以太网PHY芯片技术白皮书
全球市场规模
2023年：约12亿美元（数据来源：yoledévelopment）2028预测：超过25亿美元（CAGR 15.8％）增长驱动因素：数据中心升级（400G/800G PHY需求）汽车智能（每辆车的物理数量从1 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 10 - 10 - 10％）
区域市场分布
北美：40％（由数据中心和汽车电子产品驱动）亚太：35％（中国是主要的生长极，5G基站和电动汽车需求）：20％（工业4.0和汽车产业链成熟）
市场竞争模式
北美：40％（由数据中心和汽车电子产品驱动）亚太：35％（中国是主要的生长极，5G基站和电动汽车需求）：20％（工业4.0和汽车产业链成熟）
未来趋势
1。技术方向：
Ultra -高速：800G PHY（PAM4调制，硅光子集成）低功耗：3NM工艺PHY芯片（功耗减少了50％）汽车等级：10G PHY支持L4/L5自动驾驶（2025年质量生产）
2。供应链变化：
美国限制了向中国的高端出口，从而加速了国内替代过程。 TSMC/三星正在部署3NM PHY铸造厂，以争夺高-最终市场。
连接Mac和物理媒体（铜线/光纤），以确保稳定的网络传输
1。信号调节
将MAC层发送的并行数据转换为串行位流，然后采样并解码接收的模拟信号以将其恢复为数字信号；
2。数据编码/解码
补偿长-距离电缆中高-频率信号的衰减，消除-符号干扰（ISI），并恢复信号波形；
3。物理媒体接口
扭曲的配对 +光纤 +背板；在ESD保护和公共模式抑制中建造-；
4。电力管理和诊断
闲置时关闭未使用的收发器通道，在低-电源模式下，功耗可以减少70％；它具有检测电缆开路/短路/阻抗异常和阅读链接状态的功能；
5。链接谈判适应了费率
通过FLP（快速链路脉冲）与对等设备协商最佳速率（10/100/1000Mbps），并快速建立重新连接；
信号调理/数据编码和解码
1。信号条件的必要性
·信号振幅调整：轻松收集的信号放大；
2。信号调理过程（适用于大多数长-距离通信）
信号扩增->过滤->信号转换->线性化->隔离保护->调制和解调->级别调整；
结构图
PHY芯片
PHY（物理层）芯片是物理层的核心组件，负责发送和接收以太网信号。主要功能包括：
•信号转换：将数字信号转换为适合网络电缆传输（传输）的模拟信号，然后将模拟信号转换为数字信号（接收）。
•电力保护：通过网络变压器提供额外的电气隔离，以保护PHY芯片免受外部因素的损害，例如雷击和电磁干扰。
网络变压器
•信号耦合和传输：通过PHY芯片通过差分模式耦合增强和传输差异信号输出到网络电缆的另一端。
•电气隔离：隔离PHY芯片和网络电缆之间的直流电平差，以防止不同设备之间的电压差异损坏设备。
•阻抗匹配：确保信号源，负载和传输线之间的阻抗匹配，以减少信号反射和位误差。
•电磁干扰抑制：抑制通用模式噪声并通过共同模式扼流圈（CMC）降低电磁干扰。
以上三个部分不一定是所有独立芯片。主要情况下有以下情况：Mac和PHY集成在CPU内部，这更困难； MAC集成在CPU内部，PHY使用独立的芯片（主流解决方案）； Mac和Phy未集成在CPU中，Mac和Phy使用独立的芯片或集成的芯片（高-最终使用）；
参数
1。费率支持
•支持的利率范围：PHY芯片需要支持目标应用所需的以太网率，例如10 Mbps，100 Mbps，1 Gbps，10 Gbps，10 Gbps等；
•自适应率谈判：支持自动-协商函数，可以根据对等设备的功能自动选择最佳速率（例如10/100/1000 Mbps）和双链模式（完整- Duplex/Half - Duplex）。
2。接口标准
PHY芯片需要与上MAC层兼容。常见接口包括：
•MII：适用于10/100 Mbps以太网。
•RMII：MII的简化版本，销钉较少，适用于10/100 Mbps。
•GMII：支持1 Gbps速率。
•RGMII：简化的GMII版本，销钉较少，适用于1 Gbps。
•SGMII：串行界面，适用于1 Gbps，销钉较少。
•物理培养基接口（MDI）：受支持的物理培养基类型，例如扭曲对（base - t），纤维（基本- x），单个扭曲对（基本- T1），等等。
