汽车网络的挑战：使用PCIe的优势

 汽车网络面临的挑战

Zonal架构全部使用以太网技术可以带来了很多优势，例如，基于相同的标准，可以提供从兆到千兆不同的带宽，提供云端到设备端的安全IP通信，不需要网关，减少布线的成本、重量和复杂性等。

根据SAE自动驾驶等级划分，目前大部分的车辆的等级为L2或L2++，如果要实现L4L5高级别的自动驾驶，汽车需要更多更高性能的传感器，如激光雷达、摄像头等，这些传感器输入的冗余信息可以帮助中央电脑做出更准确的判断。

目前L2车上有1个摄像头和1个毫米波雷达以及多个超声波雷达，到L3级自动驾驶，车上会有8个以上超声波雷达、4个以上摄像头和1个激光雷达，并会引入V2X模块、导航IMU等以及多传感器融合方案。而到了L4/5级自动驾驶，车上则会有12个以上超声波雷达、6～8个摄像头、1～3个激光雷达、1～2个V2X模块、组合导航以及多传感器融合方案，Waymo甚至使用了29个摄像头。车载雷达的视距和探测精度都会提供，视距的提高可以使系统更好地完成路径规划，精度提高更有利于车辆行车安全，进而影响整车性能，而雷达视距和精度的提高，都带来相应的传感器芯片的数据量，性能和能耗的提升。

根据Strategy Analytics 在2020年10月的评估，汽车以太网设备的复合年均增长率将达到46%，到2024年设备数量将会增长到5.95亿。

汽车以太网设备 

汽车网络面临的一个挑战就是需要管理更多的传感器和ECU数据。下图展示了一个案例，整车电子电器架构有4个Zonal ECU，每个Zonal ECU都高清的摄像头和1～2激光雷达/毫米波雷达。高清摄像头的带宽需要10Gpbs以上，雷达需要1Gbps左右，加上其余的传感器，从Zonal ECU的角度看预计需要25Gbps的带宽，如果还要在系统中增加冗余，那就意味着从Zonal ECU到中央计算平台的带宽需要50Gbps左右。所以需要2条20Gpbs以上的以太网连接到中央计算平台。

整车电子电器架构案例  

网络带宽的需求爆发性的增长，就需要更高带宽的以太网。电气和电子工程师协会（IEEE）也在规划高带宽以太网规范。

多千兆以太网

汽车网络面临的另一个挑战是，中央计算平台本身的高性能计算互联。如下图所示，4个以太网连接到了PCIe桥，按照前面的估算，这4个ECU的带宽大概要50Gbps，所以需要使用桥接芯片或者交换机把以太网转换到PCIe。需要进行转换的原因是，根据支持的功能，目前的中央计算平台上，至少需要2个或者更多的SOC，而PCIe是高性能计算SoC的首选接口，虽然也有部分SOC支持以太网口，但是数量和带宽都不足。二是和数据中心类似，PCIe技术可以提供高带宽、低延时、低成本的互联，类似SOC和SOC之间，SOC和SSD之间等多方面的互联。

集中式计算的互连

目前，PCIe主要仅用于ECU处理器内部连接，而ECU间的高速连接主要由汽车以太网实现。随着汽车向跨数据主干的共享处理和冗余方向发展，与通过网卡将PCIe转换为以太网进行互连然后在目标ECU转换回PCIe的方式相比，将原生PCIe进行端到端的传输越来越具有吸引力。将一种接口技术转换为另一种接口技术，PCIe的固有优势将会丧失。通过原生PCIe端到端的连接处理器可以利用协议的超低延迟、高可靠性和DMA的优势，这对提高计算效率和改善实时处理性能至关重要。对于高带宽ECU间的互连，实时处理和算力最大化要优于电缆数量，PCIe将成为一个高效有价值的汽车网络的补充。

未来汽车就像带4个轮子的数据中心，为了在局域架构中实现分布式处理，汽车数据骨干网必须采用支持高带宽和低延迟的高速接口。PCIe交换机连接中央计算机内的所有处理器，满足连接带宽需求，同时实现平台模块化、可扩展性、安全设计分区和到以太网域的桥接。特别是，当共享数据用于安全关键的实时处理时，必须仔细考虑超低延迟。PCIe生态系统已经解决了工业数据中心的这些类型的高带宽、超低延迟性能需求，也可以以同样的方式服务于汽车行业。

