中金：汽车电气架构新趋势，车内通信迎变革

原标题：中金：汽车电气架构新趋势，车内通信迎变革 来源：中金点睛

集中化E/E架构将算力向中央集中，通过功能的集成融合，减少控制器和线束数量，有效实现轻量化与协同性，使能OTA的实现。面向服务的架构（SOA）与AP AUTOSAR的采用，将实现功能与ECU之间的深度解耦，软硬件的灵活性和复用性大大增强。我们认为，两者的解耦实质上蕴含了“硬件标准化、软件重要化”的趋势，将对汽车产业链各环节产生深远的影响。

车载以太网是承接高速车内通信需求的最优解。智能化时代对车内通信速率、产品迭代周期、架构精简度等提出了更高的要求，传统的CAN、LIN、MOST等通信技术难以应对。我们认为，车载以太网具备高带宽、经济轻量、软硬件解耦、内外网络顺畅互联等优势，能够更好地适应E/E架构的深度演进，长期有望全面统一车内通信技术。根据我们测算，国内车载以太网芯片市场未来5年有望以年均66%的速度增长，潜力充沛。

信息娱乐系统、汽车计算芯片、车载以太网芯片等环节有望迎来国产化机遇。建议关注领先的智能驾驶及智慧座舱Tier1，在计算芯片领域积极突破的企业，车载以太网芯片的国产龙头，以及汽车线束供应商等。

风险

汽车智能化发展、车载以太网渗透率不及预期。

在我们之前发布的《车载摄像头：扬帆汽车智能规划浪潮，部署迎来量速齐升》报告中，初步探讨了汽车E/E架构的持续演进对车载摄像头行业带来的影响。随着域集中控制逐步取代分布式处理，我们预计摄像头在未来将只负责简单的图像信息的采集；而图像信息的处理则借助车内高速通信网络，在中央计算机中实现。汽车E/E架构、以及车内高速通信网络，两者就像汽车的“骨骼”与“神经”，联动汽车的各个部分，共同完成复杂的功能。

汽车E/E架构（Electrical/electronic architecture，汽车电子电气架构）是车内电子电气系统的布局方案。电子电气系统由传感器、控制器、执行器等元件组成。传感器将获得的行驶状态信息传给控制器，控制器通过内置的算法程序得出执行指令，执行指令被执行器接收之后体现在汽车行为上。

汽车诞生后的一百多年里，电子电气元件相对简单。发动机控制器、收音机等少量的电子设备可以直接安装在车身空余的空间，而不用去考虑位置以及功能上的协同性。电子电气元件之间相互独立、不共用线束，需要新的功能则添置一套新的传感器、控制器和执行器。

2007年德尔福公司提出“汽车E/E架构”，我们认为E/E架构犹如人体的骨骼，使得电子元件布局呈现章法，一定程度上释放了车辆空间。随着电子电气元件越来越多，原本粗放式的布局使得汽车空间利用效率越来越低下，于是2007年德尔福公司提出“汽车E/E架构”——该架构将控制器按“功能域”进行划分，同属一个域的控制器由一条总线连接，从而大幅减少线束。最初的这种汽车E/E架构被称为分布式架构。

当下多数车企仍采用传统分布式架构，由机械定义汽车，以解决问题为导向。德尔福提出的传统E/E架构，虽然将功能协同的控制器通过总线连接在了一起，但是这样的总线是以穿梭汽车各个部位的方式将元件串起的，没有改变元件的分散布局，功能与元件仍存在对应关系，一项功能的更新仍需要添置新的元件与之匹配。

“软件定义汽车”时代，新功能需求激增，分布式架构渐显乏力。

►车身重量与成本上升。一辆采用传统布线方法的高级轿车中，其导线长度可达2km，电气接点可达1500个。智能化趋势下，汽车更新周期缩短、次数增加，“功能元件相互对应”的分布式架构需要不断添置大量电子元件才能匹配日渐丰富的功能，额外的控制器、线束将大幅增加车身重量和成本。

►算力协同性弱、相互冗余。分散在不同功能模块中的ECU由不同的供应商提供，嵌入的软件和底层代码各异，算力不能协同。另外，不同ECU可能存在功能的重叠，导致相互冗余，增加不必要的成本。

►验证复杂度提升。复杂功能的实现，需要多个控制器协同工作。当某功能发生故障需要进行排查时，控制器的空间分散性提升了排查难度。另外，ECU的维护更新需由供应商执行，整车厂无权对ECU进行维护和更新，检修的难度在分布式架构下较大。

►不利于OTA的实现。目前，汽车功能升级需要将车召回到4S店；而在未来，汽车将如同智能手机一样，通过OTA（over-the-air，云端升级）即可实现远程更新。然而在传统分布式架构下，汽车ECU繁多且分散，难以满足OTA对软硬件完全解耦的要求。

