車載SerDes技術(shù)概述、特點和應用詳解

1、SerDes概述

SerDes（Serializer/Deserializer）：一種高速串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，通過將多路低速并行信號轉(zhuǎn)換成高速串行信號，并在傳輸過程中保持數(shù)據(jù)的完整性和準確性，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。

圖：SerDes的概念

它的工作原理類似于書籍的翻頁：將一本厚重的書分解成一頁一頁的內(nèi)容，依次翻閱并重新組合。類似地，SerDes將多個并行數(shù)據(jù)信號拆分為較小的數(shù)據(jù)塊，并以串行方式進行傳輸，然后在接收端將這些數(shù)據(jù)塊重新組合成完整的并行數(shù)據(jù)。在汽車行業(yè)中，SerDes技術(shù)的應用日益廣泛，為車載電子系統(tǒng)提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸解決方案。

圖：并行傳輸和加入SerDes的串行數(shù)據(jù)傳輸對比

2、SerDes的應用場景

在現(xiàn)代汽車中，各種傳感器、攝像頭、雷達和通信設備等組件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大，需要高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。SerDes技術(shù)通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高速串行信號，并通過傳輸媒體（如光纜或銅線）進行傳輸，滿足了大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。同時，由于SerDes信道內(nèi)只傳輸串行數(shù)據(jù)，而不傳輸時鐘信號，可以有效避免高帶寬時鐘信號偏移的問題。

圖：from是德科技，車輛上包含多種數(shù)據(jù)速率的車載網(wǎng)絡

3、SerDes的結(jié)構(gòu)

SerDes的結(jié)構(gòu)主要包括三個模塊：PLL（Phase Locked Loop，鎖相環(huán)）模塊、發(fā)送模塊Tx和接收模塊Rx。發(fā)送模塊包括編碼器、驅(qū)動電路和FFE（Feed-Forward Equalizer）均衡器，用于將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行信號并進行驅(qū)動。接收模塊包含線性均衡器、解碼器和接收電路，用于接收串行信號并將其恢復為并行數(shù)據(jù)。

圖：一個典型的SerDes結(jié)構(gòu)框圖

在發(fā)送模塊中，輸入的并行數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路后，通過編碼器和擾碼器進行串行加密，然后通過FFE均衡器進行信號調(diào)節(jié)，并通過驅(qū)動電路發(fā)送出去。在接收模塊中，接收到的串行信號經(jīng)過線性均衡器和判決反饋均衡器處理，然后經(jīng)過時鐘恢復電路進行解串操作，并通過接收電路將數(shù)據(jù)恢復為并行信號。SerDes讓汽車電子系統(tǒng)可以實現(xiàn)高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，減少線纜數(shù)量，降低功耗。這使得SerDes在汽車中得到了廣泛應用。

并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c：多對多連接、能耗更大、因為封裝復雜使得IC更大、易受電磁干擾、增加延遲、skew平衡要求挑戰(zhàn)大。

串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c：一對一連接、節(jié)省電力、更少的管腳使得IC更緊湊、電磁性能更可靠、可以從數(shù)據(jù)恢復時鐘、幾乎無延遲。

4、SerDes的應用領(lǐng)域和解決方案

SerDes技術(shù)在大通量、低延時的數(shù)據(jù)傳輸場景中發(fā)揮著重要作用，并且在電信、消費類電子產(chǎn)品、數(shù)據(jù)中心和云計算等領(lǐng)域得到廣泛應用。近年來，隨著新能源汽車對攝像頭的廣泛應用，SerDes技術(shù)也被引入車端。

目前，高速SerDes技術(shù)主要用于傳輸攝像頭和Display視頻信號。其中，業(yè)界常用的接口之一是LVDS（低壓差分信號）接口，具有高速率（Gbps級）、低延遲和低功耗的特點。此接口不僅能傳輸大量數(shù)據(jù)，還帶有控制信號的雙向通道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸同時具備雙向控制功能。

在汽車應用中，當前的SerDes解決方案通常是專用的，這意味著如果不是所有組件都采用同一芯片供應商的方案，組件之間可能無法互相搭配使用。目前市場上有多種可用的解決方案，包括：

