以下文章来源于佐思汽车研究 ,作者佐思汽研
车规级SerDes芯片的设计复杂性
随着大数据、AI和大模型的发展,作为主要用于大通量,低延时的数据传输场景的SerDes芯片,越来越显现于聚光灯之下。不同于常见的CPU、GPU和存储芯片,SerDes主要为核心主控芯片提供通信的能力,被广泛应用在电信、消费类电子产品、工业自动化、数据中心和云计算等领域。SerDes是SERializer(串行器)/DESerializer(解串器)的简称。发送端将多路低速并行信号转换成高速串行信号,经过传输媒介(光纤或铜线),在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号。这种点对点的串行通信技术充分利用传输媒体的信道容量,减少所需的传输信道和器件引脚数目,提升信号速度,从而大大降低通信成本。
图1 serdes电路的示意图
来源:网络
在SerDes流行之前,芯片之间是通过系统同步或源同步并行接口来传输数据的。随着数据传输技术的发展,传统并行接口的速度已经达到一个瓶颈,取而代之的是速度更快的串行接口,于是原本用于光纤通信的SerDes技术成为了高速串行接口的主流。为实现高速高带宽,SerDes芯片综合运用了多路信号复用技术、时钟数据恢复CDR(Clock Data Recovery)技术、低电压差分信号技术。
信息都是以模拟信号传输的。信号复用是指在传输路径上综合多路信道,然后恢复原机制或解除终端各信道复用技术的过程。如上图,SerDes芯片是一种典型的模数混合芯片,成对使用,在发射端要经过数模转换DAC,接收端要经过模数转换ADC。一个二进制信号,比如0或1,就是1bit。传输同样的数据量,一次传输1bit,需要的采样频率就高。目前常用的PAM4,一次传输2bit。时钟信号与数据并行传输时,无法达到1Gb/s以上的带宽。超过这个带宽,会出现非常严重的时钟信号偏移。工程师采用了CDR技术解决这个问题,所谓CDR就是通过数据编码把时钟信息嵌入到传输的数据流里,然后在接收端通过时钟恢复将时钟信息提取出来,并用这个恢复出来的时钟对数据进行采样。CDR主要挑战在于抖动和噪音干扰。因此采用了差分信号技术。差分信号由一对相反信号组成,接收端以两者的大小关系来识别“0”和“1”,信号在传输过程中即使受到干扰,大小关系也不会发生变化,保持了传输信号的完整性。目前在SerDes领域较常见的是低电压差分信号(LVDS)。以上可见,采用SerDes芯片的优点很明显:更少I/O接口数量,更小封装,更少走线,更低成本;有效降低电磁干扰,有效降低噪声和串扰。随之而来的就是系统的设计复杂程度高,开发和功能验证成本高。设计这些模拟子系统和数字控制功能模块需要一个熟练的模拟/混合信号设计团队来完成。与工规SerDes芯片相比,车规级SerDes芯片带来了更高的要求:强大的抗干扰性能:能够在车辆行驶状态下稳定传输数据,不受来自车辆自身传感器、路端传感器、无线电通信设备、外部环境等电磁干扰源的影响。高可靠性:由于车载摄像头是自动驾驶不可或缺的感知器件,如何确保数据传输的稳定性和可靠性,对SerDes的设计和功能验证提出了更高的要求。低延迟和高带宽:一颗800W像素4K车载摄像头每秒产生的数据是5.75G,随着自动驾驶和智能座舱的发展,需要实时传输大量高清视频和传感器数据。因此,车载SerDes需要具备低延迟和高带宽的能力,以满足对实时性和数据处理能力的要求。灵活性和可扩展性:尽管车辆电子电气架构趋于集中化,但主机厂对系统配置的灵活性和可扩展性仍然有着高需求。车载SerDes应具备可配置的特性,以适应不同车型和配置的需求。同时,它还应支持开放式的协议标准,以便主机厂或Tier1对系统进行整合与集成。
