Der Automotive PCIe Repeater – Eine Hochgeschwindigkeitsreise stabiler Signale

Author Rick Wang | 17. Oktober 2023 | Alle, Automobil, Hervorgehoben

Dies ist der vierte Artikel einer fünfteiligen Serie über Automobiltechnologien. In dieser Folge wird die Entwicklung des bordeigenen Netzwerks (In-Vehicle Network, IVN) im Zusammenhang mit der fortschreitenden automobilen elektrisch-elektronischen (E/E-) Architektur und die Möglichkeiten von integrierten PCIe-Repeater-ICs erörtert.

Bei der Diskussion über die Emergenz von Technologien für autonomes Fahren und des intelligente Cockpits dürfen wir die Evolution der automobilen elektrisch-elektronischen Architektur nicht übersehen. Im vorherigen Artikel haben wir erläutert, dass der Wandel hin zu einer zentralisierten Architektur die Entwicklung der Datenspeichertechnologie vorangetrieben hat – und zwar von herkömmlichen eMMC- und UFS-Flash-Speichern hin zu leistungsfähigeren Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) 3.0- und PCIe 4.0-SSDs. Auch die bordeigenen Netzwerke haben eine Evolution durchlaufen. Neben bekannten Standards wie CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network), MOST (Media-Oriented Systems Transport), FlexRay und Ethernet richtet Phison, angesichts der führenden Position in der PCIe-Technologie, sein Augenmerk auch auf die potenziellen Möglichkeiten der PCIe-Schnittstelle.

Über die umfassende Ökosystemunterstützung hinaus bietet PCIe außergewöhnlich geringe Latenzzeiten, hervorragende Skalierbarkeit, hohe Bandbreite und Zuverlässigkeit. Diese Vorteile machen PCIe zu einem potenziellen Schlüsselspieler bei fahrzeuginternen Netzwerksystemen. Phison ist der Überzeugung, dass PCIe ein signifikantes Potenzial für die Zukunft der Automobilbranche birgt.

Die Geschichte traditioneller fahrzeuginterner Protokolle

Die Entwicklung der IVN-Protokolle hat eine entscheidende Rolle in der Evolution von Automobilen gespielt. Die IVNs verbinden verschiedene Mikrocontroller, elektronische Steuergeräte (ECUs), Sensoren und Aktuatoren im Fahrzeug und ermöglichen deren Kommunikation und Zusammenarbeit, wodurch die Funktionalität gefördert und das Fahrerlebnis verbessert werden.

Zu den wichtigen IVN-Protokollen gehören:

CAN（Controller Area Network）

CAN wurde in den frühen 1980er Jahren erfunden und markierte den Beginn der Datenübertragungsprotokolle für Kraftfahrzeuge. Als serielles Busprotokoll ermöglichte CAN die Kommunikation zwischen ECUs und Subsystemen in Fahrzeugen. CAN zeichnet sich durch Zuverlässigkeit und robuste Fehlertoleranz aus und wird auch heute noch weit verbreitet eingesetzt. Allerdings stellten Automobilhersteller fest, dass die Implementierung von CAN für jedes Bauteil in einem Fahrzeug trotz seiner starken Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit viel zu kostspielig sein kann.

LIN（Local Interconnect Network）

Im Jahr 2002 führte das LIN-Konsortium ein kostengünstiges serielles Kommunikationsprotokoll ein. LIN dient in bestimmten Szenarien als Alternative zu CAN und wird typischerweise für Subsysteme in Fahrzeugen verwendet, bei denen Leistung, Datenbandbreite und Sicherheit weniger kritisch sind. Diese Subsysteme umfassen Funktionen wie Scheibenwischer, Fenster, Klimaanlage, Sitzmotoren, Türverriegelungen usw.

MOST（Media-Oriented Systems Transport）

Im Jahr 1998 wurde als Reaktion auf die steigende Nachfrage nach Multimedia und Unterhaltung das MOST-Protokoll eingeführt. Es bot eine Hochgeschwindigkeitslösung zur Übertragung von hochwertigen Audio- und Videodaten über optische Fasern. MOST150, welches im Jahr 2007 eingeführt wurde, erreichte sogar Geschwindigkeiten von bis zu 150 Mbps. Als jedoch Unterhaltungssysteme im Automobilbereich zunehmend an höheren Bandbreite erforderten, wich MOST nach und nach dem Automotiven Ethernet, wodurch dessen Bedeutung im Laufe der Zeit abnahm.

