更智能、更安全、更便宜：以太网如何实现未来汽车

将以太网作为整个汽车行业的通用标准实施，可以通过减少电子控制单元（ECU）和相关布线的数量来优化车辆性能，从而打造更智能、更便宜、更安全的未来汽车。

新车购买者经常说：“感觉就像我在驾驶一艘宇宙飞船。而且，在某些方面，这种感觉是有道理的——在引擎盖下，现代车辆（如宇宙飞船）的运行方式类似于超级计算机。因此，OEM感到压力越来越大，他们需要同时提高车辆快速处理不断增长的数据的能力，同时缩小车辆网络架构。

随着车辆不断发展并提供从更身临其境的娱乐功能到更安全、更精确的自动驾驶的一切，这个问题将恶化。然而，一种起源于1970年代的解决方案有可能实现汽车的下一次发展：以太网。

罗伯特·梅特卡夫（Robert Metcalfe）和他在施乐帕洛阿尔托研究中心（Xerox Palo Alto Research Center）的同事在1970年代发明了以太网，用梅特卡夫的话说，解决了连接一栋装满个人计算机的建筑物的问题，而无需创建集中的“老鼠窝”电线。简单地说，以太网就是Robert和他的团队最终创建的单电缆解决方案。

在汽车容量中，以太网的作用大致相同：当与足够先进的芯片组结合使用时，它大大降低了典型车辆网络系统的复杂性。在汽车领域，这相当于域车辆架构（图1）与基于以太网的集中式车辆架构（图 2）。然而，汽车以太网可以承受比典型数据中心面临的更困难的条件 — 汽车以太网可以在不同气候和不同韧性地形的环境中运行。

图1.当前一代中端汽车模型的域架构图

图2.汽车制造商即将推出的集中式架构图示例，该架构图采用了Ethernovia基于以太网的芯片解决方案

如今的车辆架构正在从以域为中心的控制器发展而来，因此，车辆网络容量必须能够处理高级驾驶员辅助系统（ADAS）、自动驾驶（AD）和无线交付 （OTA）等高级应用所需的更高数据速率。具有挑战性的是，未来的车辆必须满足这些需求，同时提供更高的可靠性和安全性。

Ethernovia基于以太网的架构旨在通过集成面向未来软件定义汽车的高级网络功能来实现无缝、整体和简化的硬件和软件系统，从而满足这一需求。

以太网实际上在十年前就开始出现在主流汽车实施中。早在2008年，宝马就率先在消费类汽车中引入以太网;从那时起，超过90%的汽车制造商已将以太网集成到他们的车辆中。

然后，几个功能为以太网在汽车中的广泛采用铺平了道路。以太网“T1”收发器旨在满足汽车市场严格的 OEM EMI/RFI 要求，并通过在单对上运行（而不是用于企业以太网的四对）来减少75%的铜缆。这种减少对线束的重量和成本产生了重大影响。此外，以太网的开放标准环境意味着有多家供应商为某些传统汽车技术创建解决方案，而不是单一供应商解决方案，从而推动创新并提供第二来源选项，这对汽车OEM来说至关重要。

最后，增强网络协议采用了传统的“尽力而为”以太网，并提供了有时限、有保证的车载数据传输。

在过去十年中，随着可用功能和速度的持续发展势头，我们已经看到以太网从诊断和信息娱乐的部署转变为车辆所有领域的部署。

如图1所示，当今汽车中存在许多不同的网络来连接车辆中的ECU。随着使汽车变得更加智能的新功能的出现，汽车中的带宽量不断增加以支持这些应用程序。OEM需要越来越多的计算资源来处理这些数据，同时通过整合ECU来简化车辆。

结果如何？对高带宽、低延迟和安全网络技术的巨大需求，以便在车辆中高效移动数据。

2022 年，福布斯征集了技术专家对他们期望在未来汽车中看到的功能的预测。预测范围很广：当然是自主;汽车作为具有5G连接功能齐全的办公空间;先进的人工智能和机器学习功能;增强隐私和网络安全;增强现实导航;和更多。

然而，考虑到处理需求的需求增加，具有这些功能的未来车辆永远无法建立在大多数汽车制造商目前拥有的网络基础设施之上。然而，以基于以太网的车载端到端网络解决方案为支柱，汽车工程师和设计师将能够实现技术行业和汽车传播者今天预测的智能“未来汽车”。

智能汽车的一个子集是ADAS和AU，它们在过去十年中取得了长足的发展。这两者存在于六个复杂程度上：

·0级：手动驾驶

·1级：驾驶员辅助

·2级：部分自动化（“双脚离开”）

·3级：有条件的自动化（“无需干预”）

·4级：高度自动化（“移开视线”）

·5级：完全自动化（“心不在焉”）

今天的大多数汽车实际上都存在于零级——完全手动——而较新的车辆则实施1级和2级。超过这些级别需要指数级的带宽，如图3所示。

图3.ADAS系统的五个级别和相应的总带宽要求

然而，这种进步对于最终提高道路安全性是必要的。美国交通部国家公路交通安全管理局 2017 年的一份报告发现，人为错误是94%的致命车祸的“主要因素”。Automotive Management 2018 年的一份报告指出：

ADAS的日益普及，例如自动紧急制动、盲点监控和车道辅助，将导致到2030年欧洲四个主要市场（法国、德国、意大利和英国）的事故数量减少 15%。

足够先进的ADAS和AU技术始于功能强大的车辆网络，而这始于以太网和基于硅的解决方案。

展望未来，OEM正在努力进一步整合ECU和功能。以太网将流量聚合到单个主干网中，从而减少了对复杂线束、相关连接器和无数所需的传统收发器的需求。这种聚合为OEM节省了大量成本，并使用“T1”单对汽车收发器实现了安全性、简单性的额外好处，而且非常重要的是，它减轻了重量。

对于消费者来说，更轻的车辆等同于更高的燃油经济性。根据美国能源部的说法，“车辆重量减轻 10%可以带来6%-8%的燃油经济性提高。能源部还强调了减轻重量对于实现续航里程更长的电动汽车的重要性：

虽然任何车辆都可以使用轻质材料，但它们对于混合动力、插电式混合动力和电动汽车尤为重要。在这些车辆中使用轻质材料可以抵消电池和电动机等动力系统的重量，从而提高效率并增加其全电动续航里程。或者，使用轻质材料可能会导致需要更小、更低成本的电池，同时保持插电式汽车的全电动续航里程不变。

世界经济论坛援引EY 2022年的一项研究，指出全球约有三分之一的司机对驾驶这些车辆长途驾驶表示担忧，里程焦虑是阻碍更广泛购买电动汽车的主要问题之一。

因此，通过减轻车辆的重量，OEM可以降低制造成本，消费者可以延长燃油续航里程，而地球也可以从无碳汽车的广泛采用中受益。

市场相信汽车进一步复杂化的一个主要证明是未来十年的细分市场增长预测。Future Market Insights 估计，到2033年，全球汽车连接市场将从目前的334.2亿美元增长到1902.9亿美元。

今天的消费者已经看到了车辆创新的前景，以及他们对更智能、更安全、更便宜的驾驶选择的承诺。这个未来将实现，但前提是网络能够处理不断增长的需求。以太网是满足该需求的最佳解决方案。