。它減少了線束，無論何時減少線束都是好事。但服務質量一直是個挑戰。”
整體汽車架構會強烈影響網路的走向。Zonal架構傾向於強大的骨幹網路，乙太網似乎在這方面有優勢。但最終的選擇還未定，即使乙太網成為首選的主幹網，連線到感測器和顯示器的各種本地節點仍是一個問題。
汽車工程師協會（SAE）已經定義了A到D四個級別的網路。Rambus的安全技術產品經理Thierry Kouthon說：“A只有很少的資訊，比如開/關。B介於每秒幾百kb的速度。C會更快。而D超過1Mbps。在2000年之前的傳統汽車中，這基本上已經足夠了。”
雖然最快的網路級別是1Mbps以上，但以今天的標準來看非常慢，新的資料要求比這快3或4個數量級的網路。
始於資訊娛樂系統
車載網路的大部分工作最初是由資訊娛樂的需求驅動的。這意味著透過網路與內容源的外部連線，至少可以處理音訊和影片的需求。
雖然許多系統都有普通乙太網，但它不能處理音訊/影片（A/V）的時間敏感需求，因為時間不是確定的。Kouthon解釋說：“它有一個可怕的避免衝突的檢測機制。”這就是為乙太網開發時間敏感型網路（TSN）功能的動機。
Avnu聯盟主席、英特爾的技術營銷戰略家Greg Schlechter說：“TSN始於AVB（A/V bridging）。然後，在汽車領域，他們說，‘我們需要在將A/V用到車上’。因此，我們進行了改進。而現在工業界也開始接受它，航空業也在關注它。”
TSN指的是可以為不同的應用所選擇的一組功能。顧名思義，它涉及到在交付時間保證下交付時間敏感的流量的能力。這是基礎乙太網無法做到的，因為它是一個盡力而為的協議。
TSN功能包括流量整形、頻寬預留、減少延遲、搶佔和處理實時要求。這些都是針對車輛內不同功能的整體服務質量需求。
但是，如果乙太網在資訊娛樂系統中可以發揮作用，就出現了一種觀點，認為它也可能被用於車內其它網路。包括其他對時間敏感的控制功能，普通的乙太網可能無法處理，但帶有TSN的乙太網可以處理。
Synopsys的高階產品營銷經理John Swanson說：“當你踩下剎車時，在車輛完全停止之前還有一段時間。你不希望你孩子在玩的遊戲干擾到網路。非同步流量整形器讓你更加靈活。如果你有足夠的餘量和頻寬，TSN可以讓你保證所有的東西都能實現，而無需所有詳細的網路工程。”
TSN乙太網的汽車配置檔案已經建立，但問題仍然是這是否是整個車輛的最佳解決方案。
架構影響網路
如果乙太網要在汽車中占主導地位，它需要被用於安全關鍵的應用。這與資訊娛樂系統有很大不同，而且要複雜得多。在最高層面上，有兩種競爭性的架構，而每種架構的支持者都傾向於沿著商業產品線進行調整。
Swanson說：“人們現在正在兩個方向進行試驗。有超級計算構架，也有zonal計算構架。”
大型計算引擎的製造商們傾向於集中式計算，在這裡可以利用高階處理器的能力，將他們鎖定在這個巨大的機會中。這意味著將所有資料帶入一箇中心位置進行處理。
相比之下，zonal架構將計算分佈在各zone和一箇中央樞紐之間。一個zone指的是汽車的一個位置區域。例如，車輛的左前部分可以是一個zone。一個zone可能有各種功能，本地計算儘可能地處理這些功能。一個骨幹網路將連線各zone和中央處理器。
圖1：兩種主要的汽車網路選擇。左邊是集中式模式，所有網路端點都連線到中央處理器。右邊是zonal架構，在將結果傳遞給中央處理器之前，由本地zone處理部分處理工作。Zone內的網路仍然是一個開放的問題。
英飛凌產品營銷總監Vikram Patel說：“如果他們走zonal架構的道路，中間有高算力中央計算平臺，那麼千兆速度的乙太網主幹網可能是他們都在尋找的答案。”
這與domain構架不同，在domain構架中物理位置不再是決定因素。相反，相似的功能構成了一個domain。按domain來組織可能意味著中央計算，因為汽車中任何地方的所有共享功能都會被一起處理。