图表：未来汽车升级更加频繁（以特斯拉为例）

资料来源：BC-auto，中金公司研究部

图表：分布式架构中ECU和线束占整车质量比重较大

资料来源：博世，罗兰贝格，CMGroup，中金公司研究部

车内通信网络（又称“总线”）将传感器、控制器、执行器等元件连接在一起，使各元件之间进行数据交换，犹如汽车的神经。传统车载网络包括CAN、LIN、MOST、FlexRay等。

►CAN（Controller area network，控制器局域网）。CAN总线是1983年由博世开发的一种共享式双线串行通信总线，能够解决众多控制器之间数据交换问题。其通信速率适中、稳定性好、抗干扰性强、成本较低，是目前主流的车载网络。

►CAN-FD（CAN with flexible data-rate，灵活数据速率CAN）。CAN-FD是博世于2011年发布的CAN替代总线，将数据位最大字节数提升为64位，弥补CAN总线带宽和数据长度的不足。

►LIN（Local internet network，局域互联网）。LIN总线于2001年应用于汽车工业，作为CAN的一种低成本串行技术补充，采用单主多从架构，使用单信号线进行传输，具有带宽低、但成本低廉的特性。适用于带宽要求不高、实时性要求低、功能不复杂的场景，能够控制整车成本，通常以末梢形式与CAN总线相连。

►MOST（Media oriented systems transport，多媒体定向系统传输）。MOST是由德国Oasis Silicon System公司开发于2001年，多采用光纤传输+环形拓扑结构，其传输速率高、抗干扰性强、线束质量轻，主要应用在汽车信息娱乐系统。

►FlexRay。FlexRay由宝马、飞利浦、飞思卡尔和博世等公司共同制定，传输速率快、容错性好，但是成本高昂，多用于高档车型中。

随着智能驾驶的不断普及，所要传输的数据量呈指数级上升，传统车载网络难以承受。总线出现之前，不同系统中的ECU不进行数据的交互和共享。但是实际上多个ECU之间普遍需要进行交互，例如变速箱与发动机之间，换挡需要收油、大脚油门会自动降档。总线的出现沟通了各个ECU之间的通信，不过当前传统总线面对智能化时代显得捉襟见肘。据泰科电子预测，传输数据量在自动驾驶L1、L2时代由百兆每秒上升至千兆每秒，在L3、L4阶段将超过10Gbps，目前汽车主干网CAN总线最高不足十兆每秒，两者差距较大。

图表：传统车内总线一览

资料来源：CSDN，中金公司研究部

智能化推动汽车E/E架构与通信网络的演进。“智能驾驶、智能座舱、智能网联”的趋势下，更丰富的车内体验以及更高速的传输速率成为了必备要素，这对现有汽车电子电气架构以及车载网络提出了更高的要求。

展望未来，我们认为汽车E/E架构将向着“功能集中化、软硬件解耦”的方向演进；车载通信网络向着“高速、低延、安全、互联”的方向演进。

图表：智能化推动汽车E/E架构与通信网络的深度演进

资料来源：中金公司研究部

汽车E/E架构未来演进的核心关键词“集中化”。集中，是算力的集中，将原本分散在不同控制器上的功能逐渐集成在一个控制器上。如此能有效减少控制器和与之相连的线束的数量，实现汽车的轻量化。不同功能的算力之间也能更好地协同，解决算力冗余的问题。集中化的汽车E/E架构在汽车电子化的浪潮之下已是大势所趋。

图表：“集中化”：伟世通SmartCore控制器集成

资料来源：伟世通，中金公司研究部

未来构想：沿着“分布式”“域集中式”“中央计算式”演进

2017年，博世描绘了一张“三段六步式”演进构想。尽管业内各厂商、机构在具体方案上有所差异，但在大方向上取得了共识——“分布式”“域集中式”“中央计算式”。

►分布式架构。该架构下，ECU与实现的功能存在对应关系。

（1）模块化阶段：ECU与功能一一对应，ECU数量众多。

（2）集成化阶段：ECU开始集成多个功能。例如前文提到的伟世通SmartCore，将原本由两个ECU分别执行的功能合并在一个控制器上，由该控制器同时执行车辆信息显示以及娱乐系统功能。

►域集中式架构。该架构对ECU实现了进一步的集成，引入DCU（domain controller unit，域控制器）。

（1）集中化阶段：全车划分为5至7个域，每个域配置一个DCU，每个DCU统辖多个ECU。在博世经典五域架构中，全车被划分为动力域、底盘域、座舱域、自动驾驶域和车身域，完备地集成了所有控制功能。

（2）跨域融合阶段：在域的层面进一步集成，功能实现具有相似性的多个域实现融合。以华为的CC架构为例，由于动力域、底盘域、车身域所涉及的计算与通信具有相似性，三域融合为了整车控制域，同智能座舱域、智能驾驶域共同构成了面向汽车新时代的整车架构。

