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：Yole Développement）

2028年预测：超25亿美元（CAGR 15.8%）

增长驱动力：

数据中心升级（400G/800G PHY需求）

汽车智能化（单车PHY数量从1-2颗增至10+颗）

工业4.0（工业以太网渗透率超50%）

区域市场分布

北美：40%（受数据中心与汽车电子驱动）

亚太：35%（中国为主要增长极，5G基站与电动车需求）

欧洲：20%（工业4.0与汽车产业链成熟）

市场竞争格局

北美：40%（受数据中心与汽车电子驱动）

亚太：35%（中国为主要增长极，5G基站与电动车需求）

欧洲：20%（工业4.0与汽车产业链成熟）

未来趋势

1.技术方向：

超高速：800G PHY（PAM4调制，硅光集成）

低功耗：3nm工艺PHY芯片（功耗降低50%）

车规级：10G PHY支持L4/L5自动驾驶（2025年量产）

2.供应链变化：

美国限制高端PHY对华出口，加速国产替代进程。

台积电/三星布局3nm PHY代工，争夺高端市场。

产品功能

PRODUCT FEATURES

连接MAC与物理介质（铜缆/光纤），保障网络稳定传输

1、信号调理

将MAC层发送的并行数据转换为串行比特流，并对接收的模拟信号进行采样、解码，还原为数字信号；

2、数据编/解码

补偿高频信号在长距离电缆中的衰减，并消除码间干扰（ISI），恢复信号波形；

3、物理介质接口

双绞线+光纤+背板；内置ESD防护和共模抑制；

4、功耗管理与诊断

空闲时关闭未使用的收发通道，低功耗模式下功耗可降低70%；具备检测线缆开路/短路/阻抗异常，读取链路状态的功能；

5、链路协商与速率适配

通过FLP（快速链路脉冲）与对端设备协商最优速率（10/100/1000Mbps），并快速建立重新连接；

信号调理/数据编解码

1、信号调理的必要性

·信号幅度调整：信号放大，便于采集；

·提高信噪比：去除电信号的噪声干扰；

·信号转换：通过函数关系实现信号转换，便于对需要的参数观测；

·满足设备要求：信号匹配；

·实现远距离传输：远距离传输时可以抗干扰；

·保护设备：测量高压信号时，对后端设备保护；

2、信号调理的流程（适用于大多数远距离通信）

信号放大->滤波处理->信号转换->线性化处理->隔离保护->调制解调- >电平调整;

PHY芯片产品结构框图

STRUCTURE DIAGRAM

PHY芯片

PHY（Physical Layer）芯片是物理层的核心组件，负责以太网信号的发送和接收。主要功能包括：

• 信号转换：

将数字信号转换为适合网线传输的模拟信号（发送），并将模拟信号转换为数字信号（接收）。

• 电气保护：

通过网络变压器提供额外的电气隔离，保护PHY芯片免受雷击、电磁干扰等外部因素的损坏。

网络变压器

• 信号耦合与传输：将PHY芯片输出的差分信号通过差模耦合的方式增强并传输到网线的另一端。

• 电气隔离：隔离PHY芯片与网线之间的直流电平差异，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，减少信号反射和误码。

• 电磁干扰抑制：通过共模扼流圈（CMC）抑制共模噪声，减少电磁干扰。

对于上述三部分，并不一定都是独立的芯片，主要有以下几种情况：

·CPU内部集成了MAC和PHY，难度较高；

·CPU内部集成MAC,PHY采用独立芯片(主流方案)；

·CPU不集成MAC和PHY，MAC和PHY采用独立芯片或者集成芯片(高端采用)；

选型参数

PARAMETERS

1、速率支持

• 支持的速率范围：PHY芯片需要支持目标应用所需的以太网速率，如10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps、10 Gbps等；

• 自适应速率协商：支持自动协商功能，能够根据对端设备的能力自动选择最佳速率（如10/100/1000 Mbps）和双工模式（全双工/半双工）。

2、接口标准

PHY芯片需要与上层MAC层兼容，常见的接口包括：

• MII：适用于10/100 Mbps以太网。

• RMII：简化版MII，引脚数量更少，适用于10/100 Mbps。

• GMII：支持1 Gbps速率。

• RGMII：简化版GMII，引脚数量更少，适用于1 Gbps。

• SGMII：串行接口，适用于1 Gbps，引脚数量更少。

• 物理介质接口（MDI）：支持的物理介质类型，如双绞线（BASE-T）、光纤（BASE-X）、单对双绞线（BASE-T1）等。

3、传输距离

• 传输距离：根据应用需求选择支持所需传输距离的PHY芯片。如，1000BASE-T（千兆以太网）支持最长100米的双绞线传输，而光纤PHY（如1000BASE-LX）可支持更长距离。

