Native PCIe-Verbindungen

Ein Entwurf für eine PCIe-Automotive-Spezifikation

18. November 2021, 10:20 Uhr | Autoren: Michael Lu, Stefan Gianordoli, Tobias Kupka, Gunnar Armbrecht und Stephan Kunz, Redaktion: Irina Hübner
Attraktives Interface für Computing-Anwendungen, die wie künftige dezentrale Automotive-Architekturen nach großer Bandbreite und geringer Latenz verlangen
© Romolo Tavani | Shutterstock

PCIe ist attraktiv für Computing-Anwendungen, die wie künftige dezentrale Automotive-Architekturen nach großer Bandbreite und geringer Latenz verlangen. Damit sich die Features von PCIe in Shared-Processing-Anwendungen voll ausschöpfen lassen, braucht es neue Konzepte für die Automotive-Verkabelung.

Der Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) erfreut sich in der Automobilindustrie wachsender Beliebtheit, um den Forderungen dezentraler Automobilarchitekturen der nächsten Generation nach hohen Bandbreiten und extrem kurzen Latenzzeiten gerecht zu werden. Dennoch ist der verbreitete Einsatz dieser Technik mit einigen Herausforderungen verbunden. Damit Automotive-Prozessoren diesen Interfacestandard in vollem Umfang für die dezentrale Verarbeitung nutzen können, muss eine für Automotive-Anwendungen taugliche Kabelverbindung definiert werden, die es möglich macht, PCIe nicht mehr nur innerhalb von elektronischen Steuergeräten (Electronic Control Units, ECUs) einzusetzen, sondern als Schnittstelle zwischen verschiedenen ECUs zu nutzen.

Die Realisierung nativer PCIe-Verbindungen über Kfz-Kabelwege erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der physischen Verbindung. Unter Kabelwege sind dabei konfektionierte Kabel, also die Kabel samt den zugehörigen Steckverbindern zu verstehen. Als führende Zulieferer der Automobilindustrie haben die Firmen Texas Instruments, Rosenberger und GG Group den Vorschlag einer PCIe-Spezifikation für Kfz-Kabel erarbeitet, um eine zuverlässige Implementierung in Fahrzeugen zu ermöglichen und dazu beizutragen, die Nutzung dieses Schnittstellenstandards zu vereinheitlichen. Dieser Artikel skizziert die wesentlichen Aspekte des Spezifikationsentwurfs und geht auf wichtige Überlegungen und Herausforderungen ein, die mit der Definition von PCIe über Kabelwege in Kraftfahrzeugen zusammenhängen.

Trends bei Fahrzeugkonnektivität

OEMs und Tier-1-Zulieferer rüsten sich für die Unterstützung technologischer Fortschritte im Bereich der Fahrassistenzsysteme und der Fahrzeugkonnektivität. Dabei denken sie die grundlegende Datenarchitektur (Data Backbone) von Kraftfahrzeugen völlig neu.

Vergleich zwischen Domain- und Zonenarchitektur
Bild 1. Vergleich zwischen Domain- und Zonenarchitektur.
© Texas Instruments

Anstatt die Rechentechnik bereichsspezifisch (beispielsweise für den ADAS-Bereich) zu implementieren, gibt es bei den künftigen Daten-Backbones in Kraftfahrzeugen einen Umstieg von Bereichs- (Domain-) zu Zonen-Architekturen. Erreicht wird dies mithilfe von lokalen Rechenknoten (Zonen-Controllern), die der Verbindung von ECUs und Schnittstellen anhand ihrer Position innerhalb ihrer jeweiligen Zone dienen – ganz gleich, welcher Domain sie jeweils angehören. Diese Zonen-Controller wiederum sind mit einem leistungsstarken zentralen Rechnerknoten verbunden, der die Daten entsprechend verarbeitet (Bild 1).

Damit eine dezentrale Verarbeitung in Zonenarchitekturen möglich ist, muss sich der Daten-Backbone schneller Schnittstellen bedienen, die große Bandbreiten und eine geringe Latenz unterstützen. Einer äußerst geringen Latenz muss immer dann besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden, wenn die geteilten Daten für sicherheitskritische Echtzeit-Verarbeitungsaufgaben benötigt werden. Das PCIe-Ökosystem, das den Forderungen nach großer Bandbreite und geringer Latenz in industriellen Rechenzentren bereits Rechnung trägt, bringt beste Voraussetzungen mit, um seine Stärken auch in der Automobilindustrie auszuspielen.

PCIe-Verbindungen auf Kfz-Kabelwegen

Die Realisierung von PCIe auf Kabelwegen in Automobilen setzt eine sorgfältige Berücksichtigung der gesamten physischen Verbindung voraus. Der komplette Kanal, also die TX-RX-Verbindung, besteht aus zwei PCB-Kanälen an den jeweiligen Enden des Automotive-Kabelwegs. Der PCB-Kanal umfasst den Abschnitt vom TX/RX-PHY zum zugehörigen Leiterplatten-Header. Der Automotive-Kabelweg kann aus einem oder mehreren konfektionierten Kabeln bestehen. Im letzteren Fall finden sich Steckverbindungen entlang des Kabelwegs. Wie lang der Kabelweg maximal sein darf, richtet sich nach Merkmalen wie der Einfüge- und der Rückflussdämpfung gemäß den Grenzwerten des Kabelwegs über die erforderliche Bandbreite.

Im Folgenden werden gezielt Herausforderungen und Überlegungen bei der Implementierung nativer PCIe-Verbindungen auf Kabelwegen in Kraftfahrzeugen diskutiert.

