车载PCIe中继IC：信号的稳定高速之旅

作者 Rick Wang | 2023年10月17日 | 全部, 汽车, 精选

这是群联车用方案系列文章中五篇的第四篇。在本文中，我们将分享汽车架构演进下，车内网络的发展以及其所产生PCIe中继 IC（PCIe Repeater IC）的机会。

当论及自动驾驶技术和智能座舱的崛起时，我们绝不能忽视汽车电子电气架构的不断演变。在先前的文章中，我们详述了架构中心化趋势如何推动了数据储存技术的发展 – 从传统的eMMC和UFS转向更强大的PCIe 3.0和PCIe 4.0 SSD。同样地，汽车内部的网络系统也经历了一番变革，除了大家熟知的CAN（Controller Area Network）, LIN（Local Interconnect Network）, MOST （Media Oriented Systems Transport）, FlexRay和Ethernet等标准外，鉴于群联电子在PCIe技术上的领先，我们同时关注了PCIe技术在这方面的潜在机会。除了拥有广泛的生态系统支持外，PCIe还拥有极低的延迟、出色的扩展性、高带宽和可靠性等优势。这些优势使得PCIe有机会成为汽车内部网络系统的关键角色，我们相信PCIe在未来汽车领域具有重大的潜力。

传统车内网络协议的发展历史

车内网络的发展历程对汽车的演化至关重要，它联接车内不同的微控制器、电子控制单元（ECU）、传感器与制动器并使它们能够通信和互相协作，从而实现更多的功能和提升驾驶体验。

在车内网络的发展过程中，有几个重要的网络协议。

CAN（Controller Area Network）

1980年代初期，CAN被发明，是汽车数据传输协议的开端，作为一种串行总线协议，让汽车电子控制单元（ECU）和子系统能够彼此通信。CAN可靠且具有良好的容错能力，时至至今日，它仍被广泛的使用中。尽管CAN协议具有很强的功能和可靠性，但汽车制造商们认为对于汽车的每个部件都去实施CAN成本太高。

LIN（Local Interconnect Network）

2002年，LIN Consortium推出了较低成本的串行通信协议，LIN在某些情况下是CAN的替代方案，通常它用于与车辆性能、传输速率与安全性关系较小的子系统。如雨刷、车窗、空调控制、座椅马达、和门锁等。

MOST（Media Oriented Systems Transport）

1998年，因应多媒体与娱乐的需求增加， MOST （Media Oriented Systems Transport）协议被推出，使用光纤为高质量音频、影片的数据传输提供了高速传输的解决方案，2007年发布的MOST150可达150Mbps。然而，随着汽车娱乐系统对高速传输的需求增加，MOST逐渐被车用以太网络给取代，重要性也逐渐下降。

FlexRay

2006年，BMW率先采用了FlexRay作为其新型的快速阻尼系统的通信协议，它的传输速率可以来到10Mbps，比CAN FD的5Mbps更快，并且透过冗余设计有更高的容错率，除此以外也有更好的实时性，因此适用于高性能的动力系统与安全应用。然而，较高的价格与复杂度使其普及率不彰，除了德系车厂在量产车上使用，其他国家非常少见。FlexRay在速度要求较高与成本敏感的应用中也逐渐被以太网络取代。

以太网络（Ethernet）

早在2008年，BMW便率先采用以太网络作为外接诊断和软件刷新的接口。然而，直到2016年，传统车内网络协议逐渐无法满足高速数据传输的使用情景，IEEE发布了汽车以太网络标准，包括 IEEE 802.3bw（100Base-T1）和 802.3bp（1000Base-T1），速度分别是100Mbps与1000Mbps，这些标准与过去的IT环境有所不同，进行了适应车用环境的调整，包括绞线、编码、重量和长度等方面。随着自动辅助驾驶技术的发展，汽车各种应用的演化，如传感器、雷达、高分辨率未压缩影像、网关、信息娱乐系统、抬头显示器、高分辨率屏幕以及 5G 联网等，对车载网络的带宽需求越来越大，超出了 CAN 总线（以及 LIN、FlexRay 等其他技术）所能提供的范围，于是IEEE 更进一步在 2020 年推出了 802.3ch 标准，支持2.5Gbps、5Gbps和10Gbps的传输速率。