► 中央计算式架构。该架构对DCU实现了进一步的集成，所有DCU融入一台中央计算机。功能与元件之间的对应关系不复存在，由中央计算机按需指挥执行器。

（1）车载电脑阶段：整车由中央计算机统一管理。但动力、车身、底盘等由于执行功能复杂，实时性、安全性要求较高，依然会保留基础控制器，进行边缘计算。

（2）车云协同阶段：汽车与云端联动，其中车端计算主要用于车内部的实时处理，而云计算则作为车端计算的弹性补充。这一阶段不仅需要对车内进行革新，车联专用网络建设也需进一步完善。

图表：博世关于汽车E/E架构未来演进的构想

资料来源：博世，中金公司研究部

E/E架构当前进展：整体由分布式跨入域集中式，领跑者探索多种跨域融合方案

汽车行业整体站在了E/E架构由分布式转向域集中式的档口，领先车企已思考跨域融合的多种方案。当前形成了两种主流的跨域融合方案：按功能融合、按位置融合。

►按功能融合：三域架构。三域架构将全车划分为整车控制（vehicle domain controller, VDC）、智能驾驶（ADAS domain controller, ADC）、智能座舱（cockpit domain controller, CDC）三大功能域，分别实现车辆行驶、自动驾驶、信息娱乐等功能。大众MEB平台的E3架构、宝马iNEXT车型架构、华为CC架构等均属于此类。

►按位置融合：区集中式（Zonal EEA）。按照汽车的物理空间，将全车划分为多个区域，如左车身域、右车身域等。由于各处ECU均有区域控制器（zone ECU，ZCU）中继，再连接至中央计算机，线束数量能够大量减少，释放更多物理空间。特斯拉、丰田等均属于此类。

图表：跨域融合阶段两套方案：三域架构与区集中式架构

资料来源：伟世通，中金公司研究部

SOA：软硬件通信方式变革

面向信号的架构（Signal-oriented architecture）是汽车软硬件传统的交互方式，软件与硬件之间通过CAN、LIN总线进行点对点数据传输，通信方式在汽车出厂时已经确定。当汽车架构演化至中央计算式，算力已经全部集中在中央计算机，软件与硬件的互动不再是点对点，硬件之间也存在大量协同，任何调整都会牵扯到整张网络，为更新带来不便。面向信号的架构已然不能胜任未来E/E架构。

面向服务的架构（Service-oriented architecture，SOA）有效解决了软硬件之间的耦合问题，是适应E/E架构集中化演进的软件架构。在SOA的理念下，软件就像微信公众号，当汽车需要实现某功能时，由相关硬件向软件“订阅”服务。接收到订阅信息后，软件将服务“推送”给硬件，再由相关硬件执行功能。SOA将软件和硬件视为完全独立的两方面，各个硬件之间也能各自独立地执行协同任务，软硬件的升级调整不会影响到整个网络，从而提升汽车功能延展性。不同功能可以调用不同软件组合，不同的硬件组合也能执行不同功能，软硬件的复用性大大增强。

图表：面向信号的软件架构

资料来源：通用汽车，中金公司研究部

图表：面向服务的软件架构

资料来源：通用汽车，中金公司研究部

AP AUTOSAR：实现软硬件“深”解耦

AUTOSAR联盟（Automotive Open System Architecture）由宝马、大众、博世等6家汽车整车厂和核心零部件提供商于2003年联合成立，旨在建立一套开放式的行业标准，提高软件的复用性。AUTOSAR标准的思想是通过在软硬件之间插入中间件，软硬件通过接口相互访问，在保证接口不变的情况下，各自内部可以进行调整，实现软硬件的解耦。

CP AUTOSAR实现软硬件“初”解耦。CP AUTOSAR（Classic platform AUTOSAR）是经典标准版本，采用面向信号的软件架构，只支持静态配置，因此虽然能够较为方便地更新功能，但是功能和硬件之间点对点通信，依旧存在对应关系，难以适应集中式架构要求。

AP AUTOSAR实现软硬件“深”解耦。AP AUTOSAR（Adaptive platform AUTOSAR，自适应AUTOSAR）采用SOA软件架构，使得各个硬件能够向多个软件订阅服务，以执行复杂操作。为此，自适应标准不再使用硬件抽象层，改以功能群组，在功能实现过程中进行动态配置，以实现前述“多对多”的数据通信。如此，软件与硬件的对应关系完全打破，软硬件实现“深”解耦。

图表：CP AUTOSAR实现软硬件初解耦

资料来源：AUTOSAR官网，中金公司研究部

图表：CP与AP AUTOSAR的差异与特点

资料来源：Vector，中金公司研究部

我们认为，所谓“软硬件解耦”，物理上体现为“软件与硬件的解绑”，价值上体现为“硬件标准化、软件重要化”。根据大众汽车官网，当前单车代码已经超过2亿行，远远超过安卓系统的代码数量，可见在汽车向科技制造转型的过程中，软件将占据重要地位。“软件定义汽车”时代，硬件地位逐渐边缘化，与软件功能分离的硬件将仅承担执行角色。

汽车架构的演进，不仅是硬件的重新布局，更是产业链各个环节价值的重新分布。不仅传统产业链中半导体厂商、零部件供应商、整车厂将受到深远的影响，也为软件和互联网厂商打开了新的发展空间。