3。传输距离
•传输距离：根据应用要求选择一个支持所需传输距离的PHY芯片。例如，1000base - t（千兆以太网）支持高达100米的扭曲对变速器，而纤维PHY（例如1000base - lx）可以支持更长的距离。
4。功耗
•功耗水平：低功耗对于节能和热量管理至关重要，尤其是在高-密度设备（例如开关）和移动设备中。例如，支持EEE（能源有效以太网）标准的PHY芯片可以在闲置时降低功耗。
•热设计：考虑PHY芯片的热量耗散要求，尤其是在高温环境或高-密度应用中。
5。可靠性和稳定性
•电隔离：通过网络变压器实现电隔离，以保护PHY芯片免受外部因素的损害，例如雷击和电磁干扰。
•抗干扰能力：PHY芯片应具有良好的电磁兼容性（EMC），并能够在工业环境中承受电磁干扰。例如，他们应遵守CISPR 32和IEC 61000 - 4 - 2等标准。
•工作温度范围：工业- PHY芯片通常支持广泛的温度范围（例如- 40°C85°C），以适应恶劣的环境。
6。特殊功能
•POE支持：如果需要由以太网电缆供电（例如IP摄像机，无线访问点），则需要选择一个支持POE的芯片（IEEE 80
•诊断功能：支持诸如链接状态检测和信号质量监视之类的功能，以促进网络维护和故障排除。 •安全功能：在某些应用程序中，PHY芯片可能需要支持安全功能，例如加密通信或身份验证功能。
应用程序方案
（1）10/100Mbps Phy
应用程序方案：工业控制：PLC，传感器网络（例如Modbus TCP）智能家居：智能插座，低- POWER IOT设备（例如Zigbee Gateway）在-板诊断：OBD - II接口（100Base - T1）
（2）1GBPS PHY
应用程序方案：消费电子产品：4K电视，NAS存储工业摄像头：机器视觉（真实-时间图像传输）企业网络：千兆交换机，路由器
（3）2.5G/5G PHY（Multi -千兆位）
应用程序方案：工业控制：PLC，传感器网络（例如Modbus TCP）智能家居：智能插座，低- POWER IOT设备（例如Zigbee Gateway）在-板诊断：OBD - II接口（100Base - T1）
（4）10G/25G PHY
应用程序方案：数据中心：服务器互连（SFP+/QSFP28）5G基站：Fronthaul网络（ECPRI超过25G）Ultra -高-高-定义视频制作：8K视频真实-时间传输-时间传输
（5）40G/100G及以上PHY
应用程序方案：AI/超级计算群集：GPU/TPU互连（Infiniband替换）核心骨干网络：Metropolitan Area Network/Inter Inter -数据中心互连光学通信：CPRI/obsai Fiber Fronthaul
设计选择
（1）MII（媒体独立接口）
费率：10/100Mbps的引脚数：16+应用方案：早期嵌入式系统（例如ARM9工业控制板）低-复杂性设计（需要外部MAC控制器）缺点：复杂的布线，逐渐被RMII替换
（2）RMII（MII减少）
费率：10/100Mbps的引脚数：6（数据 +时钟）应用程序方案：成本-敏感设备（例如家庭路由器）空间-约束设计（IOT模块）优点：简化的布线，支持50MHz时钟
（3）RGMII（千兆MII减少）
费率：1Gbps的引脚数：12（双-边缘采样）应用程序方案：千兆开关，工业网关需要与100m/1g的100m/1g柔性设计关键点兼容：需要严格的计时控制（±1NS偏差公差）
（4）sgmii（连续千兆MII）
速率：1G/2.5GBPSNUMBER销钉：2（差分对）应用方案：长-距离板- -板连接（通过Serdes）高- FPGA和Phyadvantages之间的高速通信
（5）USXGMII（超速MII）
速率：销钉的10gbpsnumber：4（差分对）应用程序方案：多-速率开关（10m/100m/1g/1g/10g自适应）数据中心叶-脊柱体系结构：需要低抖动时钟（<0.5PS RMS）
优势
可以按需定制适当的可靠性策略
产品的可靠性测试严格符合以下国际标准：