展望未来，多种协议百家争鸣的状况会逐渐收敛，以太网络很显然的在生态系、标准化、传输速度、扩展性脱颖而出将取代MOST与FlexRay，并成为先进汽车的必备传输协议。低成本的LIN会继续存于在一些对速度与安全性不那么要求的区域。而CAN/CAN-FD 则会在车身、动力、底盘、诊断的ECU间做为主要的通信协议。随着汽车电子电器架构从域控架构（Domain Architecture）转向中心化区域架构（Centralized Zonal Architecture），我们也看见了一些变化，包括潜在的PCIe需求。

(图一) 汽车内部网络协议的发展历史

车内网络迈向未来的架构

以上这些车内网络标准的演进是为了满足不断变化的汽车行业需求和技术发展。它们的出现代表了汽车电子系统的进化，从最初的基本通信到现在的丰富多媒体、先进辅助驾驶和高性能的实现。

其中Ethernet不只能够满足高速传输的需求，更使得中心化的架构成为可能。过去的汽车线束可能重达30公斤，并且有极其复杂的布线，然而，中心化的架构设计能够显着的减少车内线束的重量、降低验证生产的资源、释放更多的空间，图2解释了域控架构（Domain Architecture）与中心化区域架构（Centralized Zonal Architecture）在采用各种传输标准的情况，我们可以发现在边缘端ECU数量只增不减的情况下，转向中心化区域架构能够大幅度的减化线束的设计 – 数据先在边缘透过该区域的区域控制器（Zonal Controller）进行预先处理，将运算好的数据透过高速以太网回传给中心化的运算单元，避免了大量且繁杂的布线。

(图二) 比较域控架构与中心化区域架构的内部网络链接

高带宽低延迟的PCIe会在哪里 ?

事实上，在未来的汽车架构中，高速传输协议除了以太网，PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）技术也已经开始被使用了，包括PCIe WiFi芯片、GPU、SSD、芯片互联（Chip-to-Chip）等等。PCIe是一个相当成功的技术，在服务器、工业与消费性电子应用中被广泛采纳，他具有非常前瞻的发展规划，每几年标准带宽就再往上翻一倍，目前的PCIe 5.0已经有32GT/s的速度，有多信道配置的可扩展性、数十奈秒（ns）等级的延迟更是优于Ethernet数微秒（µs）的延迟。PCIe所具有的另一个宝贵优势就是其庞大的生态系，他已经建立了超过20年完整且成熟的生态系，市场上有无数的PCIe设备、芯片和专家让汽车产业可以利用，2021年PCI-SIG成立的PCIe Automotive Working Group汽车工作小组正为了推广生态系与建立规范努力着，群联电子也是其中一员。

目前PCIe有几种在车上可能的使用情景

(图三) PCIe在车内网络的潜在使用情景

扩展运算处理（Scaling Compute Processing）

这是一种车内最常见的 PCIe 用例，主要是用于先进辅助驾驶域控制器、智能座舱域控制器以及中心运算系统内部运算芯片之间的通信，包括SoC、GPU与加速器互联。

数据主干网络（Data Backbone）

目前在先进的汽车主干网络中，以太网仍然是最主要的解决方案，尤其是自2020年以来，IEEE802.3ch标准的推出使其传输速率达到10Gbps，同时可以使用屏蔽式双绞线长达15米，这大大减少了重量和线材的使用并提高传输速度。然而，传统方法是将PCIe转换为以太网通过网络接口卡（NIC），用于实现远距离的ECU互联，然后在目的地ECU处再次转换为PCIe，这样做会丧失PCIe协议的某些优势，包括超低延迟、可靠性保证和对DMA的支持。尽管在汽车极具挑战性的长距离信号传输方面，PCIe仍然需要克服技术障碍，但随着先进系统需求的不断演进，PCIe在这方面的应用正逐渐受到更多关注。

