CAN還能火多久？

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隨著“人工智能無處不在”的理念延伸至汽車領域，車載網絡面臨著越來越大的壓力，需要傳輸更多數據，并加快傳輸速度。對于軟件定義汽車而言，這一點尤為突出，因為它們需要比傳統協議所能提供的更高的帶寬、更高的確定性和更強的安全性。

汽車以太網正在成為其明確的繼任者，但像CAN和LIN這樣深度嵌入式、低成本的標準在短期內不會消失。這將是一個漫長的過渡過程，其特點是混合架構、集成挑戰以及為使新舊技術協同工作而需要復雜的系統級建模。

如今，車載以太網主要用于信息娛樂系統、高級駕駛輔助系統中的攝像頭視頻流、自動駕駛、互聯骨干網和診斷。但隨著軟件定義汽車逐漸成為主流，其應用場景預計將會不斷擴展。設計和制造一輛配備所有最新網絡和組件的全新軟件定義汽車相對簡單。真正復雜的是將新的通信協議與傳統的集成電路（例如電子控制單元 (ECU)、傳感器和執行器）集成。

汽車以太網的日益普及引發了一個問題：它是否會完全取代車載通信的舊網絡協議，例如 CAN（控制器區域網絡總線）和 LIN（本地互連網絡），或者所有這些協議是否會繼續與 SerDes（串行器/解串行器功能塊）共存。

Keysight汽車與能源事業部SDV解決方案經理Seung-Taek Chang表示：“短期內，汽車以太網不會完全取代CAN、LIN或FlexRay，因為CAN/LIN在低速、非關鍵功能方面仍然具有成本效益和可靠性。以太網正在成為高帶寬和時間敏感型應用的主干網絡。我的建議是，新平臺應使用以太網作為主干網絡，邊緣采用10BASE-T1S，并在成本或傳統技術限制的情況下保留CAN/LIN。”

在區域架構中，以太網骨干網將來自執行器、激光雷達和雷達的數據傳輸到中央計算區域，所有高性能計算以及 ADAS 和信息娛樂部分都位于該區域。

英飛凌科技ATV事業部以太網解決方案高級副總裁兼總經理Mike Yeager表示：“骨干網的傳輸速度大約在每秒1Gbps到2.5Gbps之間。目前，攝像頭和顯示器之間仍然使用專有鏈路，采用LVDS（低壓差分信號）或FPD（平板顯示鏈路）技術。我們正在考慮將其升級為完整的以太網橋接解決方案。這樣一來，我們就無需再使用專有攝像頭，而是采用以太網設備，將MIPI攝像頭信號轉換為以太網信號，然后接入系統。使用以太網后，我們可以利用更高級別的協議，例如時間敏感網絡（TSN）。延遲更低，鏈路也更加冗余。以太網層面有很多優勢，我們正在攝像頭和顯示器層面同時推進這項工作?！?/p>

圖 1：一種半區域架構，點對點攝像頭仍通過傳統協議連接

例如，該公司的攝像頭橋接芯片采用了基于IEEE 802.3DM 標準的以太網橋接網絡。“骨干網速度高達 10 Gbps，”Yeager 說。“我們目前仍在研發 25 Gbps 的速度，與機器人領域的專家交流后發現，這非常契合他們的需求。該網絡使我們能夠共享攝像頭并縮短線纜長度?！?/p>

圖 2：以太網端到端解決方案包括通過以太網連接攝像頭和顯示器

TSN 會記錄所有需要傳入的數據的時間日志。“我們還擁有精確時間協議 (PTP)，精度可達納秒級，”英飛凌高級應用工程師 Benjamin Tan 表示，“當數據包傳入時，我們可以記錄數據何時進入以及何時離開網絡，從而測量我們自身網絡的延遲?！?/p>