2023年：约12亿美元（数据来源：yoledévelopment）2028预测：超过25亿美元（CAGR 15.8％）增长驱动因素：数据中心升级（400G/800G PHY需求）汽车智能（每辆车的物理数量从1 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 2 - 10 - 10 - 10％）
区域市场分布
北美：40％（由数据中心和汽车电子产品驱动）亚太：35％（中国是主要的生长极，5G基站和电动汽车需求）：20％（工业4.0和汽车产业链成熟）
市场竞争模式
北美：40％（由数据中心和汽车电子产品驱动）亚太：35％（中国是主要的生长极，5G基站和电动汽车需求）：20％（工业4.0和汽车产业链成熟）
未来趋势
1。技术方向：
Ultra -高速：800G PHY（PAM4调制，硅光子集成）低功耗：3NM工艺PHY芯片（功耗减少了50％）汽车等级：10G PHY支持L4/L5自动驾驶（2025年质量生产）
2。供应链变化：
美国限制了向中国的高端出口，从而加速了国内替代过程。 TSMC/三星正在部署3NM PHY铸造厂，以争夺高-最终市场。
产品功能
连接Mac和物理媒体（铜线/光纤），以确保稳定的网络传输
1。信号调节
将MAC层发送的并行数据转换为串行位流，然后采样并解码接收的模拟信号以将其恢复为数字信号；
2。数据编码/解码
补偿长-距离电缆中高-频率信号的衰减，消除-符号干扰（ISI），并恢复信号波形；
3。物理媒体接口
扭曲的配对 +光纤 +背板；在ESD保护和公共模式抑制中建造-；
4。电力管理和诊断
闲置时关闭未使用的收发器通道，在低-电源模式下，功耗可以减少70％；它具有检测电缆开路/短路/阻抗异常和阅读链接状态的功能；
5。链接谈判适应了费率
通过FLP（快速链路脉冲）与对等设备协商最佳速率（10/100/1000Mbps），并快速建立重新连接；
信号调理/数据编码和解码
1。信号条件的必要性
·信号振幅调整：轻松收集的信号放大；
2。信号调理过程（适用于大多数长-距离通信）
信号扩增->过滤->信号转换->线性化->隔离保护->调制和解调->级别调整；
结构图
PHY芯片
PHY（物理层）芯片是物理层的核心组件，负责发送和接收以太网信号。主要功能包括：
•信号转换：将数字信号转换为适合网络电缆传输（传输）的模拟信号，然后将模拟信号转换为数字信号（接收）。
•电力保护：通过网络变压器提供额外的电气隔离，以保护PHY芯片免受外部因素的损害，例如雷击和电磁干扰。
网络变压器
•信号耦合和传输：通过PHY芯片通过差分模式耦合增强和传输差异信号输出到网络电缆的另一端。
•电气隔离：隔离PHY芯片和网络电缆之间的直流电平差，以防止不同设备之间的电压差异损坏设备。
•阻抗匹配：确保信号源，负载和传输线之间的阻抗匹配，以减少信号反射和位误差。
•电磁干扰抑制：抑制通用模式噪声并通过共同模式扼流圈（CMC）降低电磁干扰。
以上三个部分不一定是所有独立芯片。主要情况下有以下情况：Mac和PHY集成在CPU内部，这更困难； MAC集成在CPU内部，PHY使用独立的芯片（主流解决方案）； Mac和Phy未集成在CPU中，Mac和Phy使用独立的芯片或集成的芯片（高-最终使用）；
参数
1。费率支持
•支持的利率范围：PHY芯片需要支持目标应用所需的以太网率，例如10 Mbps，100 Mbps，1 Gbps，10 Gbps，10 Gbps等；
•自适应率谈判：支持自动-协商函数，可以根据对等设备的功能自动选择最佳速率（例如10/100/1000 Mbps）和双链模式（完整- Duplex/Half - Duplex）。
2。接口标准
PHY芯片需要与上MAC层兼容。常见接口包括：
•MII：适用于10/100 Mbps以太网。
•RMII：MII的简化版本，销钉较少，适用于10/100 Mbps。
•GMII：支持1 Gbps速率。
•RGMII：简化的GMII版本，销钉较少，适用于1 Gbps。
•SGMII：串行界面，适用于1 Gbps，销钉较少。
•物理培养基接口（MDI）：受支持的物理培养基类型，例如扭曲对（base - t），纤维（基本- x），单个扭曲对（基本- T1），等等。
3。传输距离
•传输距离：根据应用要求选择一个支持所需传输距离的PHY芯片。例如，1000base - t（千兆以太网）支持高达100米的扭曲对变速器，而纤维PHY（例如1000base - lx）可以支持更长的距离。