数据储存（PCIe Based Storage）

如同我们在上一篇文章中提到的，丰富的车内多媒体娱乐、先进的自动驾驶功能、事件数据纪录器（Event Data Recorder）以及高精地图（HD Map）等等应用都需要更快速的更大的储存装置，而随着架构的集成，中心化的储存需求浮现，这都指向了先进的PCIe SSD。PCIe SSD在系统中的浅在两种应用如下，第一种相对单纯，是用于智能座舱中一个SoC对应到一个PCIe SSD的一对一设计，第二种是位于中心化区域架构（Centralized Zonal Architecture）中的PCIe SSD，可能是多个SoC对应到一个PCIe SSD的多对一设计。

资通信系统连接（Connectivity: Telematic Control Unit (TCU)）

潜在的使用情景是中央网关或是信息娱乐系统与TCU之间的连接，当然，因为架构的不同，4G/5G模块或是Wifi芯片等不一定是长距离的透过缆线连接，也可能是在相同板子上的芯片与芯片间的连接，从需求来看，算是这里第一个和第三个例子的混和。

是的！PCIe已经开始被汽车行业所采用，世界各地的专家也聚集在PCI-SIG中的汽车工作小组针对可靠性、安全性、功能安全、温度、噪声、EMI、电缆长度等挑战进行讨论。其中一个群联电子所遇到的PCIe技术问题就是复杂且充满挑战的车内环境所形成的信號插入损失(Insertion Loss)与反射损失(Return Loss)，PCIe信号中继器IC (Signal Conditioning IC)在这里将派上用场并解决车内PCIe的信號问题。

PCIe Redriver / Retimer 确保高速信號质量

随着PCIe传输速度的不断提升，面临的信號完整性问题也变得更加严峻，尤其是PCIe Gen 5 (32 GT/s)的高速传输现在已经被一线的汽车芯片大厂所采用，这样高速的信號即使在极低损耗PCB (Ultra Low Loss PCB)上都有相当的挑战，更有一些复杂的系统设计使信號需要经过连接器、缆线、插槽和转接卡(AIC)等等。然而，透过在CPU主芯片和终端设备之间加上Redriver/Retimer这样的高速传输接口IC，将能有效解决高速传输所衍生的信號问题。

PCIe Redriver和PCIe Retimer都是用于处理PCIe信號的IC，但在功能和应用上有些差异：

转接驱动器 IC 主要用于信号增强、信号衰减补偿。它们通常用于短距离连接，例如主板内。另一方面，重定时器 IC 不仅可以增强信号，还可以恢复数据、提供时钟并重新传输数据的新副本。它们可以恢复和补偿长距离传输过程中的序列失真，确保高数据速率传输质量。因此，重定时器IC主要用于长距离连接和需要更高信号完整性的应用，例如数据中心和网络设备。

总的来说，PCIe Redriver和PCIe Retimer都具有信號增强功能，但PCIe Retimer的功能较全面，适应性更广泛，更适合高质量和长距离的PCIe连接应用，当然成本也相对较高。

(图四) 比较PCIe Redriver与 Retimer

群联电子，看得更远，准备得更早

汽车内部网络的进一步发展，以及其电子电气架构的转变，是实现高阶自动驾驶和丰富座舱沉浸式体验所必需的两个关键要素。过去，车辆内部网络主要使用CAN、LIN、MOST和FLEXRAY等协议，但现在更多先进、有着大量数据传输的设计已转向以太网，甚至开始探索PCIe的应用。尽管PCIe目前的使用相对较少，但它具有许多优势，并在芯片互联、数据储存等领域发挥着重要作用，受到业界的广泛关注。然而，高速传输过程中常常出现信號损失的问题，这时就需要使用PCIe Redriver / Retimer来解决。

以Redriver来说，群联电子的PS7101是全球首款PCI-SIG认证的PCIe 5.0 Redriver IC，同系列PCIe5.0的方案还包括8-Channel的PS7102与16-Lane的PS7103，并且Redriver系列产品在主板上的市占超过全球60%，；以Retimer来说，群联电子的PCIe 5.0 Retimer – PS7201 已经在送样阶段，并预计在2024年量产。至于车用的需求，尽管相关技术与市场都还在发展初期，但群联电子也已经与相关的汽车客户展开合作，共商车内PCIe网络的信號解决方案，此外，群联电子还规划车规等级的PCIe Redriver/Retimer，以应对未来汽车PCIe技术的发展，并为接下来的挑战与机会做好准备。