车载以太网ADAS的基本网络拓扑结构

在汽车电动化趋势下，车内信息传输量持续提升，域/跨域集中式架构逐渐成为智能驾驶汽车的主流。传统车载网络以 CAN 总线为主，LIN 总线为辅，多种总线技术并存。车载以太网具有数据传输能力高、可靠性好、EMI/功耗/延迟低、线束轻量化等优势。随着汽车智能化发展，车载以太网将率先应用于智能座舱和辅助驾驶，在未来逐步替代整车通信架构。  

1 车载以太网物理层芯片市场 规模快速增长，竞争格局高度集中

1.1 车载以太网物理层芯片市场规模快速增长，未来单车以太网端口将超百个

  物理层芯片是以太网有线传输的基础通信芯片之一，下游应用中汽车领域占比最多。以太网物理层芯片（PHY）工作于 OSI 网络模型的最底层，用以实现不同设备之间的连接，广泛应用于信息通讯、汽车电子、消费电子、监控设备、工业控制等众多市场领域。华经产业研究院数据显示，在 2021 年全球以太网物理层芯片下游应用领域中，汽车占比最多，达到 21%。

以太网物理层芯片是一个复杂的数模混合芯片系统，系以太网网络传输的物理接口收发器，定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，通过接口与 MAC 进行数据交换。传统消费以太网中常见有 MAC 与 PHY 采用集成芯片的形式存在，而考虑到芯片面积及模拟/数字混合架构的原因，车载以太网中，嵌入式芯片厂商一般都将MAC 集成在 MCU 内部，PHY 则采用独立芯片存在，由 OEM 或控制器供应商自己选择。  

  随着数据量的爆发式增长，国内车载以太网芯片物理层芯片市场规模快速增长。根据 IDC 发布的《DataAge 2025》报告预测，全球每年产生的数据将从 2018 年的 33ZB（十万亿亿字节）增长到 2025 年的 175ZB，呈现爆发式增长，在传输和交换方面带动了更大的市场需求。在汽车电子领域，近年来，随着 ADAS 和车联网的发展，汽车中摄像头、激光雷达等传感器数量不断增加，停车辅助、车道偏离预警、夜视辅助等使用场景不断丰富，车载数据量激增。

据北汇信息估算，一辆自动驾驶汽车每小时产生的数据量将达到 4TB，传统网络已难以满足汽车数据的传输需求。在此背景下，车载网络转向域控制和集中控制的趋势越来越明显，车内通信架构将逐渐向以太网升级，汽车中以太网芯片需求量也将快速提升。根据中国汽车技术研究中心的数据统计，2021 年全球以太网物理层芯片的市场规模为 120 亿元，预计 2025 年市场规模达到 300 亿元，年均复合增速为 25%；2021 年中国大陆以太网物理层芯片市场交易规模达 38 亿元，预计 2025 年中国大陆以太网物理层芯片市场规模有望突破 120 亿元，年复合增长率为 30%以上。   

  两个中央单元+三个交换机组成一个 ADAS 车载网络。以 Aquantia 的汽车以太网 ADAS 的基本网络拓扑结构为例，这是现有网络和未来建议网络的简化版本，其中有两个中央单元(GPU/CPU)，它们通过一个由三个交换机组成的网络，连接到所有的摄像机和传感器。来自摄像头和传感器的数据被发送到控制汽车的中央单元，而另一个中央单元用作备份，在第一个单元发生故障时接管汽车的控制权。网络根据系统的配置，将摄像头和传感器的数据发送到中心单元中的一个或两个，可以根据情况动态变化。除了驾驶辅助系统，网络还需要配合其他领域和应用程序，如存储、网关、远程信息等，所有这些都需要车载网络连接，并在苛刻的环境下稳定工作。   

  未来智能汽车单车以太网端口将超过百个，中国车载 PHY 芯片量超过 2.9 亿片。在物理层芯片方面，每一个传感器（包括摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达等）侧都需要部署一个 PHY 芯片以连接到 ADAS 域的交换机上，每个交换机节点也需要配置若干个 PHY 芯片，以输入从传感器端传输过来的数据，目前一辆车上的应用芯片量级在几个到十几个。