图表：汽车价值链面临重塑

资料来源：罗兰贝格，中金公司研究部

►软件和互联网公司：汽车新势力入局。

近年来华为、百度等科技巨头纷纷入局智能汽车市场。我们认为，未来中央计算机是汽车E/E架构中最为核心的部件，而其所要求的高性能算力更是核心中的核心，这恰是科技企业擅长之所在。我们认为，科技企业未来或将从汽车E/E架构入手，以核心算力平台（即中央计算机）为支撑点，逐步加入汽车领域的竞争中。

►半导体领域：加码异构集成化技术。

为适应汽车E/E架构演进对功能集中化的需求，我们认为半导体厂商需要加大SoC、SiP等技术的研发。SoC（片上系统）在芯片上集成多种功能，SiP（系统级封装）将各类芯片封装在一起，两相融合能助力功能集中化的演进，也是后摩尔时代解决物理极限与性能需求之矛盾的重要手段。

►整车厂：不甘人后，果断变革。

当前，全球大型整车厂已加大在软件方面的投入，避免在变革浪潮中落后。例如，2019年底大众宣布独立运营Car.Software业务部门，2020年7月丰田重组TRI-AD成立三家新公司。同时，率先掀起对汽车组织架构演进方向的大讨论，推出AP AUTOSAR等适应未来发展的平台，捍卫自身在汽车E/E架构的话语权。

►零部件供应商：在汽车架构演进中承受最大压力。

汽车E/E架构产业链中，控制器供应商将同时受到来自软件科技公司和整车厂的压力。源自软件科技公司的压力实质是软硬件的解耦。在域集中式直至中央计算式架构下，控制器、执行器脱离软件独立存在，仅承担执行角色，重要性降低。源自整车厂的压力实际是功能的集中。分布式架构下，供应商各自为政，所生产的控制器协同性较差，但未来汽车架构将对硬件之间的协同性提出更高要求。我们认为，这将推动硬件形成标准化产品，单车价值或将会下降。

以太网（Ethernet）在计算机网络中应用广泛。它是局域网的一部分，节点通过介质（如双绞线或光纤）连接至交换机，通过交换机实现数据的转发。自1980年IEEE 802.3工作组成立以来，以太网技术已经经过多次迭代，完成了标准以太网（10 Mbps）、快速以太网（100 Mbps）、千兆以太网（1000 Mbps）的跨越，传输速率得到了大幅提升。

车载以太网在计算机以太网的基础上发展而来，是以太网在汽车领域的跨界应用。计算机以太网与车载以太网均基于OSI参考模型。OSI（开放通信系统互联模型，Open systems interconnection）是为了统一不同网络通信协议而提出的参考模型，自上到下包括7层，分别为：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。计算机领域将应用层、表示层、会话层合并为应用层，提出TCP/IP协议。基于TCP/IP协议，OPEN Alliance、AVnu Alliance等组织对其进行补充，最终形成适合车载领域的网络通信体系。

图表：车载以太网网络拓扑结构

资料来源：中国信通院，佐思汽研，中金公司研究部

► OPEN Alliance（One-Pair EtherNet）关注车载以太网物理层，与IEEE合作将车载以太网标准化。OPEN联盟于2011年由博通、恩智浦、飞思卡尔、哈曼创立，旨在普及车载以太网应用。截至2021年4月，该组织包括12家推广会员（promoter）以及118名采用会员 （adopter，包括24家中国企业）。博通开发的BroadR-Reach技术（即OABR）是最早专为汽车设计的以太网解决方案，经IEEE标准化后命名为100BASE-T1。目前，OPEN Alliance已完成100BASE-T1、1000BASE-T1和1000BASE-RH物理层标准的制定。

► AVnu Alliance关注的AVB、TSN技术涉及传输层直至数据链路层，解决数据流冲突问题。以太网由多个设备共享，当不同设备同时有传输数据的需求、出宽带支持能力时，便发生了数据流冲突问题。AVB技术（Audio/Video Bridging，音视频桥接技术）可实现预留带宽、流量优先级、时间同步等功能，主要用于车载娱乐系统。AVB的提出者便是AVnu Alliance，2009年由思科、英特尔等成立。随着车载以太网关注度日升，AVB小组于2012年向TSN（Time sensitive networking，时间敏感型网络）改组，对规范进行了大量的更新，加入时间调度流量、抢占帧等设计。

图表：OPEN Alliance成员一览（截至2021年4月）

资料来源：OPENAlliance官网，中金公司研究部

图表：车载以太网可用于多项应用

资料来源：OPENAlliance官网，中金公司研究部

我们认为车载以太网正在成为新一代车内通信网络，产业内渗透率不断提升。2013年宝马X5将车载以太网引入360°环视摄像头中，标志着车载以太网的首次“乘车”。到目前，宝马最新一代汽车架构中已全面采用车载以太网，捷豹、大众帕萨特等均纷纷入场。造车新势力中，特斯拉在Model 3的CCM中采用车载以太网通信，蔚来ES8搭载千兆以太网，小鹏P7基于百兆以太网中央网关设计。可见，无论是传统车企还是造车新势力，车载以太网已成为未来车内通信的发展方向。