TI的FPD-Link：用于車載攝像頭的高速視頻傳輸解決方案。

Maxim的GMSL（Gigabit Multimedia Serial Link）：提供高速、可靠的傳輸解決方案，適用于車輛內(nèi)部多種視頻和數(shù)據(jù)傳輸。

Inova Semiconductors的APIX（Automotive Pixel Link）：用于高帶寬視頻和數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案，適用于車載顯示和攝像頭系統(tǒng)。Inova可提供APIX專有芯片，也可將其作為IP授權(quán)。APIX3的典型應用是汽車信息娛樂和娛樂系統(tǒng)，提供從1.5 Gbit / s，3 Gbit / s，6 Gbit / s到12 Gbit / s的帶寬操作模式。

Rohm的clossless link：提供無壓縮傳輸?shù)母咚賁erDes解決方案，用于車載多媒體和顯示應用。

在SerDes技術(shù)的芯片方面，涉及到多個廠商。以下是一些主要的供應商：

博通（Broadcom）：提供高性能的SerDes芯片，用于支持高速數(shù)據(jù)傳輸和通信需求。

新思（Synopsys）和Cadence：SerDes IP提供商，他們提供SerDes IP核心，可用于集成到自定義芯片設計中，以滿足不同應用領(lǐng)域的需求。

TI（德州儀器）和Maxim：在車載攝像頭和顯示方面提供SerDes芯片。它們的產(chǎn)品被廣泛應用于汽車領(lǐng)域，支持高速數(shù)據(jù)傳輸和視頻信號處理。

綜上所述，SerDes技術(shù)的產(chǎn)品形態(tài)多樣，不同供應商提供的SerDes芯片和解決方案可以滿足各種應用需求，推動了數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新。

5、車載SerDes芯片的應用和研發(fā)要求

車載SerDes被廣泛應用于汽車攝像頭與電子控制單元（ECU）之間的長距離數(shù)據(jù)傳輸。它扮演著將攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)傳輸給ECU進行處理和分析的關(guān)鍵角色。車載應用給SerDes帶來了更高的要求：

抗干擾性能：車載SerDes需要具備強大的抗干擾能力，能夠在車輛行駛過程中穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，不受來自引擎、電動機、無線電通信設備等電磁干擾源的影響。

可靠性：車載SerDes需要具備更高的可靠性，以確保在復雜的道路條件、溫度變化和震動等因素下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。這對SerDes的設計和制造提出了更高的要求。

低功耗：車載SerDes需要具備低功耗的特性，以降低整車系統(tǒng)的能耗，延長電池壽命。相比一般的SerDes，車載SerDes需要在功耗方面進行優(yōu)化。

延遲和帶寬：隨著汽車內(nèi)部電子系統(tǒng)的復雜性增加，對延遲和帶寬的需求也在不斷提高。例如，在自動駕駛汽車中，需要實時傳輸大量高清視頻和傳感器數(shù)據(jù)。因此，車載SerDes需要具備低延遲和高帶寬的能力，以滿足對實時性和數(shù)據(jù)處理能力的要求。

靈活性和可擴展性：汽車制造商對車輛內(nèi)部布線和電子系統(tǒng)的靈活性和可擴展性有著不同的需求。車載SerDes應具備可配置的特性，以適應不同車型和配置的需求。同時，它還應支持多種接口和協(xié)議標準，以便與現(xiàn)有的汽車電子系統(tǒng)無縫集成。

除了原有的SerDes設計經(jīng)驗，車載SerDes的開發(fā)團隊還需要具備功能安全開發(fā)經(jīng)驗和對車載應用場景和協(xié)議的理解。不同的車載SerDes協(xié)議在架構(gòu)、功耗和成本等方面存在差異，對系統(tǒng)應用環(huán)境、系統(tǒng)架構(gòu)以及其他部件的性能要求也有所不同。

6、SerDes芯片的市場規(guī)模

以太網(wǎng) vs SerDes：根據(jù)數(shù)據(jù)測算，采用SerDes方案相比目前的汽車以太網(wǎng)方案，系統(tǒng)BOM成本和功耗可以實現(xiàn)40%-50%的下降。此外，SerDes方案能夠?qū)崿F(xiàn)更好的原始視頻同步性和更低的延遲。