根据以太网联盟的预测，随着汽车智能化应用需求推动的车联网技术不断发展，未来智能汽车单车以太网端口将超过 100 个，为车载以太网芯片带来巨大的市场空间。近年来，中国的汽车年产销量均在 2,500 万辆以上，车载娱乐系统、导航系统等已逐步成为汽车的标配。根据中国汽车技术研究中心有限公司的预测，2021 年到 2025 年车载以太网 PHY 芯片出货量将呈十倍数量级的增长，2025 年中国车载以太网物理层芯片搭载量将超过 2.9 亿片。  

  1.2 以太网物理层芯片竞争格局高度集中，国产替代下自主品牌逐步发力

以太网物理层芯片领域集中度较高。全球拥有突出研发实力和规模化运营能力的以太网物理层芯片供应商主要集中在境外，呈现高度集中的市场竞争格局。欧美和中国台湾厂商经过多年发展，凭借资金、技术、客户资源、品牌等方面的积累，形成了巨大的领先优势。根据中国汽车技术研究中心有限公司的数据统计，在全球以太网物理芯片市场竞争中，博通、美满电子、瑞昱、德州仪器、高通稳居前列，以太网物理层芯片供应商 CR5 的市场份额占比高达 91%。在中国大陆市场，以太网物理层芯片市场基本被境外国际巨头所主导。2021 年全球以太网物理层芯片的市场规模达到 120 亿元。  

  国产替代趋势下，车载以太网物理层芯片自主品牌逐步发力。根据中国汽车技术研究中心有限公司的数据统计，全球车载以太网物理层芯片供应商主要由境外企业主导，美满电子、博通、瑞昱、德州仪器和恩智浦五家企业几乎占据了车载以太网物理层芯片全部市场份额，CR5 高达 99%。

根据中国汽车技术研究中心有限公司的数据统计，2020 年全球车载以太网芯片市场规模为 46.6 亿元。在芯片国产化的大趋势下，自主品牌逐步发力，不断提升产品性能，其中裕太微-U 在车载以太网物理层芯片上取得突破，逐步打破了境外垄断的局面。裕太微-U 自主研发的车载百兆以太网物理层芯片已通过 AEC-Q100 Grade 1 车规认证，并通过德国 C&S 实验室的互联互通兼容性测试，陆续进入德赛西威等国内知名汽车配套设施供应商进行测试并已实现销售，车载千兆以太网物理层芯片正在研发过程中；在新能源汽车智能化的趋势下，裕太微-U 的车载百兆以太网物理层芯片已进入广汽、北汽、上汽、吉利、一汽红旗等汽车行业知名客户供应链。  

  裕太微-U 车载百兆芯片 YT8010 主要技术参数与国际主流竞品基本一致。以裕太微-U 车载百兆芯片YT8010 为例，这是公司百兆芯片的主流产品，收入占 2021 年公司车载百兆产品收入的 100%，该产品对恩智浦和博通等境外巨头，其中恩智浦的 TJA1100 和博通的 BCM89811 是车载市场上的主流百兆以太网物理层芯片产品，广泛应用于汽车电子。在封装形式、接口支持类型、接口支持电压等技术参数上，公司产品与竞品相当；在可靠性上，公司产品通过强化的 ESD 保护电路设计为客户提供卓越的 ESD 防护能力，与可比公司已公开的竞品数据相比，公司 ESD 防护能力更为优异；在功耗水平上，公司产品介于竞争对手的参数之间。

总体而言，公司车载百兆以太网物理层芯片的主要技术参数与国际主流竞品基本一致，在可靠性指标上更具优势。  

1.3 为满足数据高速传输需求，车载 SerDes 芯片用量逐渐增长

  车载 SerDes 芯片通常成对使用，用以满足摄像头数据高速传输需求。SerDes 是一种主流的时分多路复用、点对点的串行通信技术，通常用于大通量、低延时的数据传输场景，市场上主要以 IP 形式为芯片提供通信能力，被广泛应用于服务器、汽车电子、通信等领域的高速互连。随着近年来自动驾驶的普及，车载摄像头的数量、分辨率都在快速增加，对摄像头数据的高速、无延时和无损传输的诉求持续增长，SerDes技术被用作车载摄像头数据传输的专用解决方案。车载 SerDes 以独立的芯片形式存在，其特点是收发成对使用，采用私有协议，同时具备反向通道等特征。与物理层芯片相比，SERDES 主要应用于高带宽、低成本、摄像头和显示屏之间的高速传输领域。  