图表：全球主要整车厂车载以太网部署情况（截至2018年）

资料来源：BMWGroup，中金公司研究部

从当前车内通信的“痛点”和车载以太网的优势出发，我们判断，车载以太网将成为未来车内通信的主干网络，助力高速车内通信网络的实现。

核心“痛点”：传统总线架构难以应接智能化时代的高速车内通信需求

智能驾驶考验车内通信的传输性能与延时性能。伴随智能驾驶升级进程，车上用于感知的车载摄像头、激光雷达的数量将明显增多。这些传感器不间断、动态地收集数据，产生大量数据。车载摄像头和激光雷达不似手机摄像头，有拍照需求才会使用。在智能驾驶场景下，车载摄像头、激光雷达必须一直处于工作状态，动态无歇地收集车辆行驶信息；并且必须实时交给决策层进行计算，稍有延迟就有可能酿成车祸。这对车内通信的数据承载能力和实时传输能力提出了较高的要求。

据微软测算，实现自动驾驶每天将产生20-100 TB的数据量。按此数据计算，至少需要2000 Mbps甚至10 Gbps的传输速率才能处理如此庞大的数据。当前主流通信网络CAN总线的最新迭代版本CAN-XL也仅能实现10 Mbps的传输速率，传统总线架构难以应接智能化时代的高速车内通信需求。

四大“优势”：高带宽、经济轻量、软硬件解耦、内外网络顺畅互联

►带宽更高、迭代更快

车载以太网目前是各类总线中传输速率最快的通信方案，并且处于快速迭代过程中。目前，OABR已完成100BASE-T1、1000BASE-T1和1000BASE-RH物理层标准的制定，传输速率已经达到了1 Gbps，相比CAN、MOST、FlexRay等常见总线具有更高带宽。

另外，10 Gbps计算以太网已经应用多年，100 Gbps以太网成为IEEE已明确的下一代发展方向。我们认为，当10 Gbps、100 Gbps以太网在计算机领域应用成熟后，将会向汽车领域移植，车载以太网将充分享受计算机以太网的迭代成果。考虑到以太网技术已广泛商用多年，其产业链成熟且成本低廉，规模商用的车载以太网技术有望受益于成熟的产业链红利。同时，由于更先进的以太网能够向后兼容，未来的速率升级无需进行大规模调整，我们认为未来车载以太网的迭代过渡会更加顺滑。

►成本更低、重量更轻

与计算机以太网相比：车载以太网利用回音消除技术实现单对双绞线双全工传输。传统的计算机以太网需要四对或两对双绞线进行数据双全工传输（即同时双向传输）。以100BASE-TX为例，100BASE-TX使用了两对双绞线，一对发送数据、一对接收数据。而经车载以太网改良后，100BASE-T1仅需单对非屏蔽双绞线即可完成等量的数据传输。车载以太网相较于传统以太网主要改进手段，在于100BASE-T1引入了回音消除技术（Echo cancellation，简要过程为：发送数据时向双绞线加载自己的电压，接受数据时扣去自己的电压），解决了在同一介质上同时收发数据而产生的信号回声影响。相比计算机以太网，车载以太网线束更少，一般认为可减少70-80%的连接器成本和30%的重量。

图表：以太网方案（右）相比于传统总线方案（左），可优化线束部署

资料来源：Marvell官网，中金公司研究部

与传统车载总线相比：车载以太网较LVDS、FlexRay、MOST总线更具性价比。据OPEN Alliance官网显示，目前使用的高速率传输总线LVDS（速率可达850 Mbps）内部有四根线缆，同时必须通过屏蔽减弱电磁噪声，重量和成本均较车载以太网高，使用车载以太网能够减轻30%的重量以及80%的成本。根据Vector，与FlexRay、MOST等高速率传统总线相比，车载以太网在单节点成本相近的情况下，拥有更快的传输速率，性价比更高。

图表：车载以太网与LVDS比较

资料来源：OPENAlliance，中金公司研究部

图表：车载以太网与各类总线速率比较

资料来源：Vector，中金公司研究部

►引入SOME/IP协议，软硬件充分解耦，适应E/E集中化趋势

SOME/IP协议（Scalable service-oriented middleware over IP，基于IP的可伸缩的面向服务的中间件）是计算机以太网所没有、车载以太网新引入的协议。它采用SOA架构，面向服务进行通信，根据client是否有需求决定server是否推送服务，具有灵活性、复用性，能够利用AUTOSAR实现软硬件解耦。

