車用PCIe中繼IC：訊號的穩定高速之旅

作者 Rick Wang | 2023 年 10 月 17 日 | 全部, 汽車, 精選

這是群聯車用方案系列文章中五篇的第四篇。在本文中，我們將分享汽車架構演進下，車內網路的發展以及其所產生PCIe中繼器 IC（PCIe Repeater IC）的機會。

當論及自動駕駛技術和智慧座艙的崛起時，我們絕不能忽視汽車電子電氣架構的不斷演變。在先前的文章中，我們詳述了架構中心化趨勢如何推動了資料儲存技術的發展 – 從傳統的eMMC和UFS轉向更強大的PCIe 3.0和PCIe 4.0 SSD。同樣地，汽車內部的網路系統也經歷了一番變革，除了大家熟知的CAN（Controller Area Network）, LIN（Local Interconnect Network）, MOST （Media Oriented Systems Transport）, FlexRay和Ethernet等標準外，鑑於群聯電子在PCIe技術上的領先，我們同時關注了PCIe技術在這方面的潛在機會。除了擁有廣泛的生態系統支持外，PCIe還擁有極低的延遲、出色的擴展性、高頻寬和可靠性等優勢。這些優勢使得PCIe有機會成為汽車內部網路系統的關鍵角色，我們相信PCIe在未來汽車領域具有重大的潛力。

傳統車內網路協定的發展歷史

車內網路的發展歷程對汽車的演化至關重要，它聯接車內不同的微控制器、電子控制單元（ECU）、感測器與制動器並使它們能夠通訊和互相協作，從而實現更多的功能和提升駕駛體驗。

在車內網路的發展過程中，有幾個重要的網路協定。

CAN（Controller Area Network）

1980年代初期，CAN被發明，是汽車數據傳輸協定的開端，作為一種串行匯流排協定，讓汽車電子控制單元（ECU）和子系統能夠彼此通訊。CAN可靠且具有良好的容錯能力，時至至今日，它仍被廣泛的使用中。儘管CAN協定具有很強的功能和可靠性，但汽車製造商們認為對於汽車的每個部件都去實施CAN成本太高。

LIN（Local Interconnect Network）

2002年，LIN Consortium推出了較低成本的串行通訊協議，LIN在某些情況下是CAN的替代方案，通常它用於與車輛性能、傳輸速率與安全性關係較小的子系統。如雨刷、車窗、空調控制、座椅馬達、和門鎖等。

MOST（Media Oriented Systems Transport）

1998年，因應多媒體與娛樂的需求增加， MOST （Media Oriented Systems Transport）協定被推出，使用光纖為高品質音訊、影片的數據傳輸提供了高速傳輸的解決方案，2007年發佈的MOST150可達150Mbps。然而，隨著汽車娛樂系統對高速傳輸的需求增加，MOST逐漸被車用乙太網路給取代，重要性也逐漸下降。

FlexRay

2006年，BMW率先採用了FlexRay作為其新型的快速阻尼系統的通信協定，它的傳輸速率可以來到10Mbps，比CAN FD的5Mbps更快，並且透過冗餘設計有更高的容錯率，除此以外也有更好的實時性，因此適用於高性能的動力系統與安全應用。然而，較高的價格與複雜度使其普及率不彰，除了德系車廠在量產車上使用，其他國家非常少見。FlexRay在速度要求較高與成本敏感的應用中也逐漸被乙太網路取代。

乙太網路（Ethernet）

早在2008年，BMW便率先採用乙太網路作為外接診斷和軟體刷新的接口。然而，直到2016年，傳統車內網路協定逐漸無法滿足高速資料傳輸的使用情景，IEEE發佈了汽車乙太網路標準，包括 IEEE 802.3bw（100Base-T1）和 802.3bp（1000Base-T1），速度分別是100Mbps與1000Mbps，這些標準與過去的IT環境有所不同，進行了適應車用環境的調整，包括絞線、編碼、重量和長度等方面。隨著自動輔助駕駛技術的發展，汽車各種應用的演化，如感測器、雷達、高解析度未壓縮影像、網關、資訊娛樂系統、抬頭顯示器、高解析度螢幕以及 5G 聯網等，對車載網路的頻寬需求越來越大，超出了 CAN 匯流排（以及 LIN、FlexRay 等其他技術）所能提供的範圍，於是IEEE 更進一步在 2020 年推出了 802.3ch 標準，支援2.5Gbps、5Gbps和10Gbps的傳輸速率。

