5G技術(shù)如何影響芯片設(shè)計(jì)（深度）

邊緣計(jì)算興起，讓計(jì)算在靠近數(shù)據(jù)的邊緣完成成為可能，文章“如何在端上高效地部署AI模型”，將詳細(xì)介紹如何在邊緣部署算法和應(yīng)用。

據(jù)華為預(yù)測(cè)，到 2025年，5G將為全球 58% 的人口提供服務(wù)，而中國(guó)將成為全球最大的 5G 市場(chǎng)。5G 及其管理機(jī)構(gòu) 3GPP 對(duì)于將 5G 能力擴(kuò)展到移動(dòng)市場(chǎng)之外的領(lǐng)域抱有極高期望。的確，5G 在流媒體視頻、社交媒體等方面大大提高了手機(jī)的速度，但5G 也為進(jìn)入許多新領(lǐng)域開(kāi)辟了道路。其中包括低功耗物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用，如資產(chǎn)跟蹤、汽車與基礎(chǔ)設(shè)施的自動(dòng)連接、寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、有線電視服務(wù)等等。

然而，除基帶處理器之外，5G 還會(huì)影響芯片設(shè)計(jì)。由于需要滿足大量應(yīng)用的需求，吞吐量顯著提高，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)都有影響，并且會(huì)改變無(wú)數(shù) SoC 的設(shè)計(jì)。這些 SoC包括必須容納更高帶寬和復(fù)雜通信能力的應(yīng)用處理器。這些應(yīng)用處理器可用于手機(jī)、AR/VR 耳機(jī)、無(wú)人機(jī)、攝像頭、平板電腦、一體機(jī)以及許多其他消費(fèi)類設(shè)備中。

除了消費(fèi)類設(shè)備外，基礎(chǔ)設(shè)施也必須能夠滿足這些消費(fèi)類設(shè)備的高密度要求，并將傳入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到適當(dāng)?shù)哪康牡亍＿@可能是另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、本地設(shè)備、云數(shù)據(jù)中心或本地?cái)?shù)據(jù)中心，對(duì)于這些