2年达成量产的国产新锐
如果不是北京车展期间见证,很难相信有这么一家企业,成立于2022年2月,同年5月启动研发,2年时间达成量产。近些年来,随着新能源汽车进入智能化竞争阶段,摄像头开始在车端广泛应用,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无损传输要求越发严苛;智能座舱的多屏联动;高算力SoC芯片的发展,整个行业都洞察到了对高速率SerDes芯片的迫切需求,从一款被行业巨头垄断多年鲜有人问津的冷门芯片,突然之间,SerDes芯片成了投资机构关注的热门赛道,二三十家公司进入这个领域,做SoC的,做ADC的、做IP的等等,能在车展上公开展示实际产品Demo应用性能的寥寥无几。2022年成立于南京的仁芯科技,2024年已在成都、上海、北京、青岛多地设立了研发与运营中心,2024年4月26日,仁芯科技在第十八届北京国际汽车展览会上,举行首颗16Gbps高性能车载SerDes芯片产品发布会,宣布仁芯科技SerDes芯片R-LinC量产上市。起步虽晚,然而后发而朝至。
高传输速率:R-LinC支持高达16Gbps的传输速率,15米远的传输距离,插损补偿能力可达到30dB+,速率和工艺目前领先同行1-2代。
对比之下,美信半导体Maxim的GSML的最高传输速率为12Gbps;德州仪器TI的FPD-Link的最高传输速率仅8.4Gbps,索尼半导体的GVIF为8.63Gbps,而GVIF仅配置日本丰田汽车旗下部分高端车型。高稳定性:R-LinC已于近日获得ISO 26262最新的ASIL B Ready功能安全产品认证证书,这标志着自R-LinC在车载应用场景已具备切实功能安全保障,达到国际标准体系认证,进一步为快速量产奠定坚实基础。低成本:R-LinC采用了高集成度接口方案,有效简化了网络拓扑,减少了芯片、线束和连接器数量。在加串芯片方面,R-LinC实现了2路合1的高效集成;在解串芯片方面,更是实现了6路合1的突破,这大大降低了系统的复杂性和成本。在今年汽车行业越来越内卷的竞争压力下,主机厂和Tier1同时面临着产品技术迭代升级和降本压力,围绕降本增效的需求,仁芯科技依托领先技术实力,实现R-LinC “高速、高稳定性、低方案成本”的“二高一低”极致性价比。与TI/ADI一样,仁芯目前采用的是私有协议R-LinC,但也在积极跟进、关注和参与包括汽标委在内的各标准的制定和发展,并已做好了相应的、适合仁芯发展路径的产品和市场规划。目前多个车载SerDes技术(APHY、ASA)标准均未最后冻结,仍处于更新中,既没有通过产品规模出货的验证,更没有被行业广泛接受和普遍采用,还有着很多的不确定性,因此,需要长时间的关注和发展,不适合创业公司一开始就做站队选择和规模投入。另外,车载SerDes是一个跨零部件连接的、点对点桥接芯片方案,即便是标准,通信本身也具有互联互通和兼容性的特征和风险,在实际工程实施中,会增加故障定位、责任认定的难度,扩大项目交付的风险。因此,即便是标准,也会采用收发成对的芯片解决方案,没有需要不同产品之间的收发互联互通的刚性需求。与之相对应的芯片采购也同样,即便缺货,大概率也是成对缺货。因此,仅就目前车载SerDes的应用场景而言,互联互通标准的必要性有待商榷。如果就没有互联互通需求的角度而言,标准等同于私有协议。
高执行力团队成人达己
仁芯科技创始团队来自高通、Synopsys、通用汽车等国际头部企业,具备15+年的芯片设计和汽车电子的产品商业化经验,技术团队开发过多颗高可靠性的高速SerDes芯片产品,累计量产出货量1,000万颗。其中,创始人之前是全球头部芯片企业的高管,长期负责中国汽车芯片产品市场的开发,汽车芯片设计市场的规划、管理,以及相关技术的推广。
