5G帶給半導體廠商的挑戰 | 半導體行業觀察

來自專欄 半導體行業觀察

來源：內容由公眾號 半導體行業觀察（ID：icbank）翻譯自semiengineering，原文作者Ann Steffora Mutschler ，謝謝。

5G是未來的無線通信技術，它正在快速發展。

該技術擁有非常高的數據傳輸速率，比4G LTE低得多的延遲，並且能夠讓每個蜂窩站連接更多的設備。簡而言之，5G是承載汽車，物聯網設備中的感測器以及越來越多的下一代電子產品所產生大量數據的最佳通信技術。

推動這種技術發展的是一種新的無線電空中介面，它將使移動網路運營商能夠在同樣的頻譜分配中實現更高的效率。新的網路層次將有助於實現5G的分片化網路，允許根據特定流量需求動態分配多種流量。

「這關乎容量和延遲，」 Cadence的定製IC和PCB組的RF解決方案架構師Michael Thompson說：「這關乎我能以多快的速度獲取大量數據。它的另一個好處是，由於是一個動態系統，所以它可以讓我不必佔用整個頻道或多個頻道的帶寬。這有點像帶寬點播，取決於應用對帶寬的需求。這樣，它比上一代標準更加靈活，容量也」高得多。「

這為家庭、體育賽事以及工業和交通領域開闢了新的應用。 Thompson said.說：「如果在飛機上有足夠的感測器，我就可以監控它，通過機器學習應用程序，我們就知道什麼時候需要維修或更換部件或系統。所以，當飛機飛越了整個國家，將在拉瓜迪亞機場降落，在到達那裡之前，會有信息顯示某個部件的磨損跡象。當飛機著陸的那一刻，備用零件已經就緒了，且有人會進行替換。這套對系統實施自監控的系統對於非常大型的土方設備和採礦設備也是很有價值的，。我們通常需要要防止這些價值數百萬美元的設備出現故障時不會坐等零件而延遲了維修時間。』如果如果如果需要快速的接收到這些由感測器產生的海量數據，那就需要大帶寬和低延遲的支持。「

一種技術，多種實現方式

目前，5G這個術語的使用方式有很多種。Arm基礎設施業務部門無線營銷總監Colin Alexander解釋說：「它的最通用形式是蜂窩無線技術，它允許通過標準驅動的無線介面管理新業務。多個現有的和新的頻譜將被分配用於承載1GHz以下用於城市郊區有較長距離、較大覆蓋範圍的頻段，，以及從26到60GHz面向高容量、低延遲應用的毫米波頻段」。

下一代移動網路聯盟（NGMN）和其他組織設計了一個模型，將應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頻，一個代表超可靠、低延遲通信（URLLC），第三個為大規模的機器間通信。每一種都需要不同的網路來滿足他們的需求。

「這導致了在定義5G的核心網路時需要考慮其他各種需求 -，」Alexander說，「核心網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，移動網路運營商正試圖確保他們能夠儘可能靈活地升級和擴展網路，這一目標可以利用運行在雲上的商用計算硬體上的虛擬化軟體實現。

涉及URLLC流量類型的應用，現在可以通過雲來管理這些應用程序，但這要求將一些控制和用戶功能移動到更靠近網路邊緣的地方，靠近無線空中介面。例如，工廠中的智能機器人，出於安全性和效率的原因，需要低延遲網路。Alexander表示，這就需要邊緣計算機，每個計算機都具有計算、存儲、加速和機器學習功能，用以在網路邊緣實現通信與信息處理。有一些但不是所有的V2X和汽車應用服務都會有類似的需求。

「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。如果應用與停車或製造商跟蹤等資源管理更相關，那麼計算可能發生在雲中的計算設備上，「Alexander說。

針對5G的設計

對於負責設計5G晶元的工程師來說，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公司首席執行官Geoff Tate表示：」大多數基站正在使用基於先進工藝節點設計的ASIC和FPGA，還有SerDes，它消耗了大量的功率並佔用了不少面積。如果可以將可編程性集成到ASIC中，就能夠降低功耗和所佔用的面積，因為不需要在晶元之外快速運行SerDes來實現片間通信，並且可編程邏輯和ASIC之間提供更大的帶寬。英特爾已經實現了至強系列處理器和Altera FPGA在同一封裝內部的集成化。採用這種方式可以提升100倍的帶寬。」

對於要部署在核心網路或雲中的設備，要求是不同的。其中一個關鍵考慮因素是架構允許輕鬆部署管理軟體，且應用可輕鬆移植到設備上。

Arm公司的 Alexander表示：「處理虛擬化服務的標準生態系統非常重要，例如OPNFV（網路功能虛擬化開放平台）。通過協調服務來管理網路元素之間的交互和流量流也將是關鍵。ONAP（開放式網路自動化平台）就是一個例子。功耗和設備效率也是設計的關鍵考量因素。」

在網路邊緣，要求低延遲、高用戶吞吐量和低功耗。

Alexander說：「我們需要能夠輕鬆支持多種加速器來應對不同計算需求，因為這些需求不一定能在通用CPU中高效處理。通過多個晶元或機箱安裝設備來實現SoC器件之間的擴展非常重要。研究一種可以支持基於ASIC、ASSP和FPGA的不同設計之間實現輕鬆擴展的體系結構也很重要，因為邊緣計算可能被設計成各種尺寸或形式的設備在網路中進行部署。此外，軟體可擴展性也很重要。「

