摘要：2025年5月20日，大众汽车旗下的软件公司CARIAD在其官方网站发表文章：《The Fast Lane of Data: Leveraging PCIe in Modern Vehicle Architectures》，https://cariad.tec
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2025年5月20日，大众汽车旗下的软件公司CARIAD在其官方网站发表文章：《The Fast Lane of Data: Leveraging PCIe in Modern Vehicle Architectures》，https://cariad.technology/de/en/news/stories/enabling-centralized-architecture-with-pcie.html文中暗示大众汽车的计算平台将采用PCIe交换机。在此之前，高通第一代智能驾驶系统即Ride3.0，首次在汽车行业使用了PCIe交换机，即Microchip的PM43028B1-F3EI，售价约100美元，比SA8155P的价格还高，几乎是以太网交换机价格的4-5倍。不过高通的Ride3.0主要针对SA8540和加速器SA9000的，这两块芯片之间使用了PCIe交换机，众所周知SA8540是高通的过渡产品，高通第二代智能驾驶系统，主要是基于SA8650和SA8775平台，同时高通主打性价比，自然就不会用高价的PCIe交换机。大众如果使用PCIe交换机，将是汽车领域实质性首次使用PCIe交换机。
CARIAD在文中列举了使用PCIe的益处，包括通过DMA（Direct Memory Access）可以高带宽低延迟交换数据；通过PCIe交换机，可以实现灵活易扩展的拓扑架构；能够实现SoC之间内存共享和外设接入；支持并行计算工作任务，例如AI和深度学习。所谓并行计算，在汽车架构领域就是指多个SoC并联，例如两个Orin并联。
两个Orin并联算力根本不能翻倍，因为目前两个Orin并联都是使用以太网交换机，目前主流的高端以太网交换机最高是10Gbs，也就是1.25GBs。Orin本身的存储带宽是204.8GB/s，要想两个Orin并联算力增加50%，两个Orin之间的交换带宽至少要做到1TB/s。对比GPU领域的NVLink就能明白，早在2014年，英伟达就意识到多张显卡的并联工作，通讯带宽是决定性因素，因此发明了第一代NVLink，带宽80GB/s，2014年NVLink 1.0发布并在P100 GPU芯片之间实现，两个GPU之间有四个NVLink，每个链路由八个信道组成，每个信道的速度为20Gb/s，系统整体双向带宽为160GB/s（20＊8＊4＊2）/8=160GB/s），如今NVLink已经发展到5.0，带宽高达1800GB/s，是车载以太网交换机的1000倍以上，如此方能让GPU算力实现叠加，估计万兆级的车载以太网交换机连接两个Orin，算力增加最多20%。
NVLink历代参数
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Orin和Thor都没有NVLink接口，换句话说无法用NVLink并联，但车载以太网带宽太低，只能用PCIe交换，它的带宽虽然远高于车载以太网，但与NVLINK比还是差得很远。
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PCIe标准由英特尔主导，PCI-SIG联盟维护，最新的7代标准预计2025年下半年正式发布，2025年1月发布了7代的v0.9版本，PCIe更多考虑互联互通，还有板对板连接，因此发展比较慢，基本上每三年升级一次，带宽远低于NVLink，据说7代PCIe有专门的汽车版，但目前还没有确切消息。目前主流的PCIe交换机大部分还是4代，英伟达最新的RTX5090才是5代。
历代PCIe标准的交换带宽
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最先进的7代PCIe，采用16通道情况下可以达到512GB/s，不过目前市面上量产的车载PCIe交换机最多只到4代，16通道下仅64GB/s，英伟达的Thor支持5代PCIe，但目前市面上还没有量产的5代车载PCIe交换机。
PCIe的另一个特色是NTB，即非透明桥，非透明桥允许一个SoC系统直接访问另一个SoC系统的内存和外设，通常这需要交换机系统中转，NTB交换机允许直接访问，特别适合两个不同芯片或chiplet间的互联。有时候某个SoC系统内存不足，可以直接调用另一个SoC系统的内存，多个芯片就好像一个芯片运作。