  车载高速 SerDes 芯片主要用于摄像头和显示器间视频信号的传输。车载高速 SerDes 芯片主要适用于车载摄像头到 ADAS 域控制器、或座舱域控制器到车载显示屏幕的长距离、实时数据传输。目前车规 SerDes芯片具体可以应用到如 360 环视，基于视觉的自动驾驶，高清大屏的信息传输，多屏互联互动等场景，对传输的实时性要求高，在摄像头、显示屏两端的视频图像数据的单通道传输速率在 2-12Gbps 之间。

随着车内信息显示方式和人机交互方式的革新，以及车载信息娱乐需求的不断提升，座舱屏幕数量和分辨率均呈现快速增长，SerDes 芯片又被用于车机向座舱屏幕的大带宽数据传输，以及域控制器之间的高速实时数据传输。  

  自动驾驶级别、摄像头和显示器分辨率越高，SerDes 芯片的用量越大、速率越高。基于近年来蔚来 ET7、极氪 001、理想 L9、集度 01、零跑 C01 等重磅新车平均搭载 10 颗以上摄像头的趋势来看，据盖世汽车研究院预测，伴随 ADAS 的逐渐升级和加速渗透，叠加各个车企硬件冗余性高，预计至 2025 年平均单车摄像头搭载量有望接近 10 颗，预计单车 SerDes 芯片用量约为 20 个。不仅摄像头数量提升，车用摄像头的像素也节节攀升，叠加车载 SoC 芯片发展带来的算力提升，都将直接推动 SerDes 芯片速率和价值量的同步提升。从头部企业产品路线可以看到，中高速车载 SerDes 产品的市场需求正在快速增长。

经多方访谈调研，并综合全球平均单车摄像头、显示屏搭载量的增速，以及高像素摄像头、高分辨率显示器的渗透率走势等多项数据，盖世汽车研究院经分析预测，至 2023 年全球车载 SerDes 芯片市场规模将达到数十亿美元，未来十年市场规模朝百亿美元高速发展，其中中国市场发展潜力较大，有望占比四成。  

  1.4 车载 SerDes 芯片市场集中度高，本土供应商逐渐崭露头角

  车载 SerDes 芯片领域集中度高。在车载 SerDes 芯片领域，德州仪器、美信半导体几乎垄断了全球车载显示 SerDes 与车载摄像头 SerDes 市场。目前行业内可用的解决方案主要包括德州仪器的 FPD-Link、美信半导体的 GMSL、Inova Semiconductors 的 APIX、以及罗姆的 Clockless Link 等。同时，当前 SerDes 解决方案本质上都是专用的，想要实现组件之间的搭配使用，必须采用统一的芯片供应商的方案。为打破这一限制，宝马集团联合大陆集团、恩智浦等汽车、半导体领域巨头在 2019 年成立了 ASA 联盟，旨在制定统一的标准，但头部企业德州仪器、美信半导体未参与其中。此外，由多家半导体企业于 2018 年成立的 MIPI 联盟专注于提供有关要求的输入和协调，以确保 MIPI 满足汽车行业的需求。其中，以色列芯片企业 Valens是首家推出符合 MIPI A-PHY 技术的公司，并与日本索尼半导体公司、中国舜宇光学展开合作，致力于将其应用于下一代图像传感器产品及相机模组中。  

  本土车载 SerDes 供应商逐渐崭露头角。较工规芯片而言，车载 SerDes 芯片要求更加严苛，包括车载的电磁环境、工作温度环境、PPM 等，且对于寿命、安全性、可靠性要求更高，高筑的技术壁垒下本土玩家屈指可数。不过我国本土车载 SerDes 供应商逐步攻克技术难关，近几年逐渐开始崭露头角。其中，成立于 2017 年的慷智专注于车规级高速模拟混合信号 SERDES 芯片系列产品，其自主研发的车载实时视频传输协议 AHDL 和车载数字音频传输协议 AADL 拥有完整的知识产权。慷智的第一代车规级芯片目前已量产超百万片，客户包括长安、通用五菱、江淮、北汽、东风小康、奇瑞、上汽等，全新的第二代车载 SerDes 芯片系列最高可达 6Gbps，在 2023 年初已搭载客户车型正式进入量产。今年 4 月，瑞发科也正式发布了新一代车载 SerDes 芯片，单通道正向传输速率可支持从 2Gbps 到最高 12.8Gbps 速率，可支持最高达 1500 万像素的摄像头，以及 4K @ 60Hz 分辨率显示屏。瑞发科的新一代车载 SerDes 系列产品计划于下半年在多家国内头部主机厂的多个主流车型量产上车。