4、功耗

• 功耗水平：低功耗设计对于节能和散热管理至关重要，尤其是在高密度设备（如交换机）和移动设备中。例如，支持EEE（Energy Efficient Ethernet）标准的PHY芯片可以在空闲时降低功耗。

• 热设计：考虑PHY芯片的散热需求，尤其是在高温环境下或高密度应用中。

5、可靠性与稳定性

• 电气隔离：通过网络变压器实现电气隔离，保护PHY芯片免受雷击、电磁干扰等外部因素的损坏。

• 抗干扰能力：PHY芯片应具备良好的电磁兼容性（EMC），能够耐受工业环境中的电磁干扰。例如，符合CISPR 32、IEC 61000-4-2等标准。

• 工作温度范围：工业级PHY芯片通常支持宽温范围（如-40°C85°C），以适应恶劣环境。

6、特殊功能

• PoE支持：如果应用需要通过以太网电缆供电（如IP摄像头、无线接入点），则需要选择支持PoE（IEEE 80

• 诊断功能：支持链路状态检测、信号质量监测等功能，便于网络维护和故障排查。

• 安全特性：在某些应用中，PHY芯片可能需要支持安全特性，如加密通信或认证功能。

速率差异与应用场景

APPLICATION SCENARIO

(1) 10/100Mbps PHY

应用场景：

工业控制：PLC、传感器网络（如Modbus TCP）

智能家居：智能插座、低功耗物联网设备（如Zigbee网关）

车载诊断：OBD-II接口（100BASE-T1）

(2) 1Gbps PHY

应用场景：

消费电子：4K电视、NAS存储

工业相机：机器视觉（实时图像传输）

企业网络：千兆交换机、路由器

(3) 2.5G/5G PHY（Multi-Gigabit）

应用场景：

工业控制：PLC、传感器网络（如Modbus TCP）

智能家居：智能插座、低功耗物联网设备（如Zigbee网关）

车载诊断：OBD-II接口（100BASE-T1）

(4) 10G/25G PHY

应用场景：

数据中心：服务器互联（SFP+/QSFP28）

5G基站：前传网络（eCPRI over 25G）

超高清视频制作：8K视频实时传输

(5) 40G/100G及以上 PHY

应用场景：

AI/超算集群：GPU/TPU互联（InfiniBand替代）

核心骨干网：城域网/跨数据中心互联

光通信：CPRI/OBSAI光纤前传

接口差异与设计选择

DESIGN CHOICES

(1)MII（Media Independent Interface）

速率：10/100Mbps

引脚数：16+

应用场景：

早期嵌入式系统（如ARM9工控板）

低复杂度设计（需外部MAC控制器）

缺点：布线复杂，逐步被RMII取代

(2) RMII（Reduced MII）

速率：10/100Mbps

引脚数：6（数据+时钟）

应用场景：

成本敏感型设备（如家用路由器）

空间受限设计（IoT模块）

优势：简化布线，支持50MHz时钟

(3) RGMII（Reduced Gigabit MII）

速率：1Gbps

引脚数：12（双沿采样）

应用场景：

千兆交换机、工业网关

需兼容100M/1G的灵活设计

关键点：需严格时序控制（±1ns偏差容忍）

(4) SGMII（Serial Gigabit MII）

速率：1G/2.5Gbps

引脚数：2（差分对）

应用场景：

长距离板间连接（通过SerDes）

FPGA与PHY间高速通信

优势：抗干扰强，支持背板传输

(5) USXGMII（Ultra Speed MII）

速率：10Gbps

引脚数：4（差分对）

应用场景：

多速率交换机（10M/100M/1G/10G自适应）

数据中心叶脊架构

特点：需低抖动时钟（<0.5ps RMS）

可靠性测试

ADVANTAGES

可按需定制合适的可靠性策略

产品的可靠性测试严格按照如下国际标准：

AEC (Automotive Electronics Council)

JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council)

MIL (Military Standard)

IEC (International Electro technical Commission)

为全面确保产品质量

从以下五个方面对产品进行可靠性保证：

制程工艺可靠性

封装工艺可靠性

产品可靠性

量产可靠性监控

失效分析

审核编辑 黄宇