中央計算的一個好處是，它可以看到整個車輛，而一個zone只能看到該zone內的東西。因此，zonal架構意味著在zone內的本地計算和中央計算之間的分離，然後進一步集中計算將各zone結合起來。例如，一個攝像頭的處理可以在本地進行，然後將其結果被髮送到中央樞紐，在那裡所有攝像頭的結果可以被適當地合併起來。
西門子EDA自動駕駛和ADAS高階總監David Fritz說：“zonal架構成功的關鍵是一些新的橋樑。你可以從zone內的本地CAN網路到zone模組。然後再進入主網路，即汽車乙太網。”
Zonal架構的關鍵動力之一是可以減少線束。線束被證明是車輛中最重和最昂貴的部件，因此行業正採取一切可能的方法來減少或簡化連線。
如果使用星形網路配置，中央計算意味著從所有感測器到中央樞紐的“全壘打”。在zonal架構下，這些連線大部分都在zone內，只有一個連線從整個zone到中心。
Swanson說：“我相信我們將看到一種混合模式，在這種架構中，一臺超級計算機知道發生的一切，並可能驅動一切，但不同的zone做自己的事。處理一個影片並把它接入網路是一個zone可以做的事，我們不必浪費乙太網流量來發送原始影片。”
為了簡單起見，OEM希望由一個網路來做所有的事。由於乙太網涉及大量的軟體投資，儘可能地利用這種投資來提高開發效率。
英飛凌的Patel說：“一旦你在那種基於時間的domain協議上進行了投入，你同時也要對軟體進行很大的投資。因此，一些OEM發現，如果你要進入乙太網，就得all in。”
雖然乙太網可能是一個長期的選擇目標，但目前還不清楚它是否實用。
不同型別的網路通訊
這可以歸結為一個問題，即網路需求是什麼。答案是受到必須傳輸的不同型別的資料的影響。
在一種情況下，常規的網路資料和流媒體資料之間是有區別的。網路資料往往由各種不同大小的資料包組成，並出於不同的目的在網路上向多個方向移動。平均而言，它在流量方向上是對稱的，有些是來，有些是去。乙太網被廣泛認為是這種流量的自然選擇。
相比之下，由感測器發出的流資料可能沒有自然的分界線，使分組變得容易。雖然流的大塊資料可以被放入資料包，但通常是在一些任意的時間間隔內完成。此外，流量往往是高度不對稱和單向的。
Cadence汽車解決方案總監Robert Schweiger說：“你有大量的資料從感測器傳到汽車上，而你可能只需要其它反向的一點點資料來配置感測器。對於顯示器來說，情況正好相反。你有大量的資料流向顯示器，顯示各種東西。但它不需要與資料來源進行通訊。”
乙太網不被視為流資料的有效網路選擇。因為乙太網本質上是雙向的，這種後向通道容量很大程度上會被浪費掉。這可能是OEM對單一網路的渴望與實際考慮相沖突的最鮮明的例子。
還有外部資料，如V2X與當地基礎設施或資訊娛樂系統的通訊和內部資料之間的區別，後者是在內部產生和使用的。外部通訊必然是無線的，這意味著它的網路需求將不同於內部透過線束處理的資料。
Cadence的市場總監Tom Wong指出：“無線模組將透過PCIe的方式與計算機通訊。”
頻寬要求
乙太網速度並不是低級別的控制資訊傳遞所需要的。它是由資訊娛樂、ADAS和遠端資訊處理的需求所驅動的。
Fritz指出：“中央式方案的主要挑戰之一是頻寬，它可以輕易地增加到10Gbps。我們離10Gbps還有一段距離，更不用說100G了。對於汽車乙太網，目前我們的速度是1Gbps。”
但內部需求可能會超過這個數字，特別是將資料流傳到中央處理器。雷達資料不需要1G的乙太網，低速乙太網就可以。攝像頭可以用乙太網，如果增加了鐳射雷達，那麼攝像頭/鐳射雷達資料的組合就需要高速乙太網。
現在有10Gbps的PHYs，但它們很複雜，也很貴。而且它們只能作為單獨的晶片使用，而不是作為整合到SoC的IP。
Schweiger說：“從商業角度以及從將進入汽車的PHY的數量來看，將這種10-Gb乙太網PHY作為IP可能很有意思。最有可能的是，第一個版本將是外部PHY，以後可能是一個整合版本。”
然而，即使有了這樣的IP，仍然存在著散熱問題。這些驅動器會發熱，需要用散熱器。在小型純驅動晶片上安裝散熱器成本較低。如果在整個SoC的成本中加入僅用於乙太網驅動器的散熱器，則成本更高。
