车载SerDes技术概述、特点和应用详解

1、SerDes概述

SerDes（Serializer/Deserializer）：一种高速串行数据传输技术，通过将多路低速并行信号转换成高速串行信号，并在传输过程中保持数据的完整性和准确性，实现高效的数据传输。

图：SerDes的概念

它的工作原理类似于书籍的翻页：将一本厚重的书分解成一页一页的内容，依次翻阅并重新组合。类似地，SerDes将多个并行数据信号拆分为较小的数据块，并以串行方式进行传输，然后在接收端将这些数据块重新组合成完整的并行数据。在汽车行业中，SerDes技术的应用日益广泛，为车载电子系统提供了可靠的数据传输解决方案。

图：并行传输和加入SerDes的串行数据传输对比

2、SerDes的应用场景

在现代汽车中，各种传感器、摄像头、雷达和通信设备等组件产生的数据量巨大，需要高速、可靠的数据传输。SerDes技术通过将数据转换为高速串行信号，并通过传输媒体（如光缆或铜线）进行传输，满足了大规模数据传输的要求。同时，由于SerDes信道内只传输串行数据，而不传输时钟信号，可以有效避免高带宽时钟信号偏移的问题。

图：from是德科技，车辆上包含多种数据速率的车载网络

3、SerDes的结构

SerDes的结构主要包括三个模块：PLL（Phase Locked Loop，锁相环）模块、发送模块Tx和接收模块Rx。发送模块包括编码器、驱动电路和FFE（Feed-Forward Equalizer）均衡器，用于将并行数据转换为串行信号并进行驱动。接收模块包含线性均衡器、解码器和接收电路，用于接收串行信号并将其恢复为并行数据。

图：一个典型的SerDes结构框图

在发送模块中，输入的并行数据经过转换电路后，通过编码器和扰码器进行串行加密，然后通过FFE均衡器进行信号调节，并通过驱动电路发送出去。在接收模块中，接收到的串行信号经过线性均衡器和判决反馈均衡器处理，然后经过时钟恢复电路进行解串操作，并通过接收电路将数据恢复为并行信号。SerDes让汽车电子系统可以实现高速、可靠的数据传输，减少线缆数量，降低功耗。这使得SerDes在汽车中得到了广泛应用。

并行数据传输的特点：多对多连接、能耗更大、因为封装复杂使得IC更大、易受电磁干扰、增加延迟、skew平衡要求挑战大。

串行数据传输的特点：一对一连接、节省电力、更少的管脚使得IC更紧凑、电磁性能更可靠、可以从数据恢复时钟、几乎无延迟。

4、SerDes的应用领域和解决方案

SerDes技术在大通量、低延时的数据传输场景中发挥着重要作用，并且在电信、消费类电子产品、数据中心和云计算等领域得到广泛应用。近年来，随着新能源汽车对摄像头的广泛应用，SerDes技术也被引入车端。

目前，高速SerDes技术主要用于传输摄像头和Display视频信号。其中，业界常用的接口之一是LVDS（低压差分信号）接口，具有高速率（Gbps级）、低延迟和低功耗的特点。此接口不仅能传输大量数据，还带有控制信号的双向通道，实现数据传输同时具备双向控制功能。

在汽车应用中，当前的SerDes解决方案通常是专用的，这意味着如果不是所有组件都采用同一芯片供应商的方案，组件之间可能无法互相搭配使用。目前市场上有多种可用的解决方案，包括：

TI的FPD-Link：用于车载摄像头的高速视频传输解决方案。

Maxim的GMSL（Gigabit Multimedia Serial Link）：提供高速、可靠的传输解决方案，适用于车辆内部多种视频和数据传输。

Inova Semiconductors的APIX（Automotive Pixel Link）：用于高带宽视频和数据传输的解决方案，适用于车载显示和摄像头系统。Inova可提供APIX专有芯片，也可将其作为IP授权。APIX3的典型应用是汽车信息娱乐和娱乐系统，提供从1.5 Gbit / s，3 Gbit / s，6 Gbit / s到12 Gbit / s的带宽操作模式。

Rohm的clossless link：提供无压缩传输的高速SerDes解决方案，用于车载多媒体和显示应用。

在SerDes技术的芯片方面，涉及到多个厂商。以下是一些主要的供应商：

博通（Broadcom）：提供高性能的SerDes芯片，用于支持高速数据传输和通信需求。

新思（Synopsys）和Cadence：SerDes IP提供商，他们提供SerDes IP核心，可用于集成到自定义芯片设计中，以满足不同应用领域的需求。

TI（德州仪器）和Maxim：在车载摄像头和显示方面提供SerDes芯片。它们的产品被广泛应用于汽车领域，支持高速数据传输和视频信号处理。

综上所述，SerDes技术的产品形态多样，不同供应商提供的SerDes芯片和解决方案可以满足各种应用需求，推动了数据传输技术的发展和创新。

5、车载SerDes芯片的应用和研发要求

车载SerDes被广泛应用于汽车摄像头与电子控制单元（ECU）之间的长距离数据传输。它扮演着将摄像头采集到的视频数据传输给ECU进行处理和分析的关键角色。车载应用给SerDes带来了更高的要求：