憑借這些技術進步，汽車以太網最終有望在車輛控制或汽車雷達傳感器等需要實時響應的安全關鍵型應用中占據一席之地。

“汽車以太網已在信息娛樂和高級駕駛輔助系統 (ADAS) 領域證明了其價值，但其能否擴展到線控轉向和制動等安全關鍵型領域，取決于其確定性性能和容錯能力，”Rambus 硅 IP 業務開發總監 Adiel Bahrouch 表示。 “諸如 IEEE 802.1AS 之類的 TSN 擴展提供了所需的時序保證，而 MACsec 則確保了數據完整性。向軟件定義車輛的轉變提升了以太網的價值，簡化了布線，減輕了重量，并安全地跨域統一了通信協議?！?/p>

總而言之，汽車以太網的優勢預示著一個不再需要舊協議的未來。

“隨著區域架構的日益普及，以太網將不同域統一到通用協議棧下的能力變得越來越有吸引力，”Bahrouch 指出?！皯{借多千兆鏈路和同步數據包傳輸，以太網能夠以安全關鍵型操作所需的精度處理實時控制回路。當以太網不僅達到而且超越傳統汽車網絡的安全性和可靠性基準時，這將是一個轉折點?！?/p>

盡管如此，一些設計人員仍然偏愛傳統協議而非以太網?！拔艺J為這種轉變將持續下去，”西門子 EDA 汽車和軍工航空混合物理和虛擬系統副總裁 David Fritz 表示。 “越來越多的傳感器和執行器正嘗試直接遷移到汽車以太網，擺脫 CAN 和 CAN FD。我們處理的是 CAN、CAN FD（靈活數據速率）、LIN、FlexRay——所有這些都比雙絞線要好得多。我最近和一個人爭論，他說：‘車輛中存在對時間要求非常嚴格的環節。’我說：‘沒錯，但如果你擁有 100 Gbps 的帶寬，而你只使用 100 兆比特，數據肯定能及時到達。你為什么這么擔心？’即便如此，你還可以在此基礎上增加服務質量保障。如果我有一個關鍵的大數據包，我可以關閉其他所有服務，讓它們等待數據包通過。我可以保證這一點。我們目前正在與一家與日本最大的 OEM 廠商關系密切的一級供應商合作，以證明這一點。我們正在使用 Arm 的 IP，搭建一個假想的系統，在上面運行實際工作負載，并驗證測量結果。這……”關鍵數據我們掌握了，但目前仍有95%的數據處于閑置狀態。當然，這種情況終會改變。技術已經發展到你以前擔心的那些問題現在都不用擔心了。例如，展望未來，在更高的層面上，我們正在邁向人工智能。

CAN總線淘汰時間表

人工智能（AI）以及車輛中GPU使用量不斷增加的趨勢，是CAN和LIN總線可能被取代的原因之一。

“我們確實看到車輛對GPU的性能要求越來越高，這主要受以下幾個因素驅動，”Imagination Technologies產品管理高級總監Rob Fisher表示?！败囕v架構正在走向集中化。以前，車輛周圍分布著許多獨立的系統，每個系統都有獨立的ECU，但現在越來越多的車輛配備了駕駛艙域控制器、ADAS域控制器和中央域控制器，它們整合了多種功能，這進一步推高了性能要求。這種集中化很大程度上得益于汽車以太網等技術，因為傳統的CAN總線架構（一種串行總線）的帶寬不足以將所有必要的數據傳輸到中央位置?！?/p>

CAN、LIN 和 FlexRay 都是成熟的技術，已在汽車環境中得到驗證，具有深度集成和高性價比的特點，但專家一致認為它們還不足以滿足未來汽車的需求。

英飛凌的 Tan 表示：“我們認為汽車以太網將成為最終的替代方案。具體來說，我們看到 10BASE-T1S（運行速度為 10 兆比特/秒）將逐步取代 CAN 和 CAN FD。我們的目標是，在未來五到十年內，最終將完全由以太網取代 CAN 和 LIN?！?/p>

Rambus 的 Bahrouch 指出，以太網解決方案必須在帶寬、可擴展性和安全性方面提供明顯的附加值，同時還要達到或超過其成本效益。“像 10BASE-T1S 這樣的新興技術正是這一發展趨勢的體現，它將以太網的應用范圍擴展到低成本的傳感器和執行器領域，使其能夠與 CAN 直接競爭?！?/p>

