SerDes, Ethernet und die Halbleiter, die beide miteinander verbinden: Warum SerDes für Sensoren mit hoher Bandbreite?

Dies ist der zweite Teil Teil einer zweiteiligen Serie über die Entwicklung von Fahrzeugnetzwerken

Von:Yuichi Motohashi, stellvertretender Leiter des Bereichs Endmärkte bei GlobalFoundries

Da Fahrzeuge zunehmend auf Domain- und Hybrid-Zonen-Konzepte umgestellt werden, übertragen Sensoren immer häufiger Rohdaten oder nur geringfügig verarbeitete Daten an eine zentrale Plattform, wodurch sich die Kommunikationsanforderungen vom Austausch von Steuersignalen und Erkennungsergebnissen hin zu Streaming mit hoher Bandbreite, geringer Latenz und hoher Zuverlässigkeit verlagern. Diese Sensorverbindungen sind stark asymmetrisch: Hochauflösende Videodaten, LiDAR-Punktwolken und Radardaten werden in Richtung der Zentrale übertragen, während im Rückwärtskanal lediglich geringe Mengen an Konfigurations-, Synchronisations-, Steuerungs- und Diagnosedaten zurückgesendet werden.

SerDes (Serializer/Deserializer) entspricht diesem Profil. Es wandelt breitbandige parallele Sensordaten in einen seriellen Hochgeschwindigkeitsdatenstrom über eine saubere Punkt-zu-Punkt-Verbindung um, wodurch Protokoll-Overhead und Latenz minimiert werden, während viele Signale in wenige differentielle Hochgeschwindigkeitspaare oder koaxiale/geschirmte Kabel gebündelt werden, um die Verkabelung zu vereinfachen. Außerdem entlastet es den Sensor, indem es die Erkennung und Fusion auf den zentralen SoC verlagert und so kleinere Satellitensensoren mit geringerem Strompower ermöglicht. Entscheidend ist, dass sich SerDes und Ethernet ergänzen, anstatt miteinander zu konkurrieren. Ethernet eignet sich für Kfz-Netzwerke mit mehreren Knoten, während SerDes für dedizierte Verbindungen mit hoher Bandbreite geeignet ist, die Sensorströme mit geringer Latenz zum zentralen SoC übertragen.

Der Aufstieg von SerDes auf Basis offener Standards

SerDes-Technologien für den Automobilbereich haben sich dank bewährter proprietärer Technologien wie FPD-Link von TI, GMSL von Analog Devices, GVIF von Sony und APIX von Inova weiterentwickelt. Da in SDV-/Zonal-Fahrzeugen zunehmend Komponenten verschiedener Anbieter zum Einsatz kommen, möchten OEMs und Tier-1-Zulieferer Komponenten flexibel kombinieren, Design-Assets über mehrere Generationen hinweg wiederverwenden sowie die Verifizierung und Beschaffung ausweiten, was die offene Standardisierung vorantreibt:

• MIPI A-PHY ist eine asymmetrische PHY-Schnittstelle für große Entfernungen, die das bestehende MIPI-CSI-2/DSI-2-Ökosystem mit Remote-Computing verbindet; verabschiedet als IEEE 2977-2021.

• ASA Motion Link (ASA-ML) ist ein offener, asymmetrischer SerDes für Kameras, Radar, LiDAR und Displays. Seine ASA-MLE-Erweiterung überträgt Ethernet-Pakete über die Verbindung.

• OpenGMSL macht die GMSL-Erfahrungen von ADI für ein herstellerübergreifendes Ökosystem zugänglich, zu dem auch GF gehört.

• HSMT (QC/T 1217-2024) ist Chinas Standard für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung im Automobilbereich, der NRZ/PAM4 nutzt und für asymmetrische Sensor-/Display-Verbindungen konzipiert ist.

Der rote Faden besteht nicht darin, bestehende SerDes zu ersetzen, sondern darauf aufzubauen, um Interkonnektivität, Skalierbarkeit und Gestaltungsfreiheit für das SDV-/Zonal-Zeitalter zu schaffen.

Einbindung von SerDes-ähnlichen Verbindungen in das Ethernet/IP-Management

Der Kernvorteil von SerDes liegt im effizienten Punkt-zu-Punkt-Transport mit geringer Latenz. Der Konvergenztrend erweitert diese Verbindungen um Verwaltungsfunktionen im Stil von Ethernet/IP; er macht SerDes und Ethernet jedoch nicht zu ein und derselben Technologie. Vor diesem Hintergrund besteht der nächste Schritt darin, diese asymmetrischen, uplink-lastigen Verbindungen in das Ethernet/IP-Modell zu integrieren. Der entscheidende Rahmen ist, dass das Zonen-Backbone ein über Ethernet/IP verwaltetes Netzwerk ist, während Sensorverbindungen mit hoher Bandbreite zunehmend eine asymmetrische Konnektivität benötigen, die die Effizienz von SerDes mit der Verwaltbarkeit von Ethernet verbindet. Nach der Integration erhalten die Sensorverbindungen IP-Adressierung, Switching, Routing, QoS, TSN, Zeitsynchronisation, Diagnose, Sicherheit und OTA – alles unter einem einzigen Verwaltungsmodell, das Sensoren, Zonensteuerungen, den Zentralcomputer und sogar die Cloud-Koordination umfasst. Übergangsansätze übertragen Ethernet-Frames über bestehende SerDes-Verbindungen wie ASA-MLE oder eine Brücke in ein Ethernet-Netzwerk. Langfristig wird die physikalische Verkabelung zonenweise organisiert, während die logische Verwaltung schrittweise auf IP/Ethernet konvergiert – je nach Fahrzeugtyp, Bandbreite, Kosten und Zuverlässigkeit.

