5G通信到底帶給半導(dǎo)體廠商哪些挑戰(zhàn)？

5G是未來的無線通信技術(shù)，它正在快速發(fā)展。

該技術(shù)擁有非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率，比4G LTE低得多的延遲，并且能夠讓每個蜂窩站連接更多的設(shè)備。簡而言之，5G是承載汽車，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的傳感器以及越來越多的下一代電子產(chǎn)品所產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)的最佳通信技術(shù)。

推動這種技術(shù)發(fā)展的是一種新的無線電空中接口，它將使移動網(wǎng)絡(luò)運營商能夠在同樣的頻譜分配中實現(xiàn)更高的效率。新的網(wǎng)絡(luò)層次將有助于實現(xiàn)5G的分片化網(wǎng)絡(luò)，允許根據(jù)特定流量需求動態(tài)分配多種流量。

“這關(guān)乎容量和延遲，” Cadence的定制IC和PCB組的RF解決方案架構(gòu)師Michael Thompson說：“這關(guān)乎我能以多快的速度獲取大量數(shù)據(jù)。它的另一個好處是，由于是一個動態(tài)系統(tǒng)，所以它可以讓我不必占用整個頻道或多個頻道的帶寬。這有點像帶寬點播，取決于應(yīng)用對帶寬的需求。這樣，它比上一代標(biāo)準(zhǔn)更加靈活，容量也”高得多?！?/p>

這為家庭、體育賽事以及工業(yè)和交通領(lǐng)域開辟了新的應(yīng)用。 Thompson said.說：“如果在飛機上有足夠的傳感器，我就可以監(jiān)控它，通過機器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序，我們就知道什么時候需要維修或更換部件或系統(tǒng)。所以，當(dāng)飛機飛越了整個國家，將在拉瓜迪亞機場降落，在到達那里之前，會有信息顯示某個部件的磨損跡象。當(dāng)飛機著陸的那一刻，備用零件已經(jīng)就緒了，且有人會進行替換。這套對系統(tǒng)實施自監(jiān)控的系統(tǒng)對于非常大型的土方設(shè)備和采礦設(shè)備也是很有價值的，。我們通常需要要防止這些價值數(shù)百萬美元的設(shè)備出現(xiàn)故障時不會坐等零件而延遲了維修時間?！绻绻绻枰焖俚慕邮盏竭@些由傳感器產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，那就需要大帶寬和低延遲的支持。“

一種技術(shù)，多種實現(xiàn)方式

目前，‘5G’這個術(shù)語的使用方式有很多種。Arm基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)部門無線營銷總監(jiān)Colin Alexander解釋說：“它的最通用形式是蜂窩無線技術(shù)，它允許通過標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動的無線接口管理新業(yè)務(wù)。多個現(xiàn)有的和新的頻譜將被分配用于承載1GHz以下用于城市郊區(qū)有較長距離、較大覆蓋范圍的頻段，，以及從26到60GHz面向高容量、低延遲應(yīng)用的毫米波頻段”。

下一代移動網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（NGMN）和其他組織設(shè)計了一個模型，將應(yīng)用實例映射到三角形的三個點上—— 一個角代表增強的移動寬帶，一個代表超可靠、低延遲通信（URLLC），第三個為大規(guī)模的機器間通信。每一種都需要不同的網(wǎng)絡(luò)來滿足他們的需求。

“這導(dǎo)致了在定義5G的核心網(wǎng)絡(luò)時需要考慮其他各種需求 -，”Alexander說，“核心網(wǎng)將具備可擴展的能力，用以有效承載所有不同的流量類型。”

他指出，移動網(wǎng)絡(luò)運營商正試圖確保他們能夠盡可能靈活地升級和擴展網(wǎng)絡(luò)，這一目標(biāo)可以利用運行在云上的商用計算硬件上的虛擬化軟件實現(xiàn)。

涉及URLLC流量類型的應(yīng)用，現(xiàn)在可以通過云來管理這些應(yīng)用程序，但這要求將一些控制和用戶功能移動到更靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣的地方，靠近無線空中接口。例如，工廠中的智能機器人，出于安全性和效率的原因，需要低延遲網(wǎng)絡(luò)。Alexander表示，這就需要邊緣計算機，每個計算機都具有計算、存儲、加速和機器學(xué)習(xí)功能，用以在網(wǎng)絡(luò)邊緣實現(xiàn)通信與信息處理。有一些但不是所有的V2X和汽車應(yīng)用服務(wù)都會有類似的需求。

“在要求低延遲的情況下，再次處理可能會被推到邊緣，以便允許計算和中繼V2X決策。如果應(yīng)用與停車或制造商跟蹤等資源管理更相關(guān)，那么計算可能發(fā)生在云中的計算設(shè)備上，“Alexander說。

針對5G的設(shè)計

對于負(fù)責(zé)設(shè)計5G芯片的工程師來說，他們需要處理很多難題。這些問題都有很強的不確定性較，每個問題都有自己的一套限制條件。例如，在基站端需要解決的主要問題之一是功耗。

