全車乙太網路巧搭Zonal架構　成本/TSN為決勝關鍵

產研機構Technavio 2023年2月報告顯示，全球車用乙太網路(Automotive Ethernet)市場規模預計2022~2027年將以20.88%的年複合成長率(CAGR)成長。Research Nester也預測，車用乙太網路的市場規模將在2033年底超過175億美元，在2023~2033十年觀察期中，實現21.3%的年複合成長率。

汽車產業正迎來自駕化、電氣化趨勢，車內半導體元件翻倍成長並大幅提升資料傳輸量，如何簡化車內線纜並實現高速傳輸成為關鍵。乙太網路能夠滿足高速資料傳輸需求，為骨幹網路(Backbone Network)首選，並隨著標準演進逐步朝整合全車網路的方向邁進，是未來汽車架構及車內網路轉型過程中的重要角色。

Zonal架構勢在必行　全乙太網路汽車扮演要角

汽車功能與日俱增，車內元件的複雜性也隨之提升。為因應此趨勢，車內網路架構掀起革命浪潮，旨在減少線纜使用，並重視透過軟體更新升級的能力。車用乙太網路具備整合全車網路的潛力，為汽車架構轉型的重要推力。

Marvell汽車事業部行銷副總Amir Bar-Niv(圖1)表示，Marvell以車用電子元件供應商的身分觀察，發現2015年之前，汽車為「裝置導向」，各種功能以各自處理器獨立運作，系統之間互動極少，因此車內幾乎沒有網路連接需求；2015~2025年，我們正處於「應用導向/Domain架構」階段，不同功能域(Domain)整合相關裝置，例如資通訊系統Domain中包含收音機、GPS、CarPlay或Android的作業系統(OS)等。此階段由CAN、LIN、乙太網路等協定攜手滿足車內網路通訊需求，每個Domain具有其ECU或處理器，並直接與車內負責功能進行連接，Domain之間交流較少。這樣的架構仍需要大量線纜，增加汽車的成本及重量。

最後，目前已經可以看見汽車走向「資料及軟體導向/Zonal架構」的未來趨勢，車內軟體數量將十分可觀，持續朝軟體定義汽車(SDV)發展。在此階段，Marvell預期車內網路將轉向Zonal架構，以位置為基準，根據車款性能需求，將汽車內部劃分為約2~6個Zone，由乙太網路提供端到端的整車式連接力。在Zonal架構中，每個裝置皆連接至乙太網路交換器(Switch)，透過單對乙太網路作為骨幹網路高速傳送資料，乙太網路可以說是讓汽車從Domain向Zonal架構轉型的關鍵要素(圖2)。

低速應用為例外　CAN/乙太網路搶攻10Mbps

車用乙太網路作為Zonal架構的整車式網路方案，潛力可期。不過，對於不需要高速傳輸的功能來說，採用乙太網路的成本過高，如何降低成本並確保乙太網路性能與現有協定相比具有競爭力，將決定乙太網路是否能順利朝全車式網路發展。Bar-Niv指出，在邁向全乙太網路汽車的過程中，成本低且可靠的CAN可能將成為唯一的例外，將持續在車內網路存在一段時間。

英飛凌汽車電子事業部大中華區高級市場經理韓穎表示，選擇通訊協定時，主要取決於傳輸的資料量，以及對於延遲的要求與限制。因此，韓穎認為，乙太網路能夠整合FlexRay、LVDS等，原本便規畫用於高速傳輸的協定；對於不把目標放在高速傳輸的CAN和LIN來說，由於角色定位和乙太網路不太一樣，因此仍具有存在價值，尤其在區域到節點之間的通訊，預期還是將以CAN和LIN為主。安森美先進方案部業務拓展與方案開發高級市場經理Min Su You(圖3)也提到，在車窗升降等不講究速度的應用，LIN仍是支援在地網路的必要技術，並將在所有級別的車輛中部署，安森美的產品線也將包括升級的LIN和CAN IP。

為了因應低速應用需求，車用乙太網路向下推出10BASE-T1S標準，提供10Mbps傳輸速度，意圖和CAN競爭。不過，CAN也向上推出可達10Mbps的CAN XL最新協定，現在10Mbps的車內網路出現兩大陣營，未來發展值得觀察。

You表示，2023~2024年將是轉捩點，屆時新的開發項目不會默認選擇CAN，而是研究如何將乙太網路整合為通訊協定，為下一代平台預作準備，並在有限的應用中促進與骨幹網路的通訊。

TSN確定性傳輸保障汽車安全

除了成本優勢，CAN和LIN也能以確定性機制，確保關鍵資訊在車輛內的可靠傳輸，這點對於車內關鍵應用十分重要。由於乙太網路並非穩定的網路技術，不能保證資訊準時、正確地從發送端傳輸到接收端，時間敏感性網路(TSN)標準的發展因此成為關注焦點。

IEEE 802.1Qbv「計畫流量增強」為乙太網路通用的TSN標準，恩智浦半導體資深副總裁暨車內網絡產品線總經理Meindert van den Beld(圖4)說明，該標準定義了在網路端節點之間實現確定性通訊延遲的機制。恩智浦透過實驗證實，為了實現最低可能延遲，有必要在Qbv中選擇足夠大的計畫時隙，也必須將計畫流量源與網路中的交換器同步，並且交換器必須在硬體上支援Qbv機制。此外，當網路中其他流量在計畫時隙期間受阻時，分配給這些流量的頻寬就會減少。

IEEE長期針對TSN推出適用於不同應用的標準，目前也正在專門針對車用乙太網路制定IEEE P802.1DG TSN標準，未來待標準推出，可望透過確定性延遲(Deterministic Latency)提升車用乙太網路的整體安全性。

成本影響採用　業界持續探索乙太網路潛力

近年內，車內網路將持續按照乙太網路加上其他輔助網路的模式發展。比起新技術，業界將著重探索如何讓車用乙太網路滿足汽車的諸多特殊需求，比如對於通訊即時性及穩定性的要求。

台灣博世原廠汽車零件業務部總經理楊建新認為，下一代車內網路仍將以乙太網路為骨幹網路，和多種匯流排技術並存。全車乙太網路是主流廠商研究的熱點，能否落實則取決於乙太網路的成本在未來是否下降。博世工程技術可以針對不同車型提供車內匯流排技術的規範制定、網路設計、模擬和測試服務，目前預期2023~2024年間，車內乙太網路相關晶片將陸續面世，考慮成本及應用等因素，OEM將主要聚焦於100BASE-T1及1000BASE-T1應用。