4。功耗
•功耗水平：低功耗对于节能和热量管理至关重要，尤其是在高-密度设备（例如开关）和移动设备中。例如，支持EEE（能源有效以太网）标准的PHY芯片可以在闲置时降低功耗。
•热设计：考虑PHY芯片的热量耗散要求，尤其是在高温环境或高-密度应用中。
5。可靠性和稳定性
•电隔离：通过网络变压器实现电隔离，以保护PHY芯片免受外部因素的损害，例如雷击和电磁干扰。
•抗干扰能力：PHY芯片应具有良好的电磁兼容性（EMC），并能够在工业环境中承受电磁干扰。例如，他们应遵守CISPR 32和IEC 61000 - 4 - 2等标准。
•工作温度范围：工业- PHY芯片通常支持广泛的温度范围（例如- 40°C85°C），以适应恶劣的环境。
6。特殊功能
•POE支持：如果需要由以太网电缆供电（例如IP摄像机，无线访问点），则需要选择一个支持POE的芯片（IEEE 80
•诊断功能：支持诸如链接状态检测和信号质量监视之类的功能，以促进网络维护和故障排除。 •安全功能：在某些应用程序中，PHY芯片可能需要支持安全功能，例如加密通信或身份验证功能。
应用程序方案
（1）10/100Mbps Phy
应用程序方案：工业控制：PLC，传感器网络（例如Modbus TCP）智能家居：智能插座，低- POWER IOT设备（例如Zigbee Gateway）在-板诊断：OBD - II接口（100Base - T1）
（2）1GBPS PHY
应用程序方案：消费电子产品：4K电视，NAS存储工业摄像头：机器视觉（真实-时间图像传输）企业网络：千兆交换机，路由器
（3）2.5G/5G PHY（Multi -千兆位）
应用程序方案：工业控制：PLC，传感器网络（例如Modbus TCP）智能家居：智能插座，低- POWER IOT设备（例如Zigbee Gateway）在-板诊断：OBD - II接口（100Base - T1）
（4）10G/25G PHY
应用程序方案：数据中心：服务器互连（SFP+/QSFP28）5G基站：Fronthaul网络（ECPRI超过25G）Ultra -高-高-定义视频制作：8K视频真实-时间传输-时间传输
（5）40G/100G及以上PHY
应用程序方案：AI/超级计算群集：GPU/TPU互连（Infiniband替换）核心骨干网络：Metropolitan Area Network/Inter Inter -数据中心互连光学通信：CPRI/obsai Fiber Fronthaul
设计选择
（1）MII（媒体独立接口）
费率：10/100Mbps的引脚数：16+应用方案：早期嵌入式系统（例如ARM9工业控制板）低-复杂性设计（需要外部MAC控制器）缺点：复杂的布线，逐渐被RMII替换
（2）RMII（MII减少）
费率：10/100Mbps的引脚数：6（数据 +时钟）应用程序方案：成本-敏感设备（例如家庭路由器）空间-约束设计（IOT模块）优点：简化的布线，支持50MHz时钟
（3）RGMII（千兆MII减少）
费率：1Gbps的引脚数：12（双-边缘采样）应用程序方案：千兆开关，工业网关需要与100m/1g的100m/1g柔性设计关键点兼容：需要严格的计时控制（±1NS偏差公差）
（4）sgmii（连续千兆MII）
速率：1G/2.5GBPSNUMBER销钉：2（差分对）应用方案：长-距离板- -板连接（通过Serdes）高- FPGA和Phyadvantages之间的高速通信
（5）USXGMII（超速MII）
速率：销钉的10gbpsnumber：4（差分对）应用程序方案：多-速率开关（10m/100m/1g/1g/10g自适应）数据中心叶-脊柱体系结构：需要低抖动时钟（<0.5PS RMS）
优势
可以按需定制适当的可靠性策略
产品的可靠性测试严格符合以下国际标准：
AEC（汽车电子委员会)
吉德（联合电子设备工程委员会）
MIL（军事标准）
IEC（国际电子技术委员会）
为了充分确保产品质量，我们可以从以下五个方面确保产品可靠性：
过程可靠性
包装过程可靠性
产品可靠性
质量生产可靠性监测
故障分析
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