长期奋斗在市场一线,具有对市场、对客户需求的深刻理解与认知:如何做出差异化的产品、如何从根本上帮助客户实现产品降本?从市场中来到市场中去的仁芯团队强调“成人达己、达己成人”的价值理念,即仁芯团队认为产品的本质是为客户创造价值,只有为客户创造价值了,企业才能具备价值。在此理念指引下,仁芯团队稳扎稳打,分秒必争,2年时间完成了仁芯科技首颗16Gbps高性能车载SerDes芯片R-LinC从研发到工程和量产的准备。一次把事情做对
两年达成量产,意味着产品设计方面没有任何犯错的空间。
芯片业的马太效应显著,如果只是做简单复制和替代,成本肯定拼不过行业巨头,意味着领先企业只要降价追随者就没有退路,国内汽车芯片企业要长期立足,必须具备自己的核心竞争力和差异性。国外巨头是航母,国内初创企业只是小舢板,要成长壮大起来就一定要走差异化竞争路线。在此战略的指引下,仁芯科技采取扎实的产品研发策略+步步为营的市场策略:“公司从融资节奏、资金规划到整个产品的商业化进程,早在两年前就已经做好了周详的设计和规划,关键是执行和交付能力!我们一直在跟时间抢速度,跟时间赛跑,因为给到我们创业公司的时间窗口很有限,我们必须要快!”生态布局创造共赢
因为芯片跟生态结合关系太紧密,包括模组、Tier1、SoC、线束等这些企业,SerDes虽然是个桥接芯片,但它连接的东西很多,所以对生态要求很高。仁芯科技的创始团队深知芯片公司的发展对行业生态的依赖性,因此围绕行业上下游共同发展,提供一体化Turn key交钥匙解决方案。比如,在CIS方面与索尼以及多家国内模组头部企业,联合打造和推动基于17MP摄像头的智驾5V超级视觉方案;在SoC方面积极参与地平线J6新平台项目并展开深度合作等。
另外,公司有意识引入产业合作伙伴作为战略投资方,共同发展,也共享公司成长价值。目前地平线、德赛西威、电连都是公司的战略投资人。在北京车展期间的公司展台上,仁芯科技展示与多家合作伙伴的解决方案,覆盖智驾、座舱视觉应用的全场景。
撸起袖子加油干
公司上下的努力也获得了新老股东的认可,4月24日,仁芯科技再次宣布获近亿元Pre-A++轮融资,这也是仁芯科技成立2年以来的第四轮融资,累计融资近3亿元。
4月26日,仁芯科技在发布其第一代R-LinC产品的当日,携手CIS(CMOS图像传感器)领先企业索尼半导体上海公司于北京车展重磅发布“智驾5V超级视觉解决方案”。该方案采用超高分辨率传感器、超大广角镜头以及出众的超高速传输技术,成功突破传统车载视觉方案的技术瓶颈和成本壁垒,为行业带来了革命性创新价值,成为本届车展的关注焦点。实际上,仁芯在头部车企做完工程样片测试已经是1月份了,这次北京车展所展示的10套基于不同SoC和传感器的Live Demo,其所有相关的软硬件和系统开发,是仁芯团队在2个月左右的时间内自主完成,本次展会的巨大成功也再次验证了“仁芯速度”!
在笔者27日北京车展期间走进仁芯展厅与公司创始人兼CEO党伟光交流时,由于连日的劳累,他已经在接待室的小沙发上睡着了,不忍打扰,因此我等了一会。
在随后的采访过程中,党伟光透露这样的忙碌早已是常态,创业公司拼的就是速度,拼的就是效率。未来,高阶自动驾驶的发展对车载通信的高性能SerDes芯片的市场需求具有确定性。预计2025年,全球SerDes芯片市场需求将达到12亿颗,市场规模300亿元;中国市场销量将达到3~4亿颗,市场规模约100亿元。到2025年甚至更长的时间里,SerDes将是车载视频图像实时传输的主流技术。笔者相信,对于这一批本土化的SerDes芯片初创企业来说,未来2~3年将是最关键时期,诸如仁芯科技这般有实力的玩家,抓住这个窗口期,才能在这片广阔的天空中翱翔。