Cadence的Wong說：“想象一下，你把一堆高速乙太網PHY放入一個SoC中，你有5個不同的通道都在驅動20或30甚至50英尺長的線束。SoC會發熱，所以SoC的低成本封裝就別想了。你必須採用散熱器封裝。而成本上升不是因為晶片本身，是因為封裝和散熱器。”
頻寬需求可能低於10Gbps（例如2.5或5Gbps），但預計不會有專用裝置滿足這些速度。相反，人們會從1Gbps跳到10Gbps，但將時鐘撥回到所需的速率。也就是說，一箇中央架構所需頻寬甚至可能超過10Gbps，甚至超出了當今最先進的PHY晶片所能達到的頻寬。
這也是為什麼zonal架構目前最受歡迎的另一個原因。高頻寬的活動可以在本地處理，更高級別的資料（與原始資料相比自然是壓縮的）與中央處理器通訊所需的頻寬更少。
鑑於這種安排，人們（但不是普遍地）預計，乙太網將作為骨幹網路，所有的zone將用來與中央樞紐通訊。剩下的問題是在這些zone內會發生什麼，答案並不清楚。
Zonal的衝突
在一個zone內，執行著許多不同的功能。對乙太網抗拒最強的是流媒體，目前往往由基於MIPI的協議主導。雖然MIPI的D-PHY和C-PHY在手機中占主導地位，但該組織已經提出了一個序列A-PHY版本，可以處理車輛中高達15米的範圍。同時，新的ASA組織提出了一個不同的序列標準來處理汽車攝像頭和顯示器資料。目前還不清楚哪一個會佔主導地位。
可用性和多個供應源是一個重要的考慮因素。Schweiger說：“我們不希望只有一個供應商，我們希望有五個，甚至更多，這樣我們就不會遇到供應鏈問題。”
Swanson表示贊同。“許多OEM希望堅持這些標準，但他們希望標準能使他們的供應商相互競爭。”
對於速度較慢的控制相關的資訊傳遞，CAN在歷史上一直占主導地位，而且它仍然可以存在於zone內。另外，新的10-base-T1S提供了一個雙絞線多分流選項，執行速度可達10Mbps。
Swanson指出：“10-base-T1S實際上是作為CAN的替代品而設計的。對於流媒體資料來說，它的速度遠遠不夠，但對於控制來說是沒問題的。”
Kouthon指出：“當你控制舒適性功能相關的ECU時（比如讓座椅上下和向後傾斜的ECU），那就是一個開關，你不需要用乙太網來做這個，像CAN或LIN這樣的傳統網路已經足夠了。”
但如果非同步乙太網版本浮出水面，可能還有另一種選擇。Schweiger說：“有些人贊成推廣所謂的非同步乙太網通訊。所以你在一個方向上的頻寬很寬，在另一個方向上減少頻寬。”
雖然不清楚這到底是什麼，但據推測，它的好處是可以利用當前汽車乙太網的工作成果，在更大程度上統一網路。
還有規模的問題。一些人認為，汽車的介面決定是受手機的影響，而手機的銷量規模要比汽車大得多。如果攝像頭供應商只關注手機的格式（目前是MIPI），那麼這可能會壓倒Tier1或OEM可能的其他選擇。
網路安全和可靠性
網路安全問題顯然是一個問題。MacSec是一種第二層安全協議，預計將在車輛內部署，它的可用性增加了乙太網成為主要競爭者的因素。
Kouthon說：“MacSec是一種線速技術，對延遲或頻寬幾乎沒有影響。它可以用來驗證所有感測器與中央控制單元的關係，所以你會知道你收到的是否是來自車輛的真實攝像頭的資訊。你不是從一箇中間介質那裡接收的。”
但汽車上有兩個主要的資料流需要保護。一種是內部產生的流量，理論上，如果沒有某種物理連線，就不能被破壞。還有透過外部無線連線進入汽車的資料流。
無線訊號既連線到安全關鍵的V2X通訊，也連線到非關鍵的資訊娛樂流。這些流也需要在堆疊的更高級別上得到保護。
Zonal架構本身可能提供更高的安全性。Kouthon說：“如果你的zone受到閘道器的限制，就會提高安全級別。當你有分段的VLAN時，管理安全更容易，你知道誰被授權與另一個子網路通訊。”
同時，可靠性對於網路的安全關鍵方面非常重要。噪聲如果嚴重到足以破壞資訊，就會產生嚴重的影響。
