TSN芯片，上车！

半导体芯闻2025-01-08

一、以太网的历史以太网的寿命是惊人的。记录网络技术演变成以太网的备忘录被记于1973年5月。随着计算机多年来的发展，出现了许多变化，但以太网仍然是网络技术的选择。这是因为以太网不断地更新、进化新的能力来适应当前快速变化的计算机行业，在这个过程中变成了全世界应用最广泛的网络技术。1973年5月22日，在加州施乐帕罗奥托研究中心工作的鲍勃·梅特卡夫在备忘录上记述他发明的用于连接高级计算机工作站的...

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Protocol）能在一定程度上保证实时数据的传输，但并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制。因此，想要对所有的数据包进行排序，就离不开对数据的缓冲。但一旦采用缓冲的机制就又会带来新的问题—极大的延时。换句话说，当数据包在以太网中传输的时候从不考虑延时、排序和可靠交付。传统以太网最大的缺点是不确定性或者说非实时性，由于Ethernet采用CSMA/CD方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足车载控制的实时要求，故传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为“非确定性”的网络。尽管传统二层网络已经引入了优先级（Priority）机制，三层网络也已内置了服务质量（QoS）机制，仍然无法满足实时性数据的传输。此外，在传统以太网中，只有当现有的包都处理完后才会处理新到的包，即使是在Gbit/s的速率下也需要几百微秒的延迟，满足不了车内应用的需求。更何况目前是Mbit/s的速率，延迟最多可能达上百毫秒，这肯定是无法接受的。三、车载以太网的变革随着音视频娱乐大量进入汽车座舱，IEEE着手开发用于音视频传输的以太网，这就是AVB。AVB-音视频桥接技术（Audio Video Bridging）是IEEE的802.1任务组于2005开始制定的一套基于新的以太网架构的用于实时音视频的传输协议集。比如在一个带宽里，有非实时数据和3个实时数据流。未经整形的带宽，极易产生重叠：图：多重数据流产生重叠而经过流量整形每个流所占的带宽会在同一个时间节点，所有的非实时流可以见缝插针提高对带宽的占用率，这就是AVB的基本原理。图：经过流量整形的数据流AVB主要在针对多媒体数据，适用面太窄，2012年11月，AVB工作小组改名TSN工作小组。TSN是一系列标准的集合，TSN的核心应用是异构性网络的实时、高可靠性，高时钟同步性数据交换。也就是说主要用于骨干传输网，而非节点。TSN主要支持者包括思科、英特尔、瑞萨、库卡、三星、哈曼、宝马、通用汽车、现代汽车、博世、博通、德州仪器、NXP、三菱电机、LG、Marvell、通用电气等。TSN是一系列标准，非常庞大，也非常灵活，可以按需求选择。汽车、工业自动化是主要应用场合，这些场合至少有两种的传输总线，通常是CAN和以太网，汽车则还有MOST、Flexray、LIN、CAN-FD等，这些是用户习惯、成本和研发成果复用性决定的，不可能改变。如果非异构性网络，TSN优势不明显。四、TSN技术的关键TSN标准包括时钟同步、低延迟、可靠性、资源管理四大类。图：TSN标准全览1时钟同步所有通信问题均基于时钟，确保时钟同步精度是最为基础的问题，TSN工作组开发基于IEEE1588的协议，并制定新的标准IEEE802.1AS-Rev。它用于实现高精度的时钟同步。对于TSN而言，其最为重要的不是“最快的传输”和“平均延时”，而是“最差状态下的延时”—这如同“木桶理论”，系统的能力取决于最短的那块板，即对于确定性网络而言，最差的延时才是系统的延时定义。图：“木桶理论”IEEE1588 协议，又称 PTP（ precise time protocol，精确时间协议），可以达到亚微秒级别时间同步精度。它的主要原理是通过一个同步信号周期性地对网络中所有节点的时钟进行校正同步，可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步，IEEE 1588PTP时钟同步技术也可以应用于任何组播网络中。图：802.1AS时钟实时冗余目前主流的802.1AS增加了时钟冗余和时钟传输路径冗余的实现，对满足车辆功能安全的需求提供了统一的解决方案。如图示例，TSN可以确保主控单元、后座娱乐系统以及功放控制器这三个模块的精确时钟同步，确保每一帧画面和音频的同步播放，从而有效保障了车载环境中的影音播放质量，给予终端消费者完美的娱乐体验。2低延迟汽车控制数据可以分为三种，Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic，Scheduled Traffic如底盘控制数据，没有任何的妥协余地，必须按照严格的时间要求送达，有些是只需要尽力而为的如娱乐系统数据，可以灵活掌握。汽车行业一般要求底盘系统延迟不超过5毫秒，最好是2.5毫秒或1毫秒，这也是车载以太网与通用以太网最大不同之处，要求低延迟。在TSN标准里，数据则被分为4级，最高的预计延迟时间仅为100微秒，低延迟的核心标准是IEEE802.1Qbv时间感知队列。