汽车PCIe®:切换还是不切换?

PCIe ^®在自动驾驶和 ADAS 技术中的作用日益增强

在考虑是否要切换的问题之前，我们首先先了解一下为什么外围组件互连 Express (PCIe ^® ) 作为高级驾驶辅助系统 (ADAS) 应用中的互连技术变得如此流行，以及为什么它会被广泛采用。由于汽车行业寻求在提供性能的同时确保兼容性和易用性的标准接口，这对于实现完全自动驾驶 (AD) 至关重要。

PCIe 植根于计算行业，是一种用于连接高速组件的点对点双向总线。根据系统架构（PCIe 的实现），数据传输可以在 1、2、4、8 或 16 个通道上进行，如果使用多个通道，则总线将成为串行/并行混合总线。

PCIe 规范由 PCI 特别兴趣小组 (PCI-SIG) 所有和管理，该协会由 900 多家行业公司组成，致力于推进其非专有外设技术。随着对更高 I/O 性能的需求不断增长，该组织的范围和生态系统范围都在扩大，套用PCI-SIG 会员页面上的话来说：

当前的 PCIe 和其他相关技术路线图考虑了新的外形尺寸和低功耗应用。这些方面的创新将继续秉承 PCI-SIG 的传统，即提供向后兼容、经济高效、高性能、与处理器无关且可扩展的解决方案。

随着车辆成为车轮上的高性能计算平台（HPC，甚至数据中心），这些话正是开发 ADAS 和 AD 解决方案的车辆 OEM 想要听到的。此外，每一代 PCIe 都会带来性能改进 - 从第 1.0 代的 2.5GT/s 数据（千兆）传输速率和 4G/s（16 通道）总带宽到今天的第 6.0 代的 64GT/s 和 128G/ s（16 车道）。注：PCIe 7.0 预计于 2025 年推出，数据速率为 128GT/s，16 通道带宽为 512GB/s。

PCIe 的性能无可争议，并且肯定需要它来支持支持 AI 和 ML 的 ADAS 和 AD 应用程序所需的大量数据的实时处理。

但是，一如既往，围绕实现基于 PCIe 的架构存在争议，尤其是在支持 PCIe 的组件之间的连接应该是直接连接还是交换连接时。

建立联系

为了提供更高水平的自动化，车辆必须采用越来越复杂的电子元件组合，包括中央处理单元（CPU）、电子控制单元（ECU）、图形处理单元（GPU）、片上系统（SoC）、“智能传感器” ”以及大容量、高速存储设备（例如NVMe内存）。

在这些组件中，ECU（有很多）基于通用功能跨不同区域进行组合。这些分区 ECU 使用以太网与 HPC 平台进行通信。但在这些平台内，需要高带宽处理来实现实时决策。

因此，汽车设计人员使用 PCIe 技术的方式与数据中心的设计方式非常相似。将具有高速串行输出的传感器连接到处理单元最好通过称为汽车 SerDes 联盟 (ASA) 的开放标准来解决。

本质上，汽车网络具有三大支柱（见图 1）。

图 1 - 汽车网络未来的三大支柱

然而，一些 SoC 供应商表示，对于 PCIe，您可以简单地在芯片之间直接连接，而无需交换机。嗯，是的，您可以……但它无法扩展到更高的 ADAS 级别，而且这样做是一种错误的经济做法。

没有交换机的 HPC 系统会呈指数级增加软件复杂性，因为每一端都需要自己的软件堆栈。此外，还需要考虑切换式 PCIe 与非切换式 PCIe 的“大局”优势：

• IO 带宽优化：数据包交换减少了 SoC 互连引脚数要求，从而降低了 SoC 功耗和成本。

• 外设共享：单个外设（例如 SSD 存储或以太网控制器）可以在多个 SoC 之间共享

• 可扩展性：您可以通过增加交换机尺寸、SoC 数量和外设数量，轻松扩展以获得更高性能，而无需更改系统架构。

• 可维护性：PCIe 具有内置的错误检测和诊断测试功能，这些功能已在高性能计算环境中经过多年的彻底验证，可显着简化可维护性。

• 由于上述几点，更好的总体拥有成本 (TCO) 是可能的。

当 PCIe 与以太网和 ASA 相结合时，可以创建优化的异构系统架构（如图 2 中的 ADAS 示例所示）。

图 2 - ADAS 的异构架构

尽管这三种通信技术在不同的时期发展以支持不同的需求，并且各有优缺点，但异构架构却充分发挥了各自的优势。有关这方面的更多信息，您可能希望阅读我们关于以太网、PCIe 和 ASA 如何在未来的软件定义车辆中结合的博客文章。

如前所述，PCIe 提供点对点连接，这意味着设备不会竞争带宽，如果只有少数设备需要连接，这很好。然而，自动驾驶车辆最好实现为一组分布式工作负载，这意味着需要在多个子系统组件之间共享带宽。

在这方面，PCIe 交换机提供了一个出色的解决方案，因为它们是“透明的”，这意味着软件和其他设备不需要知道层次结构中交换机的存在，并且不需要驱动程序。

答案：切换

PCIe 非常适合车辆内的 ADAS、AD 和其他 HPC 应用，但其“点对点”连接让许多人认为这就是它应该如何实现的方式，例如芯片到芯片。然而，使用 Microchip Switchtec ™ 系列（全球首款符合汽车标准的 PCIe 交换机）等技术集成交换可最大限度地降低软件复杂性，并为具有多个子系统组件（要求低延迟和低延迟）的高性能汽车系统带来许多其他优势。高数据速率。