正如前文所述，汽车E/E架构在向集中化方向演进。功能与ECU之间对应关系越来越弱，“点对点式”面向信号的通信方式在处理越来越复杂的功能需求时只能望洋兴叹。算力的集中呼唤软硬件的解耦，要求面向服务的通信，引入SOME/IP协议适应E/E架构未来发展趋势。而诸如CAN、LIN等传统网络均属于面向信号的通信，软硬件通信已事先确定，在OTA升级时存在不便。

►基于TCP/IP网络分层模型，助力汽车网联化

TCP/IP是当前网络最基本的协议结构，车载以太网的网络协议是在TCP/IP网络分层模型的基础上进行补充所形成的。由于车载以太网与车外网络基于相同协议，车载以太网在与车外网络进行通信时，接口过渡更加平滑。传统车内通信网络基于独有的网络协议，与车外网络进行交互时，需要对不同系统的协议进行转换。在网联化趋势下，车载以太网的协议转换成本更小。

以宝马为例，车载以太网目前已广泛布局于宝马各车型中，深入IVI与ADAS系统。复盘其演进历程，主要包括两个阶段：单一功能阶段：2013年，宝马X5率先在360°环视功能中落地了车载以太网，成为第一个采用车载以太网的车企。单一域阶段：2016年，宝马着手研发新一代电子电气架构，并于2018年量产推出。在该架构中，车载以太网连接了后座娱乐系统、360环视、前视三目摄像头、前长距雷达、ADAS域控制器等，成为信息娱乐与智能驾驶域中主要通信方式。车载以太网在宝马架构中的渗透，为其他车厂如何渐进采用车载以太网，提供了重要参考。

短期来看，CAN、LIN总线依旧具有优势，车载以太网逐渐渗透

根据Strategy Analytics测算，2020年车内通信仍将有约90%的需求在10 Mbps以下，短期内大规模采用车载以太网不具有经济效益。智能驾驶、信息娱乐领域对数据量要求较为苛刻，而当前智能驾驶演进到L2级别，尚处于初期阶段，对高传输速率的迫切程度尚低。车身控制域对数据量要求相对较弱，用车载以太网替换CAN、LIN总线，在价格上涨的同时会出现传输速率的浪费，不具有成本优势。

图表：2020年90%的车内通信需求将在10 Mbps以下（2018年预测）

资料来源：Strategy Analytics，BMW Group，中金公司研究部

安全性也是值得考虑的因素。一方面，实时性。以太网虽然实现高速率传输性能，却是以牺牲实时性为代价的。传统以太网应用在计算机领域，些微的延时不会酿成严重的后果。但当以太网移植到汽车领域，微小的延迟可能导致一场交通事故，危及人身安全，是不被允许的。如何提升车载以太网的实时性，是大规模商用之前必须攻克的技术问题。另一方面，网络安全。车载以太网与车外网络形成互联的同时，也意味着车辆的控制权暴露在车外空间。对远程驾驶怀揣憧憬的同时，也要警惕不法分子对车辆的非法控制。

我们认为，CAN短期将继续作为骨干网，而LIN存在于边缘领域，保证整车成本可控。FlexRay凭借其高可靠性，在高端车型的底盘总线中满足硬实时的要求。车载以太网在信息娱乐系统和智能驾驶系统开始初步渗透。

长期来看，车载以太网将成为整车的骨干网络

我们判断当车载以太网成本压降到可接受水平，且安全性得以保障时，将成为整车的骨干网络，发挥中枢神经的作用。

PoE是解决以太网成本高的技术。PoE（Power over Ethernet，以太网供电）是一个同时在以太网上实现数据传输和直流电供电的技术。汽车每一个控制器都是用电器，当前供电线与数据传输线是分离的，至少同时连接两根线束才能实现供电与通信。PoE技术能够有效减少线束数量，汽车轻量化的同时实现成本下降。不过，当前PoE技术有待进一步改进。据以太网联盟2020调查显示，80%的受访厂商认为当下PoE技术仍存在稳定性问题，且相关产业链支持尚未完善。

TSN是解决以太网实时性的技术。TSN是为了解决传统以太网数据传输延迟问题的技术。TSN技术中将数据流量分为时间敏感型与非时间敏感型数据，其中时间敏感型的优先级较高。首先对全局时间进行同步（global time），并为每个数据流按优先级分配时间表（schedule），所有数据流按分配的时间进行传输。我们认为，TSN技术的应用有望使延时小于1毫秒，使得以太网技术全面满足车规要求。

图表：PoE示意图以及目前存在的问题

资料来源：意法半导体，以太网联盟，中金公司研究部

图表：TSN技术示意图

资料来源：tttech官网，中金公司研究部

我们认为车载以太网将构成汽车骨干网，在信息娱乐系统和智能驾驶系统中全面替代各类总线，但车身控制域中在较长一段时间内，具有更高可靠性和较低成本的CAN、LIN技术仍具有较强竞争力。届时，车内各个域控制器之间通过车载以太网进行通信，信息娱乐系统与智能驾驶系统内部完全以车载以太网进行通信。在车身控制域内，可靠性的要求更加严格、且部分功能无需采用过高带宽的总线，CAN、LIN在特定域内将继续发挥作用。