Mehr als nur die Beschleunigung durch den Wechsel von Kupfer zu Glasfaser

Mit steigender Sensoranzahl, Auflösung und Rechenleistung stößt Kupfer an seine Grenzen hinsichtlich Signalverlust, Entzerrung, power, Wärmeentwicklung und EMI/EMC. Hinzu kommen die Anforderungen der Automobilindustrie hinsichtlich Temperatur, Vibration, Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Steckverbinder. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, entwickelt sich die optische Kommunikation zu einer vielversprechenden Option für die Zukunft. Zwar ist sie heute noch nicht Mainstream, doch handelt es sich um eine Technologie, die sich in der Standardisierung befindet, wie beispielsweise das Multi-Gigabit-Glasfaser-Ethernet für den Automobilbereich nach IEEE 802.3cz-2023 (2,5G bis 50GBASE-AU). Glasfaser bietet hohe Bandbreite, geringe Anfälligkeit für und Erzeugung von EMI sowie Gewichtsvorteile, was für schnelle Zonen-Backbones und Verbindungen zwischen Rechensystemen attraktiv ist. Es ist jedoch zu beachten, dass Temperaturbedingungen im Fahrzeug, Vibrationen, die Haltbarkeit der Steckverbinder, die Langzeitzuverlässigkeit und die Kosten weiterhin Hürden darstellen, sodass die Einführung wahrscheinlich schrittweise erfolgen wird, beginnend mit den Anwendungen mit der höchsten Bandbreite. Die Siliziumphotonik, bei der optische Funktionen neben CMOS auf Silizium integriert werden, ist ein entscheidender Faktor für kompakte, Low-power- und hochzuverlässige optische I/O-Systeme im Automobilbereich.

Das Silizium dahinter: aus Sicht der Wafer-Technologie

Jeder Schritt dieser Entwicklung legt die Messlatte für die zugrunde liegende Halbleitertechnologie höher und erfordert Hochfrequenzleistung, niedrige power, geringes Rauschen, Zuverlässigkeit und langfristige Verfügbarkeit. GF bietet ein breites Technologieportfolio für SerDes/PHY, Ethernet-PHY und Zonen-/Domänen-Controller im Automobilbereich, während die Siliziumphotonik einen Ausgangspunkt für zukünftige optische I/O-Lösungen im Automobilbereich bildet:

• SerDes/PHY-Lösungen entwickeln sich in Richtung der 6/12/24-Gbit/s-Klasse und darüber hinaus. Dies erfordert symmetrische Transistoren mit hohem Ft/Fmax-Verhältnis sowie rauscharme analoge und digitale Schaltdichte – bereitgestellt durch 40LP AutoPro, 22UX, 22FDX und 12LP/12LP+ FinFET.

• High-Speed-Ethernet-PHYs, einschließlich der 10-Gbit/s-Klasse, werden im Zonal-Backbone eingesetzt und erzielen ihre beste Leistung auf funktionsreichen CMOS-, FDX- und FinFET/RF-Plattformen.

• GF unterstützt offene SerDes als Mitglied der OpenGMSL Association. Siliziumphotonik als Ausgangspunkt für zukünftige optische Ein- und Ausgänge im Automobilbereich.

• Ein Produktionsnetzwerk auf drei Kontinenten – in den USA, Europa und Singapur – in Verbindung mit dem ^AutoPro™ -Rahmenwerk für Automobilqualität unterstützt Kunden dabei, langfristige Liefer- und geopolitische Aspekte zu bewältigen.

Zusammenfassung: Wenn sich das Netzwerk ändert, ändert sich auch der Chip

Mit dem gemeinsamen Fortschritt von SDV, autonomem Fahren, Sensorfusion und Zonalisierung verändern sich Umfang, Richtung und Bedeutung der fahrzeuginternen Daten – und damit auch die Anforderungen an Halbleiter. Auf den vier Achsen:

• Sensoren entwickeln sich vom „Smart“ zum „Satelliten“.

• Die Daten fließen von den extrahierten Ergebnissen in RAW- oder leicht aufbereitete sensorspezifische Datenströme und schließlich in integrierte Umweltmodelle.

• Die Rechenaufgaben werden von den verteilten Steuergeräten über die Domänen-Controller zum Zentralrechner verlagert.

• Das Netzwerk entwickelt sich von CAN/LIN/FlexRay und 100-Mbit/s-Ethernet hin zu SerDes-Sensorverbindungen und einem Ethernet/IP-Zonen-Backbone, dann zu einer asymmetrischen Konnektivität, bei der SerDes in Ethernet/IP integriert wird, und schließlich hin zu optischen Verbindungen.

SDV wird oft als Software-Thema dargestellt, doch dahinter verbirgt sich die Hardware, die riesige Datenmengen erfasst, überträgt, verarbeitet und kontinuierlich aktualisiert. Dies ist das eigentliche Fundament der Automobilarchitektur der nächsten Generation.