Flex Logix公司首席執(zhí)行官Geoff Tate表示：”大多數(shù)基站正在使用基于先進工藝節(jié)點設(shè)計的ASIC和FPGA，還有SerDes，它消耗了大量的功率并占用了不少面積。如果可以將可編程性集成到ASIC中，就能夠降低功耗和所占用的面積，因為不需要在芯片之外快速運行SerDes來實現(xiàn)片間通信，并且可編程邏輯和ASIC之間提供更大的帶寬。英特爾已經(jīng)實現(xiàn)了至強系列處理器和Altera FPGA在同一封裝內(nèi)部的集成化。采用這種方式可以提升100倍的帶寬?！?/p>

對于要部署在核心網(wǎng)絡(luò)或云中的設(shè)備，要求是不同的。其中一個關(guān)鍵考慮因素是架構(gòu)允許輕松部署管理軟件，且應(yīng)用可輕松移植到設(shè)備上。

Arm公司的 Alexander表示：“處理虛擬化服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)非常重要，例如OPNFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化開放平臺）。通過協(xié)調(diào)服務(wù)來管理網(wǎng)絡(luò)元素之間的交互和流量流也將是關(guān)鍵。ONAP（開放式網(wǎng)絡(luò)自動化平臺）就是一個例子。功耗和設(shè)備效率也是設(shè)計的關(guān)鍵考量因素。”

在網(wǎng)絡(luò)邊緣，要求低延遲、高用戶吞吐量和低功耗。

Alexander說：“我們需要能夠輕松支持多種加速器來應(yīng)對不同計算需求，因為這些需求不一定能在通用CPU中高效處理。通過多個芯片或機箱安裝設(shè)備來實現(xiàn)SoC器件之間的擴展非常重要。研究一種可以支持基于ASIC、ASSP和FPGA的不同設(shè)計之間實現(xiàn)輕松擴展的體系結(jié)構(gòu)也很重要，因為邊緣計算可能被設(shè)計成各種尺寸或形式的設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中進行部署。此外，軟件可擴展性也很重要。“

Synopsys物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略營銷經(jīng)理Ron Lowman表示，5G可能會改變芯片組架構(gòu)，特別是射頻部分。雖然LTE解決方案的模擬前端可能別和RF集成、和處理器上集成或完全三者完全集成在一起，但當(dāng)設(shè)計團隊遷移到新技術(shù)時，通常首先要使用分立的方式搭建系統(tǒng)原型，然后隨著技術(shù)的成熟再回到如何利用單芯片實現(xiàn)系統(tǒng)集成上來。

Lowman說：“隨著5G的出現(xiàn)，將會出現(xiàn)多種無線通信技術(shù)，更先進的工藝技術(shù)節(jié)點，例如12nm甚至更高，這些將在提升集成度方面發(fā)揮重要作用。這也需要模擬前端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器具備每秒千兆次采樣的能力。高可靠性也非常重要，從處理的角度來看，由于諸如頻譜聚合，波束形成，不同實體許可的不同頻譜（甚至開放頻譜和WiFi的杠桿作用）等因素，復(fù)雜度比過去高得多。處理所有這些需求是一個不小的挑戰(zhàn)。機器學(xué)習(xí)和人工智能可能非常適合做這些繁重的工作。這反過來又會影響架構(gòu)，因為這不僅會改變處理方式，存儲也會受影響。

Cadence的Thompson對此表示贊同，“對于5G和物聯(lián)網(wǎng)，隨著我們開發(fā)具有更高吞吐能力的802.11標(biāo)準(zhǔn)，以及ADAS所取得的進展，我們正在努力通過轉(zhuǎn)向更小的工藝節(jié)點來降低功耗，降低成本，縮小尺寸并提高產(chǎn)量。考慮到在RF中會遇到的問題，隨著節(jié)點越來越小，IC變得越來越小。為了使IC變得更小，必須采用更小的封裝。但這對射頻設(shè)計不利。在模擬方面，我并不擔(dān)心布局的分布式效果。金屬部分在所有頻率上都有電阻。如果是RF效應(yīng)，這就是一條不同傳輸線，具體取決于發(fā)送的頻率。現(xiàn)在，我正在把所有東西做得更加緊密，而且這種情況發(fā)生的時候，其耦合指數(shù)呈指數(shù)增長。隨著節(jié)點越來越小，這些耦合效應(yīng)會越來越明顯。工藝節(jié)點的持續(xù)縮小也意味著偏置電壓更小，所以噪聲的影響會更大，因為沒有在更高的電壓下偏置器件。在較小的電壓下，相同能量的噪聲影響更大?？梢?，在5G這樣的系統(tǒng)中會出現(xiàn)許多新問題?！?/p>

對可靠性提出的新挑戰(zhàn)

對可靠性要求的提升在一定意義上從新定義了無線通信技術(shù)，因為這些芯片被用于汽車、工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用。因為連接故障，性能下降或任何其他可能導(dǎo)致服務(wù)中斷的問題導(dǎo)致的后果比其它傳統(tǒng)應(yīng)用更加嚴(yán)重。

