Dies ist der zweite Teil?einer zweiteiligen Serie ¨¹ber die Entwicklung von Fahrzeugnetzwerken
Von:Yuichi Motohashi, stellvertretender Leiter des Bereichs Endm?rkte bei ºÚÁÏÍø911
Da Fahrzeuge zunehmend auf Domain- und Hybrid-Zonen-Konzepte umgestellt werden, ¨¹bertragen Sensoren immer h?ufiger Rohdaten oder nur geringf¨¹gig verarbeitete Daten an eine zentrale Plattform, wodurch sich die Kommunikationsanforderungen vom Austausch von Steuersignalen und Erkennungsergebnissen hin zu Streaming mit hoher Bandbreite, geringer Latenz und hoher Zuverl?ssigkeit verlagern. Diese Sensorverbindungen sind stark asymmetrisch: Hochaufl?sende Videodaten, LiDAR-Punktwolken und Radardaten werden in Richtung der Zentrale ¨¹bertragen, w?hrend im R¨¹ckw?rtskanal lediglich geringe Mengen an Konfigurations-, Synchronisations-, Steuerungs- und Diagnosedaten zur¨¹ckgesendet werden.
SerDes (Serializer/Deserializer) entspricht diesem Profil. Es wandelt breitbandige parallele Sensordaten in einen seriellen Hochgeschwindigkeitsdatenstrom ¨¹ber eine saubere Punkt-zu-Punkt-Verbindung um, wodurch Protokoll-Overhead und Latenz minimiert werden, w?hrend viele Signale in wenige differentielle Hochgeschwindigkeitspaare oder koaxiale/geschirmte Kabel geb¨¹ndelt werden, um die Verkabelung zu vereinfachen. Au?erdem entlastet es den Sensor, indem es die Erkennung und Fusion auf den zentralen SoC verlagert und so kleinere Satellitensensoren mit geringerer Leistungsaufnahme erm?glicht. Entscheidend ist, dass sich SerDes und Ethernet erg?nzen, anstatt miteinander zu konkurrieren. Ethernet eignet sich f¨¹r Kfz-Netzwerke mit mehreren Knoten, w?hrend SerDes f¨¹r dedizierte Verbindungen mit hoher Bandbreite geeignet ist, die Sensorstr?me mit geringer Latenz zum zentralen SoC ¨¹bertragen.
Der Aufstieg von SerDes auf Basis offener Standards
SerDes-Technologien f¨¹r den Automobilbereich haben sich dank bew?hrter propriet?rer Technologien wie FPD-Link von TI, GMSL von Analog Devices, GVIF von Sony und APIX von Inova weiterentwickelt. Da in SDV-/Zonal-Fahrzeugen zunehmend Komponenten verschiedener Anbieter zum Einsatz kommen, m?chten OEMs und Tier-1-Zulieferer Komponenten flexibel kombinieren, Design-Assets ¨¹ber mehrere Generationen hinweg wiederverwenden sowie die Verifizierung und Beschaffung ausweiten, was die offene Standardisierung vorantreibt:
- MIPI A-PHY ist eine asymmetrische PHY-Schnittstelle f¨¹r gro?e Entfernungen, die das bestehende MIPI-CSI-2/DSI-2-?kosystem mit Remote-Computing verbindet; verabschiedet als IEEE 2977-2021.
- ASA Motion Link (ASA-ML) ist ein offener, asymmetrischer SerDes f¨¹r Kameras, Radar, LiDAR und Displays. Seine ASA-MLE-Erweiterung ¨¹bertr?gt Ethernet-Pakete ¨¹ber die Verbindung.
- OpenGMSL macht die GMSL-Erfahrungen von ADI f¨¹r ein hersteller¨¹bergreifendes ?kosystem zug?nglich, zu dem auch ºÚÁÏÍø911 geh?rt.