抗干扰性能：车载SerDes需要具备强大的抗干扰能力，能够在车辆行驶过程中稳定传输数据，不受来自引擎、电动机、无线电通信设备等电磁干扰源的影响。

可靠性：车载SerDes需要具备更高的可靠性，以确保在复杂的道路条件、温度变化和震动等因素下，数据传输的稳定性和可靠性。这对SerDes的设计和制造提出了更高的要求。

低功耗：车载SerDes需要具备低功耗的特性，以降低整车系统的能耗，延长电池寿命。相比一般的SerDes，车载SerDes需要在功耗方面进行优化。

延迟和带宽：随着汽车内部电子系统的复杂性增加，对延迟和带宽的需求也在不断提高。例如，在自动驾驶汽车中，需要实时传输大量高清视频和传感器数据。因此，车载SerDes需要具备低延迟和高带宽的能力，以满足对实时性和数据处理能力的要求。

灵活性和可扩展性：汽车制造商对车辆内部布线和电子系统的灵活性和可扩展性有着不同的需求。车载SerDes应具备可配置的特性，以适应不同车型和配置的需求。同时，它还应支持多种接口和协议标准，以便与现有的汽车电子系统无缝集成。

除了原有的SerDes设计经验，车载SerDes的开发团队还需要具备功能安全开发经验和对车载应用场景和协议的理解。不同的车载SerDes协议在架构、功耗和成本等方面存在差异，对系统应用环境、系统架构以及其他部件的性能要求也有所不同。

6、SerDes芯片的市场规模

以太网 vs SerDes：根据数据测算，采用SerDes方案相比目前的汽车以太网方案，系统BOM成本和功耗可以实现40%-50%的下降。此外，SerDes方案能够实现更好的原始视频同步性和更低的延迟。

SerDes市场规模：每个车载摄像头对应一颗发送（Tx）和一颗接收（Rx）的传输芯片。根据Yole的数据，2022年新能源汽车的每辆车平均有6个摄像头和大屏，按照国内2022年新能源汽车销量700万辆和每颗芯片3美元的估算，国内车载SerDes芯片的市场规模约为16.6亿元。

7、SerDes的协议

协议是SerDes技术实现数据传输的重要组成部分。私有协议和公有协议是车载SerDes领域的两种不同的协议分类。目前，主流的芯片制造商如Ti、Maxim和ROHM都采用私有协议。私有协议的特点是封闭性强，限制了芯片的应用范围，而公有协议如ASA、MIPI和HSMT则更具开放性。

私有协议在车载SerDes市场中占据主导地位的原因有几个方面：车载SerDes的研发和应用需要满足特定的车载场景需求，对芯片的设计和模拟技术要求较高；车载产品的安全性和可靠性要求也很高，因此客户对私有协议芯片的引入持谨慎态度，通常会逐步将其应用到倒车、环视和自动驾驶等功能中；私有协议的封闭性导致SerDes芯片只能与特定的传感器封装配合使用，限制了产品的应用范围。

然而，随着公有协议产品的逐步推出，这种私有协议与车厂之间的博弈关系可能会发生变化。车厂有动力打破私有协议的市场格局，因为目前市场主要由Maxim和Ti垄断，供应短缺、高价格、缺乏支持和技术更新缓慢已经对车厂的供应链、成本控制、工程应用和车型规划带来了挑战。公有协议的逐步发展将带来透明的产品标准，方便免责；明确的测试标准，方便测试设备和软件的适配；统一的应用标准，促进汽车一级供应商和制造商加快开发周期，并提升与其他商用设备的互操作性。因此，公有协议生态系统在未来五年内有机会成为主流技术路线。

在公有协议中，当前国内主要的竞争体现在HSMT和MIPI A-PHY之间，而ASA标准发展较慢。这两者在技术标准、抗干扰性、工艺节点、芯片复杂度和启动时间等方面存在差异。

HSMT的技术特点是正向速率范围广，抗干扰性强，工艺节点一般，芯片复杂度适中，启动时间较晚（2020年）。而MIPI A-PHY在技术上采用了PAM调制，正向速率范围相对较窄，抗干扰性中等，工艺节点要求高，芯片复杂度较高，启动时间较早（2018年）。

从生态维度来看，MIPI A-PHY作为由国际组织和企业推动的标准，已经在MIPI联盟和IEEE等权威组织中得到认可，具有全球统一与通用的地位。而HSMT主要由国内的汽车标准委员会、大型企业和芯片设计公司联合推动，面向国内市场需求。目前来看，HSMT在国内外生态建设方面进展不如MIPI A-PHY，但基于HSMT标准开发的企业可能在产品性能、客户验证和上下游关系方面具有竞争优势，有望抢占市场先机，并持续受益于先发优势。

总之，车载SerDes系统需要综合考虑供应链、电气性能、功能安全性、技术创新和与整车厂的合作。随着汽车行业的发展和技术进步，车载SerDes系统将在提高驾驶安全性和用户体验方面发挥越来越重要的作用。

审核编辑：刘清