图表：车载以太网演进

资料来源：keysight，中金公司研究部

图表：车载以太网（图中红线）将成为骨干网络

资料来源：keysight，中金公司研究部；                                         

注：1TPCE指“1个双绞线的百兆以太网”、RTPGE指“简化的双绞线千兆以太网”

但未来，我们认为随着车载以太网可靠性继续提升、成本继续压降，全面采用车载以太网同样具有想象空间。以太网物理层标准，除前文提到的100BASE-T1、1000BASE-T1外，还包括10BASE-T1S等。传输速率仅10 Mbps的10BASE-T1S志在取代传统CAN线网络。我们认为，当车载以太网产品以更优性价比覆盖各个速率范围时，有望全面替代车内总线网络。

硬件层面，车载以太网的接口电路主要由MAC控制器和物理层接口PHY芯片两大部分构成。集成方式上，嵌入式芯片厂商一般会将MAC集成在MCU/CPU内部，而PHY芯片则由OEM或控制器供应商提供独立芯片。PHY与MAC之间通过MII接口（media independent interface，媒体独立接口），在MAC结构不发生变化的情况下，更换不同PHY芯片不会影响车内通信。

图表：以太网PHY接口芯片演进

资料来源：佐思汽研，中金公司研究部

图表：主流车载接口方案将PHY芯片留在片外

资料来源：汽车电子与软件，中金公司研究部

PHY芯片部署在以太网拓扑架构中的各个节点，进一步通过双绞线实现数据传输。PHY物理层是车载以太网物理接口收发器，连接物理介质（如双绞线等）与MAC层，将MAC传送过来的并行数据转化为串行流数据，再将数字信号变为模拟信号后输出到物理介质，或者反向传输。交换芯片主要部署在中央网关和每一个分域网关，其工作在Layer2，基于MAC地址进行交换。网关芯片方面，新的E/E架构采用面向服务的网关，所需性能将倍增于当前的车载网关微控制器，对算力、功能安全、信息安全等方面均有较高要求。

以Aquantia的ADAS以太网架构为例，每一个传感器（摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达等）侧都需要部署一个PHY芯片，连接到ADAS域的交换机上；每个交换机节点，也需要配置若干个PHY芯片，以输入从传感器端传输而来的数据。

图表：ADAS车载以太网架构示意图

资料来源：Aquantia官网（Marvell），中金公司研究部

供应商方面，目前车载以太网PHY芯片的主要供应商有Marvell、博通、Microchip、瑞昱和NXP。根据佐思汽研的估计，Marvell和博通的市占率达到60%，市场份额较为集中，反映市场潜力大，但技术门槛相对较高。目前市面上主流产品以100M及以下为主；2019年才有1G的车载以太网PHY芯片量产。2020年11月，博通宣布推出的BCM8989X是业内第一个对应NGBase-T1标准的多G车载PHY芯片，其量产预计在2021年底或2022年。而10Gbps车载PHY芯片当前仅有Aquantia（已被Marvell收购）的AQV107。交换芯片的供应商主要是Marvell、博通、NXP和台湾瑞昱。

图表：以太网PHY芯片供应商渠道售价（截至2021年5月4日）

注：单价口径以采购100个产品的单价为准；除了Marvell产品，其他4款均为车载PHY芯片。

资料来源：Mouser，中金公司研究部

我们基于车载以太网PHY芯片市场现状对国内市场规模进行测算如下：

►当前车载以太网的应用场景主要在于主干网和ADAS域、IVI信息娱乐域，因此，我们在测算模型仅考虑ADAS、IVI两个域中的PHY芯片用量，主干网中的PHY芯片价值量并入交换芯片中测算。值得注意的是，我们认为未来随着车内以太网进一步向车内其他领域渗透，PHY芯片市场空间有望持续增加。

►ADAS系统中的PHY芯片用量

我们延用此前在《车用处理器》报告中的ADAS渗透率的假设，以及中金汽车组对国内整车出货量的预测，同时假设以太网在L0/L1/L2级别的ADAS中的渗透率分别从2020年的5%/10%/30%增长到2025年的40%/60%/80%；在L3以上级别中的渗透率为100%。综合来看，车载以太网在ADAS中的渗透率将从2020年的5%提升至2025年的52%。

我们假设使用以太网作为通信的ADAS系统中，在每个传感器末端都要配置1颗PHY芯片。结合我们对不同级别自动驾驶中传感器（主要包括摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达）的单车用量的假设，我们预计ADAS系统中单车的PHY芯片用量将从2020年的2.3个/车增长至2025年13.5个/车，国内市场需求总量将达到4.31亿个。