使用PCIe的优势

使用PCIe有以下5点关键优势： 1、带宽扩展性好：PCIe带宽每一代都翻了一番，设计人员能够实现一个随着带宽需求的增加而扩展的未来性接口。PCIe提供灵活的链路宽度，并行通道可以轻松地将带宽从×1扩展到×2、×4、×8或×16。 2、超低延迟和可靠性：PCIe集成了最小的数据开销，保证了硬件级的可靠传输，将延迟降低到几十纳秒。相比之下，以太网这样的传统网络技术需要依赖于TCP/IP层中的软件来管理数据完整性和传输可靠性，从而导致开销将延迟增加到几微秒。这种延迟的量级差异在端到端汽车互连之间成倍增加，为具有实时性需求的汽车应用（如ADAS和V2X）带来了重大挑战。 3、直接内存访问(DMA)：PCIe提供了内置的DMA方法，而不需要进行分包，以减少CPU处理开销资源。这进一步降低了远程共享存储的延迟。其他接口技术在CPU周期访问、复制和缓冲区内存数据方面会产生开销，PCIe允许处理器有效地访问共享内存，就像内存在本地一样。 4、满足汽车功能安全：PCIe体系提供了丰富的错误检测、CRC校验、内置在事务层和应用层的高级错误记录和报告，消息计数器和流量控制等功能，为实现功能安全奠定了基础。

5、PCIe生态广泛：PCIe是非专有的，并被中央处理器（CPU）、图形处理单元（GPU）和硬件加速器等众多厂商采用。PCIe在行业中的普及，使现有的组件和现有的IP具有灵活的互操作性。并且生态系统的各种元素支持本地PCIe，包括SSD存储和基于PCIe的交换机结构,支持具有非透明桥接(NTB)拓扑的交换结构。面向 VirtIO、ScalableIO 和共享虚拟内存的功能支持。

PCIe长距离连接

为了让处理器充分利用PCIe接口进行共享处理，将PCIe从ECU内部接口转变为ECU间接口。TI、Rosenberger和GG Group等领先的汽车行业供应商一直在开发创新解决方案，希望通过基于H-MTD 连接器和GG 2 Speed 电缆的汽车电缆通道实现本地PCIe传输。这些物理层解决方案将为汽车处理器实现其全部计算、效率和连接潜力扫清道路。

实现PCIe互联，需要仔细考虑整个物理特性。完整的端到端通道或TX到RX链路由电缆通道两端的两个PCB通道组成。PCB通道包括从TX/RX PHY到相应PCB针座的部分。汽车电缆通道可以由单个电缆组件组成，例如带有两个组装连接器的散装电缆，或多个电缆组件。对于多个电缆组件，电缆通道包括串联连接。根据所需带宽上的通道限制，电缆通道长度的限制取决于高速特性，例如插入和回波损耗。

为了保持PCIe连接的优势，同时满足OEM对通用电缆通道解决方案的需求，并最大限度地降低电缆成本和重量，需要进行一些权衡。

1、保持与其他高速接口相似的电缆通道类型：用于PCIe的电缆组件解决方案应尽可能与其他高速接口技术(如2.5/5/10GBASE-T1以太网)相似。通过这种方式，OEM只需要为整个车辆的各种高速接口验证单个连接器接口和电缆类型组合。

2、仅连接基本PCIe信号：为了减少电缆数量和重量，只需要通过汽车电缆连接必要的高速PCIe信号。本地PCB上的低速边带信号可能未连接。为了降低EMI谐振的风险，可以从电缆互连中省略100MHz PCIe参考时钟。PCIe规范支持SRNS(Separate Reference Non-Spread)和SRIS(Separate Reference Independent Spread)，用于电缆两侧的独立时钟。