FlexRay

Im Jahr 2006 war BMW Vorreiter bei der Verwendung von FlexRay als Kommunikationsprotokoll für sein neues schnell adaptives Dämpfungssystem. FlexRay unterstützt Datenraten von bis zu 10 Mbit/s, schneller als die 5 Mbit/s von CAN FD, und bietet durch redundante Designs und verbesserte Echtzeitfähigkeiten eine höhere Fehlertoleranz. Dadurch eignete es sich gut für Hochleistungsantriebssysteme und Sicherheitsanwendungen. Die höheren Kosten und die Komplexität schränkten jedoch seine Beliebtheit ein und nur deutsche Automobilhersteller verwendeten es in Serienfahrzeugen. FlexRay wird nun auch in Anwendungen, bei denen hohe Geschwindigkeitsanforderungen und Kostenempfindlichkeit im Vordergrund stehen, nach und nach durch Ethernet ersetzt.

Ethernet

Bereits 2008 war BMW Vorreiter bei der Einführung von Ethernet als Schnittstelle für externe Diagnoses und Software-Updates. Allerdings erwiesen sich die herkömmlichen IVN-Protokolle erst 2016 allmählich als unzureichend für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungsszenarien. Als Reaktion auf diesen Bedarf führte IEEE Standards für Automotive Ethernet ein, darunter IEEE 802.3bw (100Base-T1) und 802.3bp (1000Base-T1), mit Geschwindigkeiten von jeweils 100 Mbit/s bzw. 1000 Mbit/s. Diese Standards wurden für Automobilumgebungen angepasst und berücksichtigten Faktoren wie Verkabelung, Kodierung, Gewicht und Länge, die sich von der traditionellen IT-Umgebung unterschieden.

Mit der Entwicklung fortschrittlicher Technologien für Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und der Entwicklung verschiedener Automobilanwendungen wie Sensoren, Radar, hochauflösende unkomprimierte Videos, zentrale Gateways, Infotainmentsysteme, Head-up-Displays, hochauflösende Bildschirme und 5G-Konnektivität, sind die Bandbreitenanforderungen für IVNs weiterhin gestiegen. Diese Anforderungen überstiegen das, was der CAN-Bus (sowie LIN, FlexRay und andere Technologien) bieten konnte. Aus diesem Grund führte IEEE im Jahr 2020 den 802.3ch-Standard ein, der Datenraten von 2,5 Gbit/s, 5 Gbit/s und 10 Gbit/s unterstützt, um diesen wachsenden Anforderungen gerecht zu werden.

In der Zukunft wird erwartet, dass die Wettbewerbslandschaft der verschiedenen Protokollen allmählich zusammenwächst. Ethernet, mit seinen klaren Vorteilen in Bezug auf Ökosystem, Standardisierung, Bandbreite und Skalierbarkeit, wird voraussichtlich MOST, FlexRay und einige CAN-Implementierungen ersetzen und zum wesentlichen IVN-Protokoll für moderne Fahrzeuge werden. Kostengünstiges LIN wird weiterhin in den Bereichen präsent sein, in denen die Anforderungen an Geschwindigkeit und Sicherheit weniger kritisch sind. Unterdessen werden CAN und CAN-FD das primäre Kommunikationsprotokoll zwischen Steuergeräten (ECUs) für Karosserie, Antrieb, Fahrwerk und Diagnose bleiben.

Während die elektrisch-elektronische Architektur in der Automobilinsudtrie von einer domänenbasierten Architektur zu einer zentralisierten Zonenarchitektur übergeht, erlebt die Branche auch einige Veränderungen, einschließlich des potenziellen Bedarfs an PCIe.

(Abbildung 1) Zeitleiste der Entwicklung fahrzeuginterner Protokolle

Die zukünftige Architektur des In-Vehicle Networks (IVN)

Die Entwicklung dieser IVN-Standards wird durch die ständig wechselnden Anforderungen und technologischen Fortschritte in der Automobilindustrie vorangetrieben. Ihre Entstehung stellt die Entwicklung elektronischer Automobilsysteme dar, angefangen von grundlegender Kommunikation bis hin zur Realisierung umfassender Multimedia-, ADAS- und Hochleistungsfunktionen.