“我們需要找到新的方法來驗證來確保有功能安全需求的芯片能夠可靠工作，” Fraunhofer EAS設(shè)計方法部門主管Roland Jancke說，“我們正在努力構(gòu)建開發(fā)流程。需要考慮部件和工具的相互作用，且為了確保一致性，仍然有很多工作要做。“

Jancke指出，“迄今為止，大多數(shù)的分析和研究都集中在單一設(shè)計錯誤上。而如果有兩個或三個故障同時出現(xiàn)會發(fā)生什么呢？驗證人員需要向設(shè)計師指出可能出錯的地方，以及故障發(fā)生的位置，然后在設(shè)計過程中反復(fù)論證。“

這已經(jīng)成為許多安全應(yīng)用領(lǐng)域的一大問題，無線+汽車應(yīng)用的大問題在于雙方的變量在不斷增加。Moortec首席技術(shù)官Oliver King表示：“其中一些需要設(shè)計為始終如一，提前建模來預(yù)測如何使用。但是對于微處理器來說，如何使用取決于軟件的使用方式，這很難預(yù)測，需要大量的時間來觀察。“

村莊網(wǎng)絡(luò)

很多公司認(rèn)為5G有足夠的收益來保證構(gòu)建完成所有這些工作所需的基礎(chǔ)設(shè)施。

5G與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最大的區(qū)別，是它提供的數(shù)據(jù)傳輸速率，Helic公司市場營銷副總裁Magdy Abadir說，“5G的速率可以在每秒10到20千兆比特之間?；A(chǔ)設(shè)施必須支持這樣的數(shù)據(jù)傳輸速率，芯片必須能處理這些數(shù)據(jù)。接收機和發(fā)射機在頻段上也有100GB以上的頻率考慮因素。而RF工程師已經(jīng)習(xí)慣了70GHz的雷達和類似的應(yīng)用場景。“

創(chuàng)建這樣的基礎(chǔ)設(shè)施是一項艱巨的任務(wù)，它跨越了電子供應(yīng)鏈的多個部分。

Abadir表示：“要實現(xiàn)這一切，就要努力在SoC RF方面進行更多集成。構(gòu)建實現(xiàn)這一現(xiàn)實的芯片設(shè)計師正在談?wù)撊绾螌⑺蠷F組件與ADC和DAC進行集成，這些ADC具有非常高的采樣率。一切都需要被集成到同一個SoC中。我們討論了集成方面的挑戰(zhàn)，但是難度比以往要更大。因為它設(shè)定了一個很高的目標(biāo)，甚至超出了之前所考慮的內(nèi)容，使得設(shè)計人員難以把它們都集成到一起。把所有電路都隔離開而不影響鄰近電路是非常具有挑戰(zhàn)性的?！?/p>

從這個角度來看，2G是關(guān)于語音的，而3G和4G更多是關(guān)于數(shù)據(jù)和更有效的支持。相比之下，5G代表了不同設(shè)備、不同服務(wù)和帶寬增長的激增。

Achronix公司戰(zhàn)略規(guī)劃和業(yè)務(wù)發(fā)展部門的Mike Fitton表示：”增強移動寬帶所需將帶寬增加10倍，同時還會增加新的使用模式，如低延遲連接。另外，5G對于V2X來說非常重要，尤其是對于下一代5G ——5G的第16版將具有URLLC，這對于V2X應(yīng)用程序很重要。另一方面，還涉及大量的機器類型連接 - IoT類型的應(yīng)用程序，需要連接大量設(shè)備。

未來還不確定

5G通常被視為是一系列最高級技術(shù)的大薈萃，如帶寬增加10倍，延遲減少5倍，設(shè)備數(shù)量增加5倍到10倍。由于5G規(guī)范還未完全確定，這就讓芯片設(shè)計變得更加困難?？傆行碌膬?nèi)容添加到標(biāo)準(zhǔn)之中，這就需要芯片具備較強的靈活性和可編程性。

“如果考慮到需要硬件數(shù)據(jù)管道的兩大要求——高吞吐量和靈活性，這意味著您可能需要某種專用SoC或ASIC，這些SoC或ASIC在硬件和軟件中又需要具有很多可編程性。目前看到的5G平臺，都是基于FPGA的。在某種程度上，所有大型無線設(shè)備制造商都將轉(zhuǎn)向采用更低成本和功耗的ASIC，但需要在降低成本和功耗繼續(xù)保持靈活性。這需要在需要的地方保持靈活性（在FPGA或嵌入式FPGA中），然后在可能的情況下加強優(yōu)化，以獲得最低的成本和功耗?！?/p>

Flex Logix的Tate對此表示贊同，“有100多家公司在做這方面的工作。頻譜不同，協(xié)議不同，所使用的芯片也不同。如有些中繼器芯片受制于建筑墻上的電力輸出，而這將是eFPGAs（嵌入式FPGA）大顯身手的地方?！?br />
本文來自半導(dǎo)體觀察微信號，5G通信正在鋪面而來，國外作者Ann Steffora Mutschler對5G給半導(dǎo)體廠商帶來的三大挑戰(zhàn)做了具體應(yīng)用場景的挑戰(zhàn)分析，希望分享給進入這個領(lǐng)域研發(fā)的工程師，帶來一些思考。