SerDes市場規(guī)模：每個車載攝像頭對應一顆發(fā)送（Tx）和一顆接收（Rx）的傳輸芯片。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2022年新能源汽車的每輛車平均有6個攝像頭和大屏，按照國內(nèi)2022年新能源汽車銷量700萬輛和每顆芯片3美元的估算，國內(nèi)車載SerDes芯片的市場規(guī)模約為16.6億元。

7、SerDes的協(xié)議

協(xié)議是SerDes技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾M成部分。私有協(xié)議和公有協(xié)議是車載SerDes領(lǐng)域的兩種不同的協(xié)議分類。目前，主流的芯片制造商如Ti、Maxim和ROHM都采用私有協(xié)議。私有協(xié)議的特點是封閉性強，限制了芯片的應用范圍，而公有協(xié)議如ASA、MIPI和HSMT則更具開放性。

私有協(xié)議在車載SerDes市場中占據(jù)主導地位的原因有幾個方面：車載SerDes的研發(fā)和應用需要滿足特定的車載場景需求，對芯片的設計和模擬技術(shù)要求較高；車載產(chǎn)品的安全性和可靠性要求也很高，因此客戶對私有協(xié)議芯片的引入持謹慎態(tài)度，通常會逐步將其應用到倒車、環(huán)視和自動駕駛等功能中；私有協(xié)議的封閉性導致SerDes芯片只能與特定的傳感器封裝配合使用，限制了產(chǎn)品的應用范圍。

然而，隨著公有協(xié)議產(chǎn)品的逐步推出，這種私有協(xié)議與車廠之間的博弈關(guān)系可能會發(fā)生變化。車廠有動力打破私有協(xié)議的市場格局，因為目前市場主要由Maxim和Ti壟斷，供應短缺、高價格、缺乏支持和技術(shù)更新緩慢已經(jīng)對車廠的供應鏈、成本控制、工程應用和車型規(guī)劃帶來了挑戰(zhàn)。公有協(xié)議的逐步發(fā)展將帶來透明的產(chǎn)品標準，方便免責；明確的測試標準，方便測試設備和軟件的適配；統(tǒng)一的應用標準，促進汽車一級供應商和制造商加快開發(fā)周期，并提升與其他商用設備的互操作性。因此，公有協(xié)議生態(tài)系統(tǒng)在未來五年內(nèi)有機會成為主流技術(shù)路線。

在公有協(xié)議中，當前國內(nèi)主要的競爭體現(xiàn)在HSMT和MIPI A-PHY之間，而ASA標準發(fā)展較慢。這兩者在技術(shù)標準、抗干擾性、工藝節(jié)點、芯片復雜度和啟動時間等方面存在差異。

HSMT的技術(shù)特點是正向速率范圍廣，抗干擾性強，工藝節(jié)點一般，芯片復雜度適中，啟動時間較晚（2020年）。而MIPI A-PHY在技術(shù)上采用了PAM調(diào)制，正向速率范圍相對較窄，抗干擾性中等，工藝節(jié)點要求高，芯片復雜度較高，啟動時間較早（2018年）。

從生態(tài)維度來看，MIPI A-PHY作為由國際組織和企業(yè)推動的標準，已經(jīng)在MIPI聯(lián)盟和IEEE等權(quán)威組織中得到認可，具有全球統(tǒng)一與通用的地位。而HSMT主要由國內(nèi)的汽車標準委員會、大型企業(yè)和芯片設計公司聯(lián)合推動，面向國內(nèi)市場需求。目前來看，HSMT在國內(nèi)外生態(tài)建設方面進展不如MIPI A-PHY，但基于HSMT標準開發(fā)的企業(yè)可能在產(chǎn)品性能、客戶驗證和上下游關(guān)系方面具有競爭優(yōu)勢，有望搶占市場先機，并持續(xù)受益于先發(fā)優(yōu)勢。

總之，車載SerDes系統(tǒng)需要綜合考慮供應鏈、電氣性能、功能安全性、技術(shù)創(chuàng)新和與整車廠的合作。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進步，車載SerDes系統(tǒng)將在提高駕駛安全性和用戶體驗方面發(fā)揮越來越重要的作用。

審核編輯：劉清