通过时间感知整形器（Time Aware Shaper）使TSN交换机能够来控制队列流量（queued traffic），以太网帧被标识并指派给基于优先级的VLAN Tag，每个队列在一个时间表中定义，然后这些数据队列报文的在预定时间窗口在出口执行传输，其他队列将被锁定在规定时间窗口里。因此消除了周期性数据被非周期性数据所影响的结果。这意味着每个交换机的延迟是确定的，可知的。而在TSN网络的数据报文延时被得到保障。在网络进行配置时队列分为Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic三种，对于Schedule而言则直接按照原定的时间规划通过，其他则按优先级，Best-effort通常排在最后。Qbv主要为那些时间严苛型应用而设计，其必须确保非常低的抖动和延时。Qbv确保了实时数据的传输，以及其他非实时数据的交换。对于特别重要的数据，TSN规定了一个抢占机制，它由802.1Qbu/802.3br共同构成。对于IEEE802.1Qbu的抢占而言，正在进行的传输可以被中断，报文按等级可被分为可被抢占和抢占帧，抢占生成框架，最小以太网帧受到保护的，127字节的数据帧（或剩余帧）不能被抢占。IEEE802.1br定义了，设计了快速帧的MAC数据通道，可以抢占Preemptable MAC的数据传输。举个例子，某些关键的自动驾驶数据可以通过抢占机制，通过类似高速的应急通道对普通数据进行加速超车，从而提高了整体网络的灵活性。3高可靠性TSN中保证高可靠性主要依靠802.1CB标准。这也是无人驾驶必须用TSN的主要原因，也只有TSN能让整个系统达到功能安全的最高等级ASIL D级。同样，与自适应AUTOSAR的捆绑程度也比较高。众所周知，L4级无人驾驶需要一个冗余处理器，但是主处理系统和冗余处理系统之间的通讯机制如何建立？这就是802.1CB的用武之地了。802.1CB是两套系统间的冗余，芯片之间的冗余还是多采用PCIE交换机的多主机fail-operational机制，两者有相似之处。对于非常重要的数据，802.1CB会多发送一个数据备份，这个备份会沿着最远离主数据路径交集的路径传输。如果两个数据都接收到，在接收端把冗余帧消除，如果只接收到一帧数据，那么就进入后备模式。在ISO/IEC 62439-3中已经定义了PRP和HSR两种冗余，这种属于全局冗余，成本较高，802.1CB只针对关键帧做冗余，降低了成本。域控制器阶段，TSN的必要性还不是太突出，但是ADAS领域的域控制器，TSN的优势明显，未来进入到SOA架构阶段，即混合域和Zonal阶段，TSN交换机和物理层IC都是不可或缺的。一旦转进到SOA架构，TSN很快将取代AVB成为主流。4资源管理TSN的网络资源管理主要标准是802.1Qcc，802.1Qcc用于实现对网络参数的动态配置，以满足设备节点和数据需求的各种变化。802.1Qci主要为防止网络攻击和流量过载设计，又称之为Ingress Policing，它对每个流量都进行过滤和管理，简称PSFR，数据流滤波器包括数据ID、优先权、滤波值、Meter（计量）ID、计数器。图：802.1Qci保证无人车网络安全的入口管理802.1Qci专门对付DDoS这样的网络攻击，假如一个数据流流量突然增大，有可能挤压另一个数据流的带宽时，入口管理政策会将数据流整形，强制回到数据流爆发前的状态。此外，802.1Qci还可以对付ARP欺骗攻击，802.1Qci可以识别这种欺骗，并阻止错误信息的发送。五、TSN芯片的应用2010年后，IEEE着手将以太网全面升级为TSN网，整个过程可能需要20年。TSN应用范围很广，涵盖6个领域，分别是：1. 以太网音视频桥即AVB，802.1BA标准；2. 5G射频前传FrontHaul，即802.1CM/de标准；3. 工业自动化即IEC/IEEE 60802标准；4. 车载TSN即802.1DG标准；5. 服务供应商Service Provider即802.1DF标准；6. 航天Aerospace Onboard即IEEE P802.1DP/SAE AS6675标准。早在二十一世纪的第一个十年，一个叫作航空电子全双工交换式以太网（AFDX，Avionics Full Duplex Switched Ethernet）的技术已经在民用客机上落地。目前为止，空客A380、A350，波音B787都使用了AFDX。AFDX的思路就是用以太构建飞机上的骨干网，混合承载多种流量。通过对流量的源端整形，在网络设备上使用优先级调度，运用确定性网络演算（DNC，Deterministic Network Calculus）技术计算出所有流量的时延上界——该上界满足各流量相应的需求，这是飞机通过有关当局适航验证的必要条件之一。值得一提的是，TSN中，使用CBS、ATS等方案保障时延，也依赖于网络演算技术计算精准的时延上界。有了AFDX作为成功案例，机载网络准备“拥抱”TSN也就显得顺理成章。相对于AFDX，TSN可以提供更多更灵活的调度机制和更丰富的功能。图：空客A380机载网络采用环网以太网当前车内网络总线种类繁多、布线成本高，而且线缆总重量很大。车内最重的，除了引擎和底盘，就是线缆了。随着汽车技术的发展，高级辅助驾驶系统（ADAS）、车载娱乐、车联网应用等都引入了新的流量。