展望未來，多種協議百家爭鳴的狀況會逐漸收斂，乙太網路很顯然的在生態系、標準化、傳輸速度、擴展性脫穎而出將取代MOST與FlexRay，並成為先進汽車的必備傳輸協議。低成本的LIN會繼續存於在一些對速度與安全性不那麼要求的區域。而CAN/CAN-FD 則會在車身、動力、底盤、診斷的ECU間做為主要的通訊協定。隨著汽車電子電器架構從域控架構（Domain Architecture）轉向中心化區域架構（Centralized Zonal Architecture），我們也看見了一些變化，包括潛在的PCIe需求。

(圖一) 汽車內部網路協定的發展歷史

車內網路邁向未來的架構

以上這些車內網路標準的演進是為了滿足不斷變化的汽車行業需求和技術發展。它們的出現代表了汽車電子系統的進化，從最初的基本通訊到現在的豐富多媒體、先進輔助駕駛和高性能的實現。

其中Ethernet不只能夠滿足高速傳輸的需求，更使得中心化的架構成為可能。過去的汽車線束可能重達30公斤，並且有極其複雜的布線，然而，中心化的架構設計能夠顯著的減少車內線束的重量、降低驗證生產的資源、釋放更多的空間，圖2解釋了域控架構（Domain Architecture）與中心化區域架構（Centralized Zonal Architecture）在採用各種傳輸標準的情況，我們可以發現在邊緣端ECU數量只增不減的情況下，轉向中心化區域架構能夠大幅度的減化線束的設計 – 資料先在邊緣透過該區域的區域控制器（Zonal Controller）進行預先處理，將運算好的資料透過高速乙太網回傳給中心化的運算單元，避免了大量且繁雜的布線。

(圖二) 比較域控架構與中心化區域架構的內部網路連結

高頻寬低延遲的PCIe會在哪裡 ?

事實上，在未來的汽車架構中，高速傳輸協議除了乙太網，PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）技術也已經開始被使用了，包括PCIe WiFi晶片、GPU、SSD、晶片互聯（Chip-to-Chip）等等。PCIe是一個相當成功的技術，在伺服器、工業與消費性電子應用中被廣泛採納，他具有非常前瞻的發展規劃，每幾年標準頻寬就再往上翻一倍，目前的PCIe 5.0已經有32GT/s的速度，有多通道配置的可擴展性、數十奈秒（ns）等級的延遲更是優於Ethernet數微秒（µs）的延遲。PCIe所具有的另一個寶貴優勢就是其龐大的生態系，他已經建立了超過20年完整且成熟的生態系，市場上有無數的PCIe設備、晶片和專家讓汽車產業可以利用，2021年PCI-SIG成立的PCIe Automotive Working Group汽車工作小組正為了推廣生態系與建立規範努力著，群聯電子也是其中一員。

目前PCIe有幾種在車上可能的使用情景

(圖三) PCIe在車內網路的潛在使用情景

擴展運算處理（Scaling Compute Processing）

這是一種車內最常見的 PCIe 用例，主要是用於先進輔助駕駛域控制器、智慧座艙域控制器以及中心運算系統內部運算晶片之間的通訊，包括SoC、GPU與加速器互聯。

資料主幹網路（Data Backbone）

目前在先進的汽車主幹網路中，乙太網仍然是最主要的解決方案，尤其是自2020年以來，IEEE802.3ch標準的推出使其傳輸速率達到10Gbps，同時可以使用屏蔽式雙絞線長達15米，這大大減少了重量和線材的使用並提高傳輸速度。然而，傳統方法是將PCIe轉換為乙太網通過網路接口卡（NIC），用於實現遠距離的ECU互聯，然後在目的地ECU處再次轉換為PCIe，這樣做會喪失PCIe協議的某些優勢，包括超低延遲、可靠性保證和對DMA的支持。盡管在汽車極具挑戰性的長距離信號傳輸方面，PCIe仍然需要克服技術障礙，但隨著先進系統需求的不斷演進，PCIe在這方面的應用正逐漸受到更多關注。