3、以线缆数量换取原生PCIe性能：原生PCIe传输需要专用的TX和RX通道。因此，每条通道需要两条STP电缆(每条通道一条TX和一条RX)，与其他高速接口（如 Multigig 以太网）使用的单根电缆相比，数量相对增加。在利用PCIe生态系统的同时，电缆数量的增加，可以保留原生PCIe性能和非专有PHY接口的价值。

4、保持相似的PHY层要求：原生PCIe通过专用的TX和RX方向实现NRZ信令，并且能够通过EMC要求。与PAM-4或PAM-16调制方案相比，NRZ信令可最大化垂直眼图裕量。借助专用的TX和RX通道，复杂的DSP来消除噪声和回声，无需单独的汽车PCIe PHY来支持全双工双向信令接口。

为了在数以百万计的车辆中实现可靠连接，确定PHY对它们之间链路的高速要求，并使其与电缆和连接器能够提供的性能保持一致。因此，需要一个通道规范来测试高速通道参数的极限。高速通道规范描述了基于S参数的电缆和PCB通道要求。

关键参数是所需的频率带宽，主要是插入损耗和回波损耗。考虑到EMC，需要指定屏蔽和耦合衰减。另外，还需要对测试方案进行详细说明，以比较不同的结果。

TI、GG Group和Rosenberger等合作拟议了汽车PCIe通道规范以及测试方案描述，这可以作为后续汽车用例官方PCI-SIG标准化的基础。

电缆在正常室温情况下仅满足性能需求是不够的。汽车认证需要不同的老化测试，例如，为确认电缆性能稳定性，需要在高温下老化3000小时。为了满足接口性能要求，还必须考虑不同的电缆设计参数，例如绞线长度、芯线介电常数和绝缘材料。

Rosenberger的H-MTD电缆组件，标配GG 2Speed 251线缆。这种可以满足大量协议，例如100/1000BASE-T1以太网、2/5/10GBASE-T1以太网、FPD-Link和其他下一代SerDes。GG 2Speed 251电缆和H-MTD 连接器组合也可满足的汽车PCIe系统。

另外使用Redriver和Retimer可以抵消PCIe传输时发生的额外插入损耗和信噪比下降。自PCIe2.0以来，Redriver一直是PCI-SIG集成商认可组件列表的一部分。从PCIe4.0起，Retimer正式成为PCIe基本规范的一部分。

Redriver与Retimer对比

对于ECU内部和短距离的场景，使用Redriver是合适的选择。对于原生PCIe3.0的传输，使用GG 2Speed 251 STP线缆和Rosenberger H-MTD连接器情况下，配合Redriver可满足长达5米的应用。

对于更长的电缆距离应用，Retimer对于最大化信号余量至关重要。与Redriver相比，PCIe Retimer可以提供更复杂的功能，包括自适应均衡器、DFE和CDR。Retimer还提供多种链路监控诊断功能，以支持系统级功能安全，包括RX链路裕度、内部眼图监控器和电缆故障检测等。对于原生PCIe3.0传输，使用GG 2Speed 251 STP线缆和Rosenberger H-MTD连接器情况下，配合Retimer可满足长达10米的应用。

PCIe在汽车上应用介绍

PCIe生态非常完善，具备高带宽、超低延迟等特性，下面介绍几个PCIe在汽车上使用的案例。

算力拓展的应用

PCIe算力可扩展性的应用包括自动驾驶系统、辅助驾驶系统、ADAS和娱乐系统。新的人工智能算法，比如，深度学习、卷积神经网络等对计算平台有了更高的要求。随着汽车传感器数量的增加，算力的需求也在增加，根据场景，算力需求会从30TOPS到700TOPS以上。在域架构中，可以看到算力拓展的需求。

PCIe系统具备：高带宽、可拓展的接口、支持Hypervisor 虚拟化应用、更好的热管理和更好的电源管理、支持功能安全和数据安全等特性，非常适合自动驾驶汽车拓展算力的应用。