随着车内电子电气架构革新，车载网络以太化、基于交换式以太构建车内骨干网络，成为大趋势。车载网络对时延有要求的流量，一类是控制流量，例如控制天窗，时延较大会影响用户的体验，还有一类是传感信息、媒体类的流量，同样地，既有来自如激光雷达、毫米波雷达、视频摄像头的流量，这些与安全相关，也有车载娱乐相关的音视频流量。显而易见的是，这些流量的特征和需求各异，有的占带宽大、有的占带宽小，有的是周期性的、有的是事件触发的，有的要求有界低时延和极高可靠性，有的仅要求一定的有界时延。因此，仅仅是普通的以太网车载网络，不足以满足上述需求，TSN自然而然地成为了首选。另外，AVB已经是当前汽车上几种音视频方案的选项之一，也为向TSN的过渡打下基础。TSN以太网上基于AS实现时钟同步，建立了一个有弹性可扩展的架构，之后与同步相关的需求都可以纳入同一个框架里轻松解决，在可行性和前瞻性中间达到了一个平衡，以不变应万变。综上以太环网加TSN的解决方案会在未来成为一个必选项。图：华为CCA架构的理想形态六、TSN芯片的未来以太网技术诞生40多年，在很多领域其实是以挑战者的身份出现最后占据了统治地位，比如在电信网络中挑落ATM技术，在高性能计算网络中击败Infiniband技术，车载网络里面对MOST以太网也是后来居上。以太网所依仗的优势无非这几点：（速率）量大管饱，没有专利墙，协议简单，行业应用广泛可以互相借鉴。这里所有点其实都命中同一个关键词就是“省钱”。尽管现阶段车载以太网的成本优势不够大，但随着渗透率的提高，TSN以太网在不久的将来会成为最经济的选择。当前渗透率最高的摄像头通信是SerDes（GMSL是其中一种实现方式）占据主流，那以太网还有机会吗？其实是有的，比如Marvell就一直在推以太网传摄像头数据的方案。图：Marvell的以太网传输传感器数据的方案原因在于：未来以太网成本降低会带来经济性方面的优势，近一两年涌现的车载算力集中化的实现可能将过往摄像头自带的图像处理/视频压缩等能力转移到自驾域控上，而无压缩原始视频的传输会对通信链路提出更高的带宽需求（1Gbps to 10/25Gbps），而这超出了SerDes的能力范围。基于车载应用的日新月异，未来会存在传感器间互动的需求，基于分组交换的以太网比点到点的SerDes实现起来方便多了，这也是当前在具身智能领域内网通信普遍采用以太网的原因－传感器间互动频繁。综上TSN以太网在自驾域乃至整个车载网络中的地位可以说“绝对权重，未来可期”。未来Zonal架构下，单车搭载7片以上的TSN以太网交换芯片，对应千元级别的单车价值量。图：TSN为骨干网的Zonal架构虽然当前国内车载以太网芯片的市场规模已超百亿，但国内车载TSN以太网交换芯片的供应大多来自美满电子和博通，国内自主供应处于空白。一方面是行业壁垒较高，需要对通信有较深的积累，另一方面虽然当前国内汽车智能化进度领先，但在此之前美资厂商博通和美满电子在底层应用和技术上与海外主机厂配合较多，拥有一定话语权。图：小鹏P7自驾域控制器，绿色框为Marvell的车载以太网芯片88EA6321图：理想L9自驾域控制器，3号蓝框为Marvell的车载TSN以太网芯片88Q5072，4号蓝框为Marvell的车载TSN以太网芯片88Q61132024年底，美国商务部以维护国家安全为由，宣布了新的出口管制规定，将140家中国企业列入实体清单，将更多半导体设备、高带宽存储芯片等半导体产品列入出口管制。包括中国汽车工业协会、中国半导体行业协会在内的多个官方组织表示：“美国政府随意修改管制规则，严重影响了美国芯片产品的稳定供应，中国汽车行业对采购美国企业芯片产品的信任和信心正在被动摇，美国汽车芯片产品不再可靠、不再安全。为保障汽车产业链、供应链安全稳定，协会建议中国汽车企业谨慎采购美国芯片。”随着《国家汽车芯片标准体系建设指南》白皮书的出台，国内的车规芯片厂商相继开始破冰，据主机厂供应链消息，多家主机厂正在导入国内厂商奕泰微的车载TSN以太网交换芯片。图：主机厂导入中的国产车载TSN交换芯片在可以预见的未来，与国内智能化领先的主机厂携手，我们相信会走出一批世界一流的国产车规芯片厂商。","kind":"news","is_publish_news":true,"is_publish_highlight":false,"is_publish_live":false,"is_publish_wemedia":null,"editions":null,"column":"","sentiment":"0","news_tag":"","news_rank":0,"symbols":[],"gpt_button":1,"need_auth":false,"code":"91000000","status":"200"},"commentList":[],"isCommentEnd":true,"newsSizeData":{"likeSize":0,"commentSize":0,"repostSize":0,"favoriteSize":0,"likeStatus":false,"favoriteStatus":false},"APP":{"userAgent":"Mozilla/5.0 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