Ethernet erfüllt nicht nur die Anforderungen an hohe Datenraten, sondern ermöglicht auch die Möglichkeit einer zentralisierten Architektur. In der Vergangenheit konnten Kfz-Kabelbäume bis zu 30 kg wiegen und äußerst complex sein. Ein zentralisiertes Architekturdesign kann hingegen das Gewicht deutlich reduzieren, den Ressourcenbedarf für Validierung und Produktion verringern und mehr Platz freigeben. Abbildung 2 veranschaulicht das Szenario der Einführung verschiedener IVN-Standards in der Domänenarchitektur und der zentralisierten Zonenarchitektur. Es ist zu erkennen, dass mit der steigenden Anzahl von Edge-ECUs der Übergang zu einer zentralisierten Zonenarchitektur das Design des Kabelbaums erheblich vereinfachen kann. Daten werden am Rand über den Zonencontroller vorverarbeitet und die berechneten Daten werden über Hochgeschwindigkeits-Ethernet zurück an die zentrale Recheneinheit übertragen, was umfangreiche und komplizierte Verkabelung überflüssig macht. Ethernet erfüllt nicht nur die Anforderungen hoher Datenraten, sondern ermöglicht auch die Möglichkeit einer zentralisierten Architektur. In der Vergangenheit konnten Kfz-Kabelbäume bis zu 30 kg wiegen und sind äußerst komplex. Ein zentralisiertes Architekturdesign kann jedoch das Gewicht deutlich reduzieren, den Ressourcenbedarf für Validierung und Produktion senken und mehr Platz freigeben. Abbildung 2 veranschaulicht das Szenario der Einführung verschiedener IVN-Standards in der Domänenarchitektur und der zentralisierten Zonenarchitektur. Es ist zu beobachten, dass der Übergang zu einer zentralisierten Zonenarchitektur angesichts der zunehmenden Anzahl von Edge-ECUs das Kabelbaumdesign erheblich vereinfachen kann. Die Daten werden am Rande durch den Zonencontroller vorverarbeitet und die berechneten Daten werden über Hochgeschwindigkeits-Ethernet zurück an die zentrale Recheneinheit übertragen, wodurch eine umfangreiche und komplizierte Verkabelung entfällt.

(Abbildung 2) Vergleich zwischen Domänenarchitektur IVN und zonaler Architektur IVN

Wo ist PCIe mit hoher Übertragungsrate und geringer Latenz anzufinden?

Tatsächlich wird die PCIe-Technologie bereits in Automobilsystemen eingesetzt, darunter PCIe-WLAN-Chips, GPUs, SSDs, Chip-zu-Chip-Verbindungen und vielen mehr. PCIe ist eine äußerst erfolgreiche Technologie, die weit verbreitet in Servern, Industrie- und Unterhaltungslektronikanwendungen eingesetzt wird. Es hat eine zukunftsorientierte Entwicklungs-Roadmap, bei der sich die Standard-Bandbreite alle paar Jahre verdoppelt. PCIe 5.0 bietet mit einer Datenübertragungsrate von 32 GT/s pro Lane eine hervorragende Skalierbarkeit bei Multi-Lane-Konfigurationen und eine Latenz im Bereich von mehreren zehn Nanosekunden (ns), die die Latenz von Ethernet übertrifft, die in Mikrosekunden (µs) gemessen wird.

Ein weiterer wertvoller Vorteil von PCIe ist sein umfangreiches Ökosystem. In den letzten 20 Jahren hat PCIe ein umfassendes und ausgereiftes Ökosystemmit mit einer Vielzahl von PCIe-Geräten, Chips und Experten auf dem Markt aufgebaut. Phison ist Mitglied der PCIe Automotive Working Group, die 2021 von PCIe-SIG gegründet wurde und aktiv daran arbeitet, das Ökosystem zu fördern und Standards speziell für die Automobilindustrie zu etablieren.