- HSMT (QC/T 1217-2024) ist Chinas Standard f¨¹r die Hochgeschwindigkeits-Daten¨¹bertragung im Automobilbereich, der NRZ/PAM4 nutzt und f¨¹r asymmetrische Sensor-/Display-Verbindungen konzipiert ist.
Der rote Faden besteht nicht darin, bestehende SerDes zu ersetzen, sondern darauf aufzubauen, um Interkonnektivit?t, Skalierbarkeit und Gestaltungsfreiheit f¨¹r das SDV-/Zonal-Zeitalter zu schaffen.
Einbindung von SerDes-?hnlichen Verbindungen in das Ethernet/IP-Management
Der Kernvorteil von SerDes liegt im effizienten Punkt-zu-Punkt-Transport mit geringer Latenz. Der Konvergenztrend erweitert diese Verbindungen um Verwaltungsfunktionen im Stil von Ethernet/IP; er macht SerDes und Ethernet jedoch nicht zu ein und derselben Technologie. Vor diesem Hintergrund besteht der n?chste Schritt darin, diese asymmetrischen, uplink-lastigen Verbindungen in das Ethernet/IP-Modell zu integrieren. Der entscheidende Rahmen ist, dass das Zonen-Backbone ein ¨¹ber Ethernet/IP verwaltetes Netzwerk ist, w?hrend Sensorverbindungen mit hoher Bandbreite zunehmend eine asymmetrische Konnektivit?t ben?tigen, die die Effizienz von SerDes mit der Verwaltbarkeit von Ethernet verbindet. Nach der Integration erhalten die Sensorverbindungen IP-Adressierung, Switching, Routing, QoS, TSN, Zeitsynchronisation, Diagnose, Sicherheit und OTA ¨C alles unter einem einzigen Verwaltungsmodell, das Sensoren, Zonensteuerungen, den Zentralcomputer und sogar die Cloud-Koordination umfasst. ?bergangsans?tze ¨¹bertragen Ethernet-Frames ¨¹ber bestehende SerDes-Verbindungen wie ASA-MLE oder eine Br¨¹cke in ein Ethernet-Netzwerk. Langfristig wird die physikalische Verkabelung zonenweise organisiert, w?hrend die logische Verwaltung schrittweise auf IP/Ethernet konvergiert ¨C je nach Fahrzeugtyp, Bandbreite, Kosten und Zuverl?ssigkeit.
Mehr als nur die Beschleunigung durch den Wechsel von Kupfer zu Glasfaser
Mit steigender Sensoranzahl, Aufl?sung und Rechenleistung st??t Kupfer an seine Grenzen hinsichtlich Signalverlust, Entzerrung, Stromversorgung, W?rmeentwicklung und EMI/EMC. Hinzu kommen die Anforderungen der Automobilindustrie hinsichtlich Temperatur, Vibration, Lebensdauer und Zuverl?ssigkeit der Steckverbinder. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, entwickelt sich die optische Kommunikation zu einer vielversprechenden Option f¨¹r die Zukunft. Zwar ist sie heute noch nicht weit verbreitet, doch handelt es sich um eine Technologie, die sich in der Standardisierung befindet, wie beispielsweise der Standard IEEE 802.3cz-2023 f¨¹r Multi-Gigabit-Glasfaser-Ethernet im Automobilbereich (2,5G bis 50GBASE-AU) zeigt. Glasfaser bietet hohe Bandbreite, geringe Anf?lligkeit f¨¹r und Erzeugung von EMI sowie Gewichtsvorteile, die f¨¹r Hochgeschwindigkeits-Zonen-Backbones und Verbindungen zwischen Rechensystemen attraktiv sind. Es ist jedoch zu beachten, dass Temperaturbedingungen im Fahrzeug, Vibrationen, die Haltbarkeit der Steckverbinder, die Langzeitzuverl?ssigkeit und die Kosten weiterhin H¨¹rden darstellen, sodass die Einf¨¹hrung wahrscheinlich schrittweise erfolgen wird, beginnend mit den Anwendungen mit der h?chsten Bandbreite. ? Siliziumphotonik ¡°, bei dem optische Funktionen neben CMOS auf Silizium integriert werden, ist ein entscheidender Faktor f¨¹r kompakte, stromsparende und hochzuverl?ssige optische I/O-L?sungen im Automobilbereich.