NTB功能特别适合做自动驾驶的冗余系统，正常情况下，HOST1访问、管理下面的设备EP。域控制器1不参与，处于Standby状态。当HOST1出现异常时，HOST2接管系统，HOST2重新配置Switch，把原来的NT口配置成Upstream Port，并且重新分配、枚举PCIe设备资源。然后HOST2接管下面EP设备的访问、管理。
PCIe的另一大优势在于对NVMe SSD存储的支持。
德州仪器对未来Zonal汽车电子架构的设想
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上图是德州仪器对未来Zonal汽车电子架构的设想，在中央存储SSD与中央ECU之间，必须用PCIe连接，也就必须用到PCIe交换机。
Microchip对HPC和Zonal时代的分析
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NVMe SSD最早用于苹果手机和笔记本电脑，速度要比传统PC的SATA接口要快不少，车载目前主要还是UFS或eMMC，它的设计初衷主要是考虑到功耗和速度，汽车领域对功耗敏感程度要低于手机，但随着模型越来越大，对带宽要求越来越高，每次运算时，CPU发出指令，权重模型从UFS中被取出暂存在DRAM中，通过CPU中转到AI并行计算单元，如果采用NVMe SSD，其采用了DMA技术，无需CPU中转，效率大大提高。而NVMe SSD必须配合PCIe交换机。
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汽车E/E架构从以前的分布式向中央集中的Zone架构演进，如果采用UFS存储，那么每个计算单元都需要单独设置存储器，如果是基于PCIe的NVMe SSD，那么只需要一个存储器加PCIe交换机即可。此外，UFS还有个缺点就是太慢了，下一代UFS 5.0预计2027年推出，带宽为8GB/s，而4代PCIe的带宽是其8倍。
将分散的存储统一起来，简化了拓扑架构
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未来车载存储应该是NVMe SSD，NVMe从头开始设计，充分利用PCI Express SSD的低延迟和并行性，并补充了当代CPU，平台和应用程序的并行性，也有更大的命令队列深度以及更有效的中断处理，非常适合AI时代的车载存储。NVMe SSD容量基本上是TB起步。
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NVMe支持长队列，可以大幅度缓解并行计算时存储瓶颈。
PCIe是一种高速点对点的互联方式，可以通过增加通道数来扩展带宽，不像以太网那样是固定的，PCIe是基于地址的路由，以太网是基于消息的路由，PCIe的安全性可靠性要更高，PCIe是闭环的拓扑，以太网是开环的，PCIe类似于通讯方式，以太网的本质是总线。
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PCIe采用ACK/NAK链路层机制，ACK就是acknowledge，ACK DLLP表示TLP接收完成，NAK就是Negative acknowledge，意思就是拒绝接收这个TLP。Ack/Nak是一种由硬件实现的，完全自动的机制，目的是保证TLP有效可靠地传输。Ack DLLP用于确认TLP被成功接收，Nak DLLP则用于表明TLP传输中遇到了错误。
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发送方会对每一个TLP在Replay Buffer中做备份，直到其接收到来自接收方的Ack DLLP，确认该DLP已经成功的被接受，才会删除这个备份。如果接收方发现TLP存在错误，则会向发送方发送Nak DLLP，然后发送方会从Replay Buffer中取出数据，重新发送该TLP。车载以太网TSN里有类似的协议栈，但那个实现起来远比PCIe系统要麻烦。
最后PCIe界面相对以太网界面，运行runtime系统如Linux（Ubuntu）和QNX更为友好，Linux也是目前主流智能驾驶系统的OS。
PCIe最可能用于双Orin这种双智能驾驶SoC领域，或者智能驾驶SoC与智能座舱SoC需要协同联合工作，当然也有使用NVMe SSD的Zone控制器，接口数量一般只需要3-4个，远低于以太网，因此价格和以太网交换机差不多或略贵一点。
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来源：佐思汽车研究