CAN 總線還會繼續存在一段時間，就像其他應用中的舊技術至今仍未消失一樣。“CAN 總線可能會消失，但有時這種變化需要幾代技術的發展才能發生，”Synopsys 以太網 IP 產品組合首席產品經理 Jon Ames 表示?！耙?Thunderbolt 為例，它用于連接計算機和顯示器，所有這些都基于以太網，但 Thunderbolt 仍然存在。有時，同一條線路上會同時存在多種技術，例如，你可能將一種技術嵌入到另一種技術中。”

未來還包括更快的以太網標準和光纖?！?0BASE-T1S 支持多點拓撲結構，非常適合低速傳感器和執行器，而光纖以太網則用于高速骨干網，例如 10 Gbps 或 25 Gbps，”Keysight 的 Chang 表示。 “在 10BASE-T1S、光以太網和 CAN、LIN 等傳統協議之間建立橋接需要具備協議轉換功能的網關或區域 ECU。挑戰包括同步、延遲管理以及確保異構網絡間的確定性行為?！?/p>

傳統組件滯后

許多低成本的汽車級組件，包括ECU，都是為較舊的通信協議設計的。要讓保守的制造商加快步伐并非易事。

“一級供應商等了好幾年才等到汽車以太網標準最終完成并獲得批準，”西門子的弗里茨說道。 “他們不想設計出某種產品，然后標準發生變化，最后因為不符合標準而不得不取消部分零件。至少現在標準已經制定好了。他們還需要確信所需的SerDes技術可靠且價格合理。如果一款售價3美元的攝像頭需要15美元的SerDes，而市場上又缺乏這種產品，那么即使攝像頭售價3美元，銷售也無濟于事。這意味著市場狀況將決定這一轉變何時發生。我相信，一旦一家大型汽車供應商做出全面轉向以太網的決定，并推動其供應商為每個ECU、每個傳感器、每個執行器配備汽車以太網接口，那么其他所有廠商都會說：‘為了保持競爭力，我也必須這樣做。’總得有人邁出這大膽的一步?！?/p>

最終的決定將取決于邊緣節點，例如不需要太多更新或智能功能的傳統ECU?！疤鎿Q這些傳統設備需要大量的工程時間和工程能力，”英飛凌的譚先生說道。 “汽車行業的情況很復雜。標準很多，我們需要遵循很多協議。對于消費市場來說，你考慮的是兩年后的市場情況。而汽車行業則非常成熟。”

汽車行業對成本極其敏感，如果某種產品已經商品化且性能足夠好，那么汽車制造商（OEM）就必須有足夠的動力去做出改變?！澳惚仨毷冀K考慮哪些功能能夠促進汽車銷售，”英飛凌移動出行、半導體、電子和ADAS高級總監Paula Jones指出?！皩τ趥鹘y組件來說，進行改造比從零開始設計要困難得多。如果你今天從零開始設計一輛汽車，你會使用最新的協議和傳感器?！?/p>

然而，隨著時間的推移，汽車以太網及其相關組件的成本將會下降，因為這些技術也被開發用于其他應用?！叭绻豁椉夹g被廣泛應用，并且有大量工程師致力于研發，那么這項技術的成本就會降低，”Synopsys公司的Ames說道。 “制造支持 CAN 總線和以太網的組件并不難。兩者使用的門電路數量并沒有差別；成本差異主要體現在技術研發和軟件開發上。但由于以太網需要投入更多的時間和精力進行技術開發和軟件開發，因此其總體成本較低，應用范圍也更廣。”

以太網與 CAN 總線和 LIN 總線之間的差異不太可能成為同一公司內部不同車型（例如高端車型與低端車型）之間的區別。“配備后排娛樂顯示器或自動駕駛功能的高端汽車可能會率先采用以太網等高性能技術，”艾姆斯說道?！暗@并不意味著即使是最便宜的汽車也不需要以太網。如今，一些廉價的芯片可能不需要以太網，因此我們可以用這些廉價芯片來制造低端汽車。但我非?？隙ǎ磥砹畠r芯片將會基于以太網。”