  2 星形拓扑凸显 TSN 交换芯片需求 车载以太网交换芯片规模快速增长

2.1 星形拓扑结构下以太网节点增加，TSN 交换芯片需求凸显

TSN 是车载网络下一代技术的重要演进方向之一。标准的以太网具有开放性好、互操作性好的技术优势，但调度方式导致网络性能往往不能满足确定性和实时性的要求。近年来，时间敏感网络（TSN）技术作为新一代以太网技术，因其符合标准的以太网架构，具有精准的流量调度能力，可以保证多种业务流量的共网高质量传输，兼具技术和成本优势，得以在音视频传输、工业、移动承载、车载网络等多个领域成为下一代网络承载技术的重要演进方向之一。TSN 是在非确定性的以太网中实现确定性的最小时间延时的协议族，是 IEEE 802.1 工作组中的 TSN 工作组开发的一套协议标准，定义了以太网数据传输的时间敏感机制。  

  TSN 技术是车载网络通信实现高可靠性和低时延的网络通信关键技术之一。TSN 时间敏感网络是数据链路层中主要发展的技术，为传统以太网增加了确定性和可靠性，保证确定性信息在标准以太网的不同场景下的顺利传输。目前 TSN 的发展已经可以满足汽车对可预测延迟和带宽持续增长的需求，在车载通信领域，目前汽车控制系统非常复杂，例如刹车、引擎、悬挂等可能采用 CAN 总线，灯光、车门、遥控采用LIN 系统，安全气囊、刹车、转向等可以采用 FlexRay 总线，娱乐应用采用 MOST 系统等。所有前述系统都可以用支持低延时且具有实时传输机制的 TSN 进行统一管理，降低给汽车和专业的信息娱乐设备增加网络功能的成本及复杂性。不过，由于 TSN 协议族庞大而复杂，在车载网络通信领域，汽车行业缺少 TSN 技术应用的实践经验，因此相关技术设计应用、测试验证等方法需要进一步探索。  

  基于星形拓扑结构，车载以太网节点若超过两个，则需要交换机连接各个模块。对于汽车行业来说，由于 ECU 经常处于增加与删减，而星型网络拓扑结构可以很方便的通过增加交换机数量来扩展网络，这对OEM 厂商具有很大的优势。星型网络拓扑结构是车载以太网常见拓扑结构之一，基于星形拓扑，当超过两个节点时，则需要一个交换机连接在每个模块的一端。当前多个节点的车载以太网的互联互通需要 TSN 交换机，TSN 交换实现机制可以兼容目前标准的以太网，在现有商用以太网交换芯片多数逻辑保持不变的情况下，只需增加时间同步和输出接口整型逻辑即可实现 TSN 交换。  

  交换芯片是交换机的核心部件，和物理层芯片在功能、位置、带宽等方面有所不同。以太网交换芯片是交换机的核心组成部分，通过物理层芯片与数据链路层（MAC）芯片配合或集成来实现更高层的网络交换功能。以太网交换芯片可以实现数据包的快速转发和交换，实现网络中数据的高效传输；可以对数据包进行过滤和分类，根据数据包的源地址、目的地址、协议类型等信息，实现数据流量的管理和控制。虽然交换芯片和物理层芯片在功能、位置、带宽和价格等方面有所不同，但它们在网络设备中都扮演着重要的角色，为通信网络提供了重要的支持和保障。  

  2.2 车载以太网交换芯片需求量快速增长，市场格局高度集中

当以太网作为未来车载骨干网时，各域控制器通过交换机实现信息交互。汽车网络发展的下一阶段或将使用以太网作为车载骨干网，而子网将是由若干域控制器组成的车载网络结构。在传统的车载网络架构中，车身控制域内部，各部件通过 CAN、LIN 沟通实现数据共享；而在娱乐子网中，娱乐域控制器与其子部件的通信将通过以太网实现。当基于域控制器的车载以太网架构作为骨干时，五个核心域控制器动力总成、底盘控制、车身、娱乐、ADAS 将被连接在一起，各个域控制器均通过车载以太网总线连接网关的交换机，用于实现各个域控制器之间的信息交互。考虑到自动驾驶对车载以太网的需求增长，未来 L3 级别以上的自动驾驶车辆将以车载以太网技术为主，车载以太网的渗透率将会不断提升。  