图表：ADAS在不同车型中渗透率的假设及以太网在ADAS系统中的渗透率

资料来源：工信部，中金公司研究部

图表：ADAS系统中以太网PHY芯片需求量测算

资料来源：iHS，中金公司研究部

►IVI信息娱乐系统中的PHY芯片用量

我们认为PHY芯片在IVI信息娱乐系统中部署于导航系统的功放、T-box等无线模块中，以及娱乐信息显示屏中。我们假设以太网在前装导航系统和娱乐显示屏的渗透率分别从2020年的5%/20%增长到2025年的50%/80%。我们最终预计IVI系统中单车的PHY芯片用量将从2020年的0.2个/车增长至2025年1.7个/车，国内市场需求总量将达到0.54亿个。

图表：IVI系统中以太网PHY芯片需求量测算

资料来源：iHS，中金公司研究部

►PHY芯片单价：我们结合供应商渠道当前售价及产业链调研，估测2020年PHY芯片均价在20元/个——100M产品占出货量比重较高，大批量采购的价格低于渠道商官方披露的采购量为100个时的单价。我们考虑到远期在ADAS、IVI系统中主要使用的是1G及以上的PHY芯片，未来随着高速率PHY芯片占比的逐步提升，有望抵消单一型号芯片价格的下降，我们2020-25年PHY芯片的ASP按照同比10%的增速增长。

综上，我们预计2025年，国内的车用PHY芯片市场规模有望达到156亿元，相较于2020年的12亿元体量，对应66%的CAGR，市场空间充沛，潜力较大。

图表：国内车载以太网PHY芯片市场空间测算（2020-2025E）

资料来源：Mouser，中金公司研究部

我们根据当前市场车载以太网交换芯片市场情况，假设车载交换芯片均采用4口（即单车需求量为PHY芯片的1/4），在批发采购条件下，其ASP约为70元/个；我们认为高速率产品占比的提升将带动其ASP在2021-25E年均增长10%。

综上，我们预计国内的车载以太网交换芯片市场规模将在2025年达到137亿元。

图表：国内车载以太网交换芯片市场规模（2020-2025E）

资料来源：Mouser，中金公司研究部

整体来看，包含了PHY芯片和交换芯片的国内车载以太网芯片市场的规模将从2020年的23亿元增长至2025年的293亿元，对应2020-25E期间66%的CAGR。

图表：国内车载以太网芯片市场规模测算

资料来源：iHS，Mouser，工信部，中金公司研究部

伴随汽车E/E架构的演进以及车载以太网的不断渗透，我们认为国产厂商在以下环节存有较大机遇：汽车信息娱乐系统、汽车计算芯片和车载以太网芯片。

汽车信息娱乐系统（In-vehicle infotainment, IVI）

信息娱乐系统呈现大屏化、多联屏趋势，是现代汽车智慧座舱不可缺少的重要组成部分，全新的车内通信技术也将更好的推动IVI的快速发展。IVI系统包括信息系统与娱乐系统。前者展现车辆状态、导航定位；后者主要是影音游戏、聊天购物等。传统架构中，两大系统相互分立；随着E/E架构向集中式发展，分离的两大系统集成在同一个域控制器中，屏幕也从单屏，向双联屏、多联屏发展，带动IVI系统单车价值的提升。

迭代加速、就近配合下，国产化进行时。我们预计目前国内智能座舱市场主要份额仍由博世、大陆、伟世通、德尔福等外资Tier 1掌握。而伴随开发周期缩短、迭代能力加快，主机厂对于就近采购、密切配合的需求提升，经过2020年疫情压力测试，我们认为国内车机Tier 1厂商有望共同赢得更多份额。

汽车计算芯片

集中式架构带来汽车产业链重塑，AI SoC芯片厂商有望弯道超车。AI SoC通过集成CPU、GPU、ASIC、FPGA等多种处理器，算力得到大幅提升，我们认为有望在L3+级智能驾驶阶段成为传统MCU的替代方案。集中化架构趋势下，SoC厂商有机会绕过Tier-1直接对接主机厂，我们认为车用AI SoC有望成为国内车用半导体行业的突破口。

我们看好国内车用AI SoC企业未来的发展。1）开放性。国外Mobileye、Nvidia等大厂出于知识产权保护的原因，提供的解决法案相对封闭，难以满足客户个性化需求；2）经济性。国外解决方案普遍价格较贵，议价空间有限，而本土企业提供的方案则更具性价比；3）技术。随着华为等巨头的入场，我们认为，我国与国际技术差距有望缩小；4）便利。由于地理位置的便利，国内企业能够提供更本土化、方便快捷的服务。

车载以太网芯片

车载以太网被视为下一代车内通信方案，车载以太网芯片公司有望受益。车载以太网芯片位于拓扑结构的硬件层（即数据链路层MAC和物理层PHY），是实现通信的关键。目前，车载以太网芯片市场份额集中于博通、恩智浦、Marvell等国外企业。

本文摘自：2021年5月24日已经发布的《汽车电气架构新趋势，车内通信迎变革》

陈   昊 SAC 执业证书编号：S0080520120009 SFC CE Ref：BQS925

李诗雯 SAC 执业证书编号：S0080119080039

彭    虎 SAC 执业证书编号：S0080521020001 SFC CE Ref：BRE806