Patel解釋說：“螢幕如果宕機了會很煩人，但它不是安全關鍵。如果依賴安全連線的ADAS系統傳送了錯誤的資訊或資訊被破壞，就是一場災難了。”
雖然出於成本和重量的考慮，人們強烈希望使用非遮蔽雙絞線，但車輛內的電磁干擾太大，似乎需要遮蔽雙絞線來防止噪音。
汽車乙太網互操作
改善汽車乙太網中TSN功能還有更多的工作需要去做。乙太網是一個OSI第二層協議，附著在各種PHY（第一層）選項上。對於標準的乙太網（例如用於辦公室網路）第三層通常是IP，第四層通常是TCP，但偶爾是UDP。
因此，雖然乙太網在許多應用中發揮著作用，但它只是整個網路堆疊中的一層。但是，今天的“汽車乙太網”的概念採用了第二層的概念，並將其分配給整個堆疊。事實上，隨著TSN功能的標準化，這似乎已經進入了人們的思維。
Schlechter說：“在乙太網之前，汽車領域的每一個通訊協議都是一個完整的堆疊。在汽車乙太網中，他們實際上是在談論一些傳輸的問題。”
圖2：七層OSI網路堆疊。在左邊，一個典型的桌面計算堆疊透過傳輸層顯示出來。在右邊，TSN的功能已經跨越了通常遠遠超出乙太網範圍的層。
TSN的功能是在提供系統間互操作的層面上指定的，它包括傳統上可能存在於更高層次的元素。全棧傾向於用軟體來實現上層，硬體在第一層和第二層的一部分佔主導地位。事實證明，雖然系統可以互操作，但TSN規範還沒有被設定在一個允許晶片明確互操作的水平。
Swanson說：“結果是，針對這些不同的市場提供了不同‘口味’的乙太網。有一個汽車配置檔案，一個工業配置檔案，一個服務供應商配置檔案，以及一個航空航天配置檔案。還可能有其他一些。我們也在與5G領域交談，以確保所有這些東西都能一起工作。”
Schlechter說：“然而，這與最初的乙太網不一致。這不是乙太網的工作方式。在乙太網這個詞前面真的不應該有那些東西。它只是乙太網而已。”
Schlechter繼續說：“如果晶片製造商能夠將一個晶片賣到多個市場，那麼汽車晶片的經濟效益就會顯著改善。即使你有這些不同的垂直行業在使用它，到最後，有時同一個元件可以進入這些不同的市場。”
其他人也同意。Avnu聯盟的晶片驗證任務組主席、ADI確定性乙太網技術組的營銷總監Tom Weingartner說：“今天在標準乙太網中，MAC（media access controller，位於第二層底部）就是MAC，而我們想透過TSN達到的目的只是另一個MAC。但規範並不一定會說，‘你需要這樣改變那個MAC，以便所有人的MAC都能一起工作’。”
這在很大程度上與合規性本身無關，因為這些TSN功能大多是可選的。Schlechter指出：“這就是乙太網規模經濟的方式。每當有人使用乙太網時，就會有一百種你不不見得會使用的東西。”
但是在功能存在的地方，很難比較晶片以瞭解哪些具有必要的功能和效能。因此，Avnu聯盟正在努力在一定程度上進一步指定功能，以促進或至少澄清TSN功能的不同晶片實現之間的互操作性。
Schlechter說：“有時我們只是需要一個共同的標準。”
結論
汽車網路在很大程度上仍然是一個開放的討論。它在OEM中得到了很高的重視，以至於大眾已經成立了一個部門專門處理網路問題。目前人們更傾向於乙太網為骨幹的zonal架構，儘管這還不是確定的答案，一些OEM可能會走不同的方向。
在可預見的未來，頻寬需求將繼續增長，儘管它們可能在未來某個遙遠的時刻趨於平穩。Wong說：“可能是5年，也可能是10年，但我們將達到L5。而這代表了最高的實際頻寬要求。”
在zone內，可以包含許多可能的網路。就目前而言，這種多樣性可能仍會持續。問題是它們是否會隨著時間的推移遷移到某種版本的乙太網。這不會很快發生，因為出於設計風險的考慮，變化將根據需要逐步進行。
Swanson說：“OEM絕對有興趣在一個單一的網路上進行整合，因為它使一切變得更簡單。但你不可能在一夜之間變成一個單一的網路。”
而且，乙太網在汽車中的滲透程度還需要很多年才能知道。
[參考文章]
Will Automotive Ethernet Win? — Bryon Moyer