  车载以太网交换芯片市场规模快速增长。车载以太网交换机芯片也是智能驾驶和智能座舱的必用芯片。以 Aquantia 展望的未来车载网络为例（图 14），单车搭载以太网交换芯片数量为 3 个；从高端车型来看，以奔驰 S 级为例，单车搭载以太网交换芯片数量至少有 5 个。与车载以太网 PHY 芯片出货量相对应，车载以太网交换芯片同样呈高速增长态势。根据中国汽车技术研究中心有限公司的数据，2021 年中国大陆以太网交换芯片市场规模为 107 亿元，预计至 2025 年中国以太网交换芯片市场规模将达到 178 亿元，年均复合增长率保持在 13.5%左右；据 Mouser 统计，根据当前车载以太网交换芯片市场情况，假设车载交换芯片均采用 4 口（即单车需求量为 PHY 芯片的 1/4），预计国内车载以太网交换芯片市场规模将在 2025 年达到 137亿元，2021-2025。  

  车载以太网交换机市场格局高度集中，为境外国际巨头主导。车载以太网交换机厂家可分为两个梯队，第一梯队是美满电子和博通，都有最高支持 802.3ch 的产品（2.5/5/10GBASE-T1）。博通略强、价格较高，但产品线较长；美满价格略低，但比较聚焦汽车和企业网络领域，因此汽车领域美满的市场占有率更高。第二梯队包括微芯、恩智浦和瑞昱，最高仅支持 802.3cg（10BASE-T1S）。恩智浦可提供整体解决方案，比较聚焦汽车领域，市场占有率较高；而瑞昱主打高性价比，大众是其最大客户。

同以太网物理层芯片高度集中的市场竞争格局类似，车载以太网交换机的市场基本上被这五家境外国际巨头所主导。在国家集成电路自主可控战略背景与支持下，国科天迅 TSN 事业部历时 20 个月，成功流片国内首颗全国产化车规级 TSN交换芯片 TAS2010。TAS2010 作为通信核心主芯片，已成功搭载在一汽红旗 E-QM5 电动车的中央控制器网关设备上，成功通过 100 万公里实路实测试验，成为国内首颗通过车规级应用需求和规格应用验证的 TSN交换芯片。同时，TAS2010 已于 2023 年 4 月通过 AEC-Q100Grade2 可靠性检测，于 5 月成功获得道路车辆功能安全认证证书。  

3 预计 2025 年车载以太网+SerDes 芯片ASP约 1250 元

预计到 2025 年平均单车以太网+SERDES 芯片合计价值量（ASP）约为 1250 元。单车价值量方面，假设到 2025 年，单车平均搭载 10 个摄像头/显示屏、10 个雷达和 3 个交换机，考虑到视频传输所需速率要求更高，假设 10 个摄像头/显示屏均用高速 SERDES 芯片传输，车载雷达和域控之间采用不同速率的 PHY 和交换机连接，则单车以太网及 SERDES 芯片用量约为 10 对 SERDES 芯片+10 个 PHY+3 个交换芯片。

SERDES芯片方面，以 Ti 官网售价约$5 的一对 SERDES（DS90UB633A-Q1/DS90CR286A-Q1）为依据测算，则 SERDES芯片 单车 价值 量约为$50；PHY+交换 芯片 方面 ，以 NXP 官网 显示 的单 价$1.5 的百 兆 PHY 芯片（TJA1101BHN/0Z）和单价$12 的 TSN 交换机（SJA1110AEL）为测算依据，单车 SERDES+PHY+交换芯片的价值量约为$101；若以Ti官网显示的单价$5.0的千兆PHY（DP83TG720R-Q1）测算，单车SERDES+PHY+交换芯片的价值量约为$136，两种速率平均单车价值 量约为$119；再加上单价 $60 的网关芯片（NXP-S32G398AAAK1VUCT），则平均单车以太网+SERDES 芯片合计价值量约为$179（约 1250 元）。

预计到 2030 年后，L4 级别的车型将搭载 100 颗以上以太网芯片，假定其中有 12 颗摄像头（表 3）+4 个显示屏、其余为千兆 PHY，加上 5 个 TSN 交换芯片和 2 个网关芯片，届时单车以太网+SERDES 芯片价值量预计将达到$680（约 4760 元）  

    编辑：黄飞