Wichtige Überlegungen zur PCIe-Technologie

Es müssen mehrere Abwägungen vorgenommen werden, um einerseits die Vorteile der nativen PCIe-Technik zu wahren und andererseits den Forderungen der OEMs nach einer einheitlichen Kabelweglösung sowie nach Kosten- und Gewichtsminimierung nachzukommen.

➔ Verwenden ähnlicher Kabeltypen wie für andere Highspeed-Schnittstellen: Die für PCIe verwendete Verkabelung sollte möglichst große Ähnlichkeit mit anderen Highspeed-Interfacetechnologien wie 2.5/5/10GBASE-T1-Ethernet haben. OEMs müssen dann für die verschiedenen Highspeed-Schnittstellen im Fahrzeug nur eine einzige Steckverbinder-Kabel-Kombination qualifizieren.

➔ Nur die wichtigen PCIe-Signale verbinden: Um Anzahl und Gewicht der Kabel zu verringern, müssen nur die wichtigen, schnellen In-Band-PCIe-Signale über das Kabel verbunden werden, während langsamere Side-Band-Signale auf der lokalen Leiterplatte ohne Verbindung bleiben können. Um das Risiko von EMI-Resonanzen zu verringern, kann bei der Kabelverbindung der PCIe-Referenztakt von 100 MHz weggelassen werden, denn die PCIe-Spezifikation unterstützt SRNS (Separate Reference Non-Spread) und SRIS (Separate Reference Independent Spread) für die unabhängige Taktung an beiden Enden des Kabels.

➔ Für eine höhere native PCIe-Performance mehr Kabel in Kauf nehmen: Der native PCIe-Transport erfordert eigene TX- und RX-Kanäle. Folglich sind pro Lane zwei STP-Kabel (je ein TX- und RX-Kabel pro Lane) erforderlich, während andere Highspeed-Interfaces wie etwa Multi-Gig-Ethernet mit einem einzigen Kabel auskommen. Für diesen Mehraufwand erhält man jedoch eine höhere native PCIe-Performance und eine nicht-proprietäre PHY-Schnittstelle über das Kabel, wobei auf das gesamte Ökosystem zurückgegriffen werden kann.

➔ Ähnliche Anforderungen an die PHY-Ebene zugrunde legen: Das native PCIe nutzt die NRZ-Signalisierung mit separaten TX- und RX-Richtungen und der Fähigkeit, die EMV-Vorgaben zu erfüllen. Verglichen mit der PAM-4- oder PAM-16-Modulation maximiert die NRZ-Signalisierung den vertikalen Spielraum des Augendiagramms. Außerdem muss bei separaten TX- und RX-Kanälen kein separater Automotive-PCIe-PHY implementiert werden, um die vollduplexfähigen, bidirektionalen Signalisierungsschnittstellen zu unterstützen, bei denen komplexe DSPs für die Rausch- und Echokompensation benötigt werden.

Überlegungen zur Kanalspezifikation

Um eine zuverlässige Verbindung in Millionen von Fahrzeugen zu schaffen, kommt es darauf an, die Highspeed-Anforderungen der PHYs für die Verbindung zwischen ihnen zu bestimmen und diese mit der Leistungsfähigkeit abzustimmen, die von den Kabeln und Steckverbindern geboten werden kann. Es wird deshalb eine Kanalspezifikation benötigt, um die Parameter des Highspeed-Kanals anhand dieser Grenzwerte zu prüfen. Highspeed-Kanalspezifikationen beschreiben die Anforderungen an den aus Kabel und PCB bestehenden Kanal anhand von S-Parametern.

Zu den wichtigen Parametern gehören neben der erforderlichen Frequenzbandbreite in erster Linie auch die Einfüge- und die Rückflussdämpfung. Berücksichtigt man zusätzlich die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), so ist es vorteilhaft, auch die Schirmdämpfung und die Kopplungsdämpfung zu spezifizieren. Nicht zuletzt bedarf es einer detaillierten Beschreibung der Messanordnungen und Vorgehensweisen, damit sich verschiedene Ergebnisse miteinander vergleichen lassen.

Vorgeschlagene Grenzwerte für einen PCIe-3.0-Kanal. Der Kanal muss eine Einfüge-dämpfung unterstützen, die bis mindestens 10 % der Nyquist-Frequenz der höchsten Übertragungsrate frei von Suck-outs, Senken oder Einkerbungen ist
Tabelle 1. Vorgeschlagene Grenzwerte für einen PCIe-3.0-Kanal. Der Kanal muss eine Einfüge-dämpfung unterstützen, die bis mindestens 10 % der Nyquist-Frequenz der höchsten Übertragungs-rate frei von Suck-outs, Senken oder Einkerbungen ist, um genügend Spielraum für Temperatur, Alterung und Fertigungsschwankungen zu bieten.
© Texas Instruments

TI, die GG Group und Rosenberger haben in gemeinsamer Arbeit den Vorschlag für die Spezifikation eines Automotive-PCIe-Kanals erstellt und durch eine Beschreibung der Messanordnung sowie der Vorgehensweise ergänzt. Sie kann künftig als Basis für eine mögliche offizielle Standardisierung der PCI-SIG für Anwendungsfälle im Kfz-Bereich dienen. In Tabelle 1 sind die wichtigsten Anforderungen für einen PCIe-3.0-Kabelweg in Automotive-Anwendungen zusammengefasst.


  1. Ein Entwurf für eine PCIe-Automotive-Spezifikation
  2. Überlegungen zu Verkabelungen
  3. Die Autoren

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