PCIe拓展算力的应用

在辅助驾驶域中，可以通过PCIe连接一个或者多个加速处理器，以满足不同的平台算力的需求。

在娱乐域控制中，处理器可以连接加速处理器或者GPU，根据显示的数量、分辨率、内容，来确定不同的加速器和GPU的数量。

数据骨干网的应用

前文已经提到，未来的电子电气架构算力趋向集中，数据骨干网承载着处理过的和原始的数据，以便集中计算，随着更多的传感器和数据需要处理，骨干网带宽的需求越来越大，可达5Gbps～40Gbps+。

PCIe链路可以支持高带宽、低延时的传输，具备汽车功能安全和数据安全特性，而且电缆供应商已经开发出可靠的线缆来满足高速率的数据的传输，具备可靠性高EMC/EMI性能。PCIe可以在ECU冗余处理、传感器融合、ECU区域/环结构数据传输等多方面发挥作用。

数据骨干网应用PCIe的案例

基于PCIe的存储

汽车里一般有三个主要的区域需要储存： 1、黑匣子。目前100%的新车都有事件数据记录器，通常他们使用少量的内存，因为它只需要记录30秒的视频和中心数据，但是目前自动驾驶汽车需要记录汽车行驶过程中所有的传感数据，所以黑匣子的存储容量正在显著增加。 2、娱乐应用。可以看到目前车内的显示越来越大，有的显示屏已经达到42英寸，对于娱乐应用来说，需要大容量的存储空间。

3、地图。自动驾驶汽车需要实时定位，其中一种方法就是地图的实时更新，这需要大容量的存储空间。

对于汽车而言，存储需要满足特定的要求，一般来说需要15年的工作寿命，在车内高温等极端环境下可以正常工作，根据不同应用，存储容量会高达1TB以上。传统上汽车存储已经使用了很多移动类型的存储，像EMMC和UFS，目前正在向着PCIe存储过度，基于硬盘的存储不是汽车的首选，而固态硬盘，可以满足汽车的振动测试，并满足长期可靠性需求。PCIe存储，特别是NVME类型，可以提供最低延时，高带宽和极短的启动时间。NVMe 固态盘具有更高的可靠性、可用性和可服务性 (R.A.S) 的特点。PCIe 总线支持从对NVMe 固态盘进行热交换更换，而无需关闭系统。

为了确保数据的正确性，PCIe还支持LCRC、ECRC、Ack/Nak等特性： ●LCRC(Link CRC)，可以检测在两个设备之间的链路（Link）上发生的错误，这些错误大多是由于物理层的信号质量问题引起的； ●ECRC(End-to-End CRC)，可以检测TLP报文的内容是否在Requester和Completer之间的路径上是否损坏。如switch在转发TLP报文时由于某些bug发生了数据不一致；

●Ack/Nak，是由硬件实现完全自动的机制，目的是保证TLP有效可靠地传输。Ack DLLP用于确认TLP被成功接收，Nak DLLP则用于表明TLP传输中遇到了错误。

因为算力集中，需要非常高的功耗，而高功耗很难消除热量，所以中央计算平台对于低功耗有着巨大的需求，PCIe可以进行L1状态，根据链路数据传输流量控制降低链路宽度，只要满足系统的吞吐率，适当的关闭原本活动的链路，减小能耗，以最小的系统能耗完成数据传输任务。

随着中央处理的功能的增多，需要虚拟化功能，SR-IOV也非常适用于虚拟化。PCIE的这些特性使PCIE成为真正适合汽车大容量SSD存储的技术。

基于PCIe的存储

V2X/V2V的应用

一个典型的电子电气架构中，其中射频连接功能集中在TCU中实现。TCU具备LTE/5G、WiFi、BT5.0、GNSS、V2X等功能，而芯片之前使用的高速接口大多数是PCIe。随着5G时代的到来，带宽的需求会越来越大。

TCU可以使用PCIe总线连接到主机。PCIe具备极大的灵活性，可以轻松支持更高的带宽，并支持向前、向后兼容，而无需对架构进行重大更改。PCIe也支持远距离线缆连接，可以进行端到端的传输，而不用中间转换，更方便的进行功能安全和数据安全的防护。

PCIe 总线在V2X/V2V中的应用

本文摘自《智能汽车：新一代技术与应用》.姜鸿雷.电子工业出版社—第三章部分内容。  

编辑：黄飞