Derzeit gibt es mehrere mögliche Anwendungen für PCIe im Fahrzeug:

(Abbildung 3) Mögliche Anwendungen für PCIe in Fahrzeugen

Skalierung der Rechenverarbeitung

Dies ist der häufigste Anwendungsfall von PCIe in Fahrzeugen und wird hauptsächlich in Domänencontrollern für erweiterte Fahrerassistenz, Cockpit-Domänencontrollern und der Interchip-Kommunikation innerhalb des zentralen Computersystems verwendet, einschließlich der Verbindung zwischen Systems-on-a-Chip (SoCs), GPUs und Beschleunigern.

Datenrückgrat

Derzeit ist Ethernet nach wie vor die primäre Lösung in fortschrittlichen Rückgratsystemen in der Automobilindustrie, insbesondere seit der Einführung des IEEE 802.3ch-Standards im Jahr 2020, der Datenraten von bis zu 10 Gbps und die Verwendung von abgeschirmten Twisted-Pair-Kabeln (STP) mit einer Länge von bis zu 15 Metern ermöglicht. Dies reduziert das Gewicht erheblich und verbessert die Datenübertragungsgeschwindigkeit. Allerdings erfolgt der traditionelle Ansatz, PCIe in Ethernet über eine Netzwerkkarte (NIC) für die Interkonnektivität von Steuergeräten auf lange Distanz zu konvertieren und dann am Ziel-ECU zurück in PCIe zu konvertieren. Bei diesem Ansatz gehen bestimmte Vorteile des PCIe-Protokolls verloren, darunter extrem niedrige Latenz, Zuverlässigkeitsgarantien und Unterstützung für den direkten Speicherzugriff (DMA). Obwohl PCIe nach wie vor technische Herausforderungen bei der Übertragung von Signalen auf lange Distanz in Fahrzeugen gegenübersteht, gewinnt es allmählich mehr Aufmerksamkeit, da sich die Anforderungen an fortschrittliche Systeme weiterentwickeln."

PCIe-basierte Speicherlösungen

Wie bereits in unserem vorherigen Artikel erwähnt, erfordert die Fülle von Multimedia im Fahrzeug, ADAS, Ereignisdatenrekorder (EDR), hochauflösende Karten und andere Anwendungen schnellere und größere Speichergeräte. Mit der Konsolidierung von Architekturen besteht ein wachsender Bedarf an zentralisiertem Speicher, der auf fortschrittliche PCIe-SSDs hinweist. Es gibt zwei potenzielle Anwendungen für PCIe-SSDs im System. Die erste Anwendung ist vergleichsweise einfach, bei der ein SoC einer PCIe-SSD entspricht, was in intelligenten Cockpitsystemen häufig vorkommt. Die zweite Anwendung umfasst PCIe-SSDs in einer zentralisierten Zonenarchitektur, bei der mehrere SoCs einer PCIe-SSD in einem Verhältnis von vielen zu einem entsprechen."

Konnektivität in der Telematiksteuerungseinheit (TCU)

Ein potenzieller Anwendungsfall ist die Verbindung zwischen der TCU und dem zentralen Gateway oder dem Infotainmentsystem. Aufgrund unterschiedlicher Architekturdesigns erfolgt die Verbindung zwischen dem 4G/5G-Modul oder dem Wi-Fi-Chip möglicherweise nicht unbedingt über Langstreckenkabelverbindungen. Es könnte sich auch um die Verbindung zwischen Chips auf derselben Platine handeln. Aus Anwendungssicht kann dies als Hybrid zwischen dem ersten und dem dritten genannten Anwendungsfall betrachtet werden.

Ja, PCIe wurde von der Automobilindustrie übernommen, und Experten aus der ganzen Welt haben sich in der Automotive Workgroup von PCI-SIG versammelt, um Herausforderungen wie Zuverlässigkeit, Sicherheit, Funktionssicherheit, thermische Aspekte, Störungen, elektromagnetische Verträglichkeit (EMI), Kabellängen und mehr zu diskutieren. Eines der Probleme bei der PCIe-Technologie sind die durch die komplexe und anspruchsvolle Umgebung im Fahrzeug verursachten Signalverluste und Rückflussdämpfungen. PCIe-Signalverarbeitungs-ICs spielen eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung dieser Signalprobleme.

PCIe-Redriver/Retimer gewährleisten hochwertige Signale.