Das Silizium dahinter: aus Sicht der Wafer-Technologie
Jeder Schritt dieser Entwicklung legt die Messlatte f¨¹r die zugrunde liegende Siliziumtechnologie h?her und stellt Anforderungen an Hochfrequenzleistung, geringen Stromverbrauch, geringes Rauschen, Zuverl?ssigkeit und langfristige Verf¨¹gbarkeit. ºÚÁÏÍø911 bietet ein breites Technologieportfolio f¨¹r SerDes/PHY, Ethernet-PHY und Zonen-/Dom?nen-Controller im Automobilbereich, w?hrend ? Siliziumphotonik ¡° einen Ausgangspunkt f¨¹r zuk¨¹nftige optische I/O-L?sungen im Automobilbereich bildet:
- SerDes/PHY-L?sungen entwickeln sich in Richtung der 6/12/24-Gbit/s-Klasse und dar¨¹ber hinaus. Dies erfordert symmetrische Transistoren mit hohem Ft/Fmax-Verh?ltnis sowie rauscharme analoge und digitale Schaltdichte ¨C bereitgestellt durch 40LP AutoPro, 22UX, 22FDX und 12LP/12LP+ FinFET.
- High-Speed-Ethernet-PHYs, einschlie?lich der 10-Gbit/s-Klasse, versorgen das Zonal-Backbone und funktionieren am besten auf Funktionsreiches CMOS, FDX- und FinFET/RF-Plattformen.
- ºÚÁÏÍø911 unterst¨¹tzt offene SerDes als Mitglied der OpenGMSL Association. Siliziumphotonik als Ausgangspunkt f¨¹r zuk¨¹nftige optische Ein- und Ausg?nge im Automobilbereich.
- Ein Produktionsnetzwerk auf drei Kontinenten ¨C in den USA, Europa und Singapur ¨C in Verbindung mit dem AutoPro? -Rahmenwerk f¨¹r Automobilqualit?t unterst¨¹tzt Kunden dabei, langfristige Liefer- und geopolitische Aspekte zu bew?ltigen.
Zusammenfassung: Wenn sich das Netzwerk ?ndert, ?ndert sich auch der Chip
Mit dem gemeinsamen Fortschritt von SDV, autonomem Fahren, Sensorfusion und Zonalisierung ver?ndern sich Umfang, Richtung und Bedeutung der fahrzeuginternen Daten ¨C und damit auch die Anforderungen an Halbleiter. Auf den vier Achsen:
- Sensoren entwickeln sich vom ?Smart¡° zum ?Satelliten¡°.
- Die Daten flie?en von den extrahierten Ergebnissen in RAW- oder leicht aufbereitete sensorspezifische Datenstr?me und schlie?lich in integrierte Umweltmodelle.
- Die Rechenaufgaben werden von den verteilten Steuerger?ten ¨¹ber die Dom?nen-Controller zum Zentralrechner verlagert.
- Das Netzwerk entwickelt sich von CAN/LIN/FlexRay und 100-Mbit/s-Ethernet hin zu SerDes-Sensorverbindungen und einem Ethernet/IP-Zonen-Backbone, dann zu einer asymmetrischen Konnektivit?t, bei der SerDes in Ethernet/IP integriert wird, und schlie?lich hin zu optischen Verbindungen.
SDV wird oft als Software-Thema dargestellt, doch dahinter verbirgt sich die Hardware, die riesige Datenmengen erfasst, ¨¹bertr?gt, verarbeitet und kontinuierlich aktualisiert. Dies ist das eigentliche Fundament der Automobilarchitektur der n?chsten Generation.