資料儲存（PCIe Based Storage）

如同我們在上一篇文章中提到的，豐富的車內多媒體娛樂、先進的自動駕駛功能、事件資料紀錄器（Event Data Recorder）以及高精地圖（HD Map）等等應用都需要更快速的更大的儲存裝置，而隨著架構的集成，中心化的儲存需求浮現，這都指向了先進的PCIe SSD。PCIe SSD在系統中的淺在兩種應用如下，第一種相對單純，是用於智慧座艙中一個SoC對應到一個PCIe SSD的一對一設計，第二種是位於中心化區域架構（Centralized Zonal Architecture）中的PCIe SSD，可能是多個SoC對應到一個PCIe SSD的多對一設計。

資通訊系統連接（Connectivity: Telematic Control Unit (TCU)）

潛在的使用情景是中央網關或是資訊娛樂系統與TCU之間的連接，當然，因為架構的不同，4G/5G模組或是Wifi晶片等不一定是長距離的透過纜線連接，也可能是在相同板子上的晶片與晶片間的連接，從需求來看，算是這裡第一個和第三個例子的混和。

是的！PCIe已經開始被汽車行業所採用，世界各地的專家也聚集在PCI-SIG中的汽車工作小組針對可靠性、安全性、功能安全、溫度、雜訊、EMI、電纜長度等挑戰進行討論。其中一個群聯電子所遇到的PCIe技術問題就是複雜且充滿挑戰的車內環境所形成的訊號插入損失(Insertion Loss)與反射損失(Return Loss)，PCIe訊號中繼器IC (Signal Conditioning IC)在這裡將派上用場並解決車內PCIe的訊號問題。

PCIe Redriver / Retimer 確保高速訊號品質

隨著PCIe傳輸速度的不斷提升，面臨的訊號完整性問題也變得更加嚴峻，尤其是PCIe Gen 5 (32 GT/s)的高速傳輸現在已經被一線的汽車晶片大廠所採用，這樣高速的訊號即使在極低損耗PCB (Ultra Low Loss PCB)上都有相當的挑戰，更有一些複雜的系統設計使訊號需要經過連接器、纜線、插槽和轉接卡(AIC)等等。然而，透過在CPU主晶片和終端設備之間加上Redriver/Retimer這樣的高速傳輸介面IC，將能有效解決高速傳輸所衍生的訊號問題。

PCIe Redriver和PCIe Retimer都是用於處理PCIe訊號的IC，但在功能和應用上有些差異：

Redriver主要用於訊號增強，能夠增強PCIe訊號的強度和穩定性，補償訊號衰減，常用於較短距離的連接，如主機板內部。而Retimer不僅可以增強訊號，還能重整訊號、提供時脈並復原數據等功能。它可以在長距離連接中恢復和補償傳輸時的時序失真，確保高資料率傳輸的品質。因此， Retimer主要應用於長距離連接、對訊號完整性要求較高的應用場景，如數據中心和網路設備。

總的來說，PCIe Redriver和PCIe Retimer都具有訊號增強功能，但PCIe Retimer的功能較全面，適應性更廣泛，更適合高品質和長距離的PCIe連接應用，當然成本也相對較高。

(圖四) 比較PCIe Redriver與 Retimer

群聯電子，看得更遠，準備得更早

汽車內部網路的進一步發展，以及其電子電氣架構的轉變，是實現高階自動駕駛和豐富座艙沉浸式體驗所必需的兩個關鍵要素。過去，車輛內部網路主要使用CAN、LIN、MOST和FLEXRAY等協議，但現在更多先進、有著大量資料傳輸的設計已轉向乙太網，甚至開始探索PCIe的應用。儘管PCIe目前的使用相對較少，但它具有許多優勢，並在晶片互聯、資料儲存等領域發揮著重要作用，受到業界的廣泛關注。然而，高速傳輸過程中常常出現訊號損失的問題，這時就需要使用PCIe Redriver / Retimer來解決。

以Redriver來說，群聯電子的PS7101是全球首款PCI-SIG認證的PCIe 5.0 Redriver IC，同系列PCIe5.0的方案還包括8-Channel的PS7102與16-Lane的PS7103，並且Redriver系列產品在主機板上的市占超過全球60%，；以Retimer來說，群聯電子的PCIe 5.0 Retimer – PS7201 已經在送樣階段，並預計在2024年量產。至於車用的需求，儘管相關技術與市場都還在發展初期，但群聯電子也已經與相關的汽車客戶展開合作，共商車內PCIe網路的訊號解決方案，此外，群聯電子還規劃車規等級的PCIe Redriver/Retimer，以應對未來汽車PCIe技術的發展，並為接下來的挑戰與機會做好準備。