Mit der kontinuierlichen Verbesserung der PCIe-Übertragungsraten sind Signalintegritätsprobleme besonders schwerwiegender geworden, insbesondere mit der Einführung von PCIe Gen 5 (32 GT/s) durch führende Automobilchip-Hersteller. Selbst auf Leiterplatten mit extrem geringem Verlust stellen Hochgeschwindigkeitssignale erhebliche Herausforderungen dar. Darüber hinaus erfordern komplexe Systemdesigns oft, dass Signale durch Steckverbinder, Kabel, Steckplätze und Add-In-Karten (AICs) geleitet werden. Durch die Integration von ICs wie Redriver/Retimer zwischen CPU-Chips und Endgeräten können Signalintegritätsprobleme im Zusammenhang mit Hochgeschwindigkeitsübertragungen effektiv gelöst werden."

PCIe Redriver und PCIe Retimer sind beide ICs, die zur Verarbeitung von PCIe-Signalen verwendet werden, sie weisen jedoch einige Unterschiede in Bezug auf Funktionalität und Anwendung auf:

Redriver-ICs werden hauptsächlich zur Signalverstärkung verwendet, um Signalabschwächung auszugleichen. Sie werden in der Regel für Verbindungen auf kurze Distanz verwendet, beispielsweise innerhalb von Motherboards. Auf der anderen Seite verstärken Retimer-ICs nicht nur Signale, sondern stellen auch die Daten wieder her, liefern Taktinformationen und übertragen eine frische Kopie der Daten. Sie können Sequenzverzerrungen bei Übertragungen über lange Distanzen wiederherstellen und ausgleichen und somit eine hohe Datenübertragungsqualität sicherstellen. Daher werden Retimer-ICs hauptsächlich in Verbindungen über weite Distanzen und Anwendungen eingesetzt, die eine höhere Signalintegrität erfordern, wie z.B. Rechenzentren und Netzwerkgeräte.

Zusammenfassend haben sowohl PCIe Redriver als auch PCIe Retimer die Fähigkeit zur Signalverarbeitung, wobei PCIe Retimer über eine umfassendere Funktionalität und eine breitere Anpassungsfähigkeit verfügt. Er eignet sich besser für qualitativ hochwertige und weitreichende PCIe-Verbindungsanwendungen, auch wenn dies mit höheren Kosten verbunden sein kann.

(Abbildung 4) Vergleich von Redriver- und Retimer-ICs

Phison: Weitblick und rechtzeitige Vorbereitung

Die Entwicklung von IVN und E/E-Architekturen sind zwei entscheidende Elemente, die für die moderne Fahrerfahrung unerlässlich sind. In der Vergangenheit verließ sich IVN hauptsächlich auf Protokolle wie CAN, LIN, MOST und FlexRay. Fortschrittliche Designs mit umfangreichen Anforderungen an die Datenübertragung haben sich jedoch in Richtung Ethernet verschoben, und es wird sogar die Nutzung von PCIe erforscht. Obwohl der derzeitige Einsatz von PCIe relativ begrenzt ist, hat es viele Vorteile und spielt eine wichtige Rolle bei der Chip-zu-Chip-Verbindung und Datenspeicherung, was es zum Gegenstand umfangreicher branchenaufmerksamkeit macht. Allerdings treten oft Signalverlustprobleme während der Hochgeschwindigkeitsübertragung auf, die den Einsatz von PCIe Redriver/Retimer-ICs erfordern, um sie zu bewältigen."

Phisons Redriver-IC PS7101 ist der weltweit erste PCIe 5.0 Redriver-IC, das von PCI-SIG zertifiziert wurde, und die Lösungspalette von PS7101, dem 8-Kanal-PS7102 und dem 16-Lane-PS7103 hat einen Marktanteil von über 60% bei Motherboards erreicht. Phisons PCIe 5.0 Retimer PS7201 befindet sich derzeit in der Sampling-Phase und wird voraussichtlich 2024 in die Massenproduktion gehen. Obwohl sich die entsprechende Technologie und der Markt in der Automobilindustrie noch in den Kinderschuhen befinden, hat Phison bereits mit Automobilpartnern zusammengearbeitet, um PCIe-Signallösungen für IVNs zu erkunden. Darüber hinaus hat Phison Pläne für automotive PCIe-Redriver/Retimer-Lösungen vorgestellt, um auf die zukünftige Entwicklung der automobilen PCIe-Technologie vorbereitet zu sein und auf kommende Herausforderungen und Chancen vorbereitet zu sein."