Synopsys物聯網戰略營銷經理Ron Lowman表示，5G可能會改變晶元組架構，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，但當設計團隊遷移到新技術時，通常首先要使用分立的方式搭建系統原型，然後隨著技術的成熟再回到如何利用單晶元實現系統集成上來。

Lowman說：「隨著5G的出現，將會出現多種無線通信技術，更先進的工藝技術節點，例如12nm甚至更高，這些將在提升集成度方面發揮重要作用。這也需要模擬前端的數據轉換器具備每秒千兆次採樣的能力。高可靠性也非常重要，從處理的角度來看，由於諸如頻譜聚合，波束形成，不同實體許可的不同頻譜（甚至開放頻譜和WiFi的槓桿作用）等因素，複雜度比過去高得多。處理所有這些需求是一個不小的挑戰。機器學習和人工智慧可能非常適合做這些繁重的工作。這反過來又會影響架構，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，「對於5G和物聯網，隨著我們開發具有更高吞吐能力的802.11標準，以及ADAS所取得的進展，我們正在努力通過轉向更小的工藝節點來降低功耗，降低成本，縮小尺寸並提高產量。考慮到在RF中會遇到的問題，隨著節點越來越小，IC變得越來越小。為了使IC變得更小，必須採用更小的封裝。但這對射頻設計不利。在模擬方面，我並不擔心布局的分散式效果。金屬部分在所有頻率上都有電阻。如果是RF效應，這就是一條不同傳輸線，具體取決於發送的頻率。現在，我正在把所有東西做得更加緊密，而且這種情況發生的時候，其耦合指數呈指數增長。隨著節點越來越小，這些耦合效應會越來越明顯。工藝節點的持續縮小也意味著偏置電壓更小，所以雜訊的影響會更大，因為沒有在更高的電壓下偏置器件。在較小的電壓下，相同能量的雜訊影響更大。可見，在5G這樣的系統中會出現許多新問題。」

對可靠性提出的新挑戰

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，因為這些晶元被用於汽車、工業和醫療應用。因為連接故障，性能下降或任何其他可能導致服務中斷的問題導致的後果比其它傳統應用更加嚴重。

「我們需要找到新的方法來驗證來確保有功能安全需求的晶元能夠可靠工作，」 Fraunhofer EAS設計方法部門主管Roland Jancke說，「我們正在努力構建開發流程。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，大多數的分析和研究都集中在單一設計錯誤上。而如果有兩個或三個故障同時出現會發生什麼呢？驗證人員需要向設計師指出可能出錯的地方，以及故障發生的位置，然後在設計過程中反覆論證。「

這已經成為許多安全應用領域的一大問題，無線+汽車應用的大問題在於雙方的變數在不斷增加。Moortec首席技術官Oliver King表示：「其中一些需要設計為始終如一，提前建模來預測如何使用。但是對於微處理器來說，如何使用取決於軟體的使用方式，這很難預測，需要大量的時間來觀察。「

村莊網路

很多公司認為5G有足夠的收益來保證構建完成所有這些工作所需的基礎設施。

5G與傳統網路最大的區別，是它提供的數據傳輸速率，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。基礎設施必須支持這樣的數據傳輸速率，晶元必須能處理這些數據。接收機和發射機在頻段上也有100GB以上的頻率考慮因素。而RF工程師已經習慣了70GHz的雷達和類似的應用場景。「

創建這樣的基礎設施是一項艱巨的任務，它跨越了電子供應鏈的多個部分。

Abadir表示：「要實現這一切，就要努力在SoC RF方面進行更多集成。構建實現這一現實的晶元設計師正在談論如何將所有RF組件與ADC和DAC進行集成，這些ADC具有非常高的採樣率。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，但是難度比以往要更大。因為它設定了一個很高的目標，甚至超出了之前所考慮的內容，使得設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性的。」

從這個角度來看，2G是關於語音的，而3G和4G更多是關於數據和更有效的支持。相比之下，5G代表了不同設備、不同服務和帶寬增長的激增。

Achronix公司戰略規劃和業務發展部門的Mike Fitton表示：」增強移動寬頻所需將帶寬增加10倍，同時還會增加新的使用模式，如低延遲連接。另外，5G對於V2X來說非常重要，尤其是對於下一代5G ——5G的第16版將具有URLLC，這對於V2X應用程序很重要。另一方面，還涉及大量的機器類型連接 - IoT類型的應用程序，需要連接大量設備。「

未來還不確定

5G通常被視為是一系列最高級技術的大薈萃，如帶寬增加10倍，延遲減少5倍，設備數量增加5倍到10倍。由於5G規範還未完全確定，這就讓晶元設計變得更加困難。總有新的內容添加到標準之中，這就需要晶元具備較強的靈活性和可編程性。

「如果考慮到需要硬體數據管道的兩大要求——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在硬體和軟體中又需要具有很多可編程性。目前看到的5G平台，都是基於FPGA的。在某種程度上，所有大型無線設備製造商都將轉向採用更低成本和功耗的ASIC，但需要在降低成本和功耗繼續保持靈活性。這需要在需要的地方保持靈活性（在FPGA或嵌入式FPGA中），然後在可能的情況下加強優化，以獲得最低的成本和功耗。「

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，協議不同，所使用的晶元也不同。如有些中繼器晶元受制於建築牆上的電力輸出，而這將是eFPGAs（嵌入式FPGA）大顯身手的地方。「

致謝：本文由電子科技大學低功耗集成電路與系統研究所黃樂天老師幫忙校正，特此感謝！

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