成功集成需要數字孿生技術

在一種協議成為主流之前，設計人員必須找到將新的網絡協議與傳統組件集成的方法。

“CAN 和 FlexRay 憑借數十年的可靠性和成本效益，在汽車領域贏得了一席之地，”Rambus 的 Bahrouch 表示?！八鼈兊拇_定性、低成本和久經考驗的良好記錄，使它們在許多汽車子系統中不可或缺。以太網雖然功能強大，但仍然面臨著集成方面的挑戰，并且需要在安全關鍵型環境中進行廣泛的驗證?！?/p>

集成和驗證工作正在進行中，但尚未完全解決?！傲陙恚覀円恢迸c松下、索尼以及汽車傳感器公司合作，努力幫助他們并監控從基于 CAN 或舊協議技術的系統向以太網的過渡，”西門子的 Fritz 表示。 “大家都知道，以太網憑借其雙絞線，能夠實現超遠距離數據傳輸。這樣一來，就無需擔心重量或線束問題，許多難題迎刃而解。但傳感器和執行器公司若不進行轉型，發展就只能止步于此?！?/p>

結果便是一場集成風暴。“當一個ECU只有大約100行代碼時，你會做的假設較少，也能找到解決辦法，”弗里茨指出。“但現在，代碼量已達數百萬行。它涉及網絡處理能力、圖形處理能力、DSP、128個CPU核心，以及各種不同的關鍵性——有些是任務關鍵型應用，有些只是給孩子們播放視頻。復雜性已經膨脹到集成成為最大難題的地步?！?/p>

軍工/航空航天領域也深受集成問題的困擾。 “在五角大樓，我們正在和陸軍部副部長討論F-35項目延期數年、進展不順的原因，”弗里茨說道?！盀槭裁窜浖o法正常工作？硬件為什么會這樣？”

問題出在LRU（線路可更換單元）上，它相當于汽車的ECU（電子控制單元），由洛克希德·馬丁、波音和雷神等公司制造。

“他們制造出一個LRU裝到這架戰斗機上，然后說，‘好了，它能用。太好了，’”弗里茨說道。“但一旦把所有部件組裝起來，飛機就飛不起來。他們的理由是，‘我必須假設LRU、傳感器和執行器之間的通信能夠正常進行。因此，我可以獨立于其他所有部件測試我的LRU，并且我可以確信整個系統都能正常工作?！瘑栴}是，這是一種工程謬誤?！?/p>

在復雜的系統中，由于十幾個不同的供應商各自做出不同的假設，很容易出現問題。弗里茨解釋說，這就需要數字孿生來模擬網絡和組件的行為。

“你需要把所有東西整合在一起，并且能夠對每一個LRU（線路可更換單元）進行建模，”他說?！八鼈兌夹枰ㄟ^一個網絡模型進行通信，該模型會考慮帶寬、仲裁和服務質量，并指出：‘如果你在這個系統中部署一個10Gbps的SerDes，那么看起來會有3%的概率出現故障。這是不可接受的，所以你需要50Gbps的帶寬。’在設計硬件之前，你就知道這一點，這意味著在驗證之前，軟件和硬件都是可以修改的。當所有環節都完美契合時，你就能滿足所有要求。”

以太網成為至關重要的通信通道。 “如果沒有以太網之類的通信方式，在系統級建模中，根本無法實現，”弗里茨說道?！败浖x車輛和產品的核心理念在于，在確定硬件和軟件架構之前，需要對所有組件進行足夠精確的建模。這就是軟件定義車輛的意義所在，也是解決集成問題的方法，無論是噴氣式飛機、汽車還是火箭?！?/p>

人工智能加劇了集成的挑戰，也增加了復雜性?！艾F在所有東西都融入了人工智能，而人工智能需要不斷輸入數據，”弗里茨說道。 “我說的不是訓練。我說的是你已經擁有一個訓練好的系統，并且驗證過它能夠正常運行。它需要了解周圍環境的變化，而這些數據仍然來自傳感器。人工智能推理或決策的結果仍然會傳遞給執行器。只不過，（在軍事/航空領域）執行器可以是飛行舵面、襟翼，而不是方向盤。所有這些系統都屬于同一范疇，真正改變的只是傳感器和執行器。中間的其他部分仍然面臨著同樣的挑戰?！?/p>

SerDes 仍然至關重要

CAN 或 LIN 未來可能會被取代，但 SerDes 通常集成在汽車以太網芯片中，發揮著其自身不可或缺的作用。

“你必須用某種方式驅動線纜，”Synopsys 的 Ames 解釋道?！耙蕴W使用單對線。這是關鍵所在，因為如果需要多對線，就意味著線纜更重。如果能減少到單對線，那么性能就足以媲美任何其他技術。有了這種多點連接技術，就不需要那么多交換機，只需一根線纜就能連接到車內的多個設備，例如開關、指示燈等等?！?/p>

因此，以太網和 SerDes 密不可分。“SerDes 組件與汽車以太網以及整個以太網系統緊密相連，”Imagination 的 Fisher 指出?！耙_到所需的帶寬，SerDes 架構是必不可少的?！?/p>

GPU 也可能成為驅動高級功能不可或缺的工具。

例如，汽車PHY和交換機可能配備SerDes，例如SGMII或25GBASE-X?！敖粨Q機的設計理念是將其與SerDes以及MCU、CPU或GPU等組件集成在同一塊PCB板上，”英飛凌的Tan表示，“交換機通過這些組件與MCU、CPU或GPU通信，執行各種協議，并運行所有必要的網絡操作，從而完成所需的處理。”

從這個意義上講，汽車網絡與數據中心類似?！半S著人工智能從云計算和邊緣計算迅速應用于AIoT（人工智能物聯網）和汽車領域，汽車系統設計越來越多地采用PCIe、UCIe和以太網等高速互連協議，這與數據中心的發展趨勢相呼應，”Cadence設計IP產品營銷總監William Chen表示。 “目前，汽車以太網和車用級SerDes并非主流數據中心的主要應用領域，因為它們主要針對汽車行業的需求進行優化，例如輕量化、低成本和EMI/EMC性能。然而，技術間的交叉融合仍在持續，尤其是在單對以太網（SPE）和SerDes設計技術方面。”

盡管數據中心需要比汽車行業更高速度的SerDes，但這兩個領域仍將繼續交流思想。“展望未來，邊緣計算、工業和OT融合以及可組合架構可能會為車用級以太網或SerDes創造機遇，尤其是在低成本、輕量化布線具有優勢的領域，”陳指出。“在核心超大規模數據中心，SerDes可能仍將專注于超高速、低抖動和高能效。更大的影響可能來自于SerDes的創新——例如均衡和容錯能力——對通用高速SerDes設計的反饋，而不是直接采用車用PHY。”

結論

總體而言，從長遠來看，汽車以太網的發展前景將優于傳統的車載網絡協議。“我看到很多OEM廠商都在談論未來，他們認為未來會走向以太網，”Synopsys公司的Ames表示?！拔蚁嘈?，只要有意愿，以太網終將普及。從技術角度來看，它完全可以實現?！?/p>

但這種轉變不會一蹴而就?！半m然以太網是為下一代汽車設計的，但傳統協議仍會繼續存在一段時間，并隨著以太網在安全性、可靠性和經濟性方面與現有協議達到同等水平而逐步過渡，”Rambus公司的Bahrouch表示。“隨著OEM廠商驗證以太網相對于CAN和FlexRay等傳統系統的可靠性，這一轉變將是一個漸進的過程，但隨著芯片技術的成熟、認證框架的擴展以及成本的下降，發展方向已經非常明確。”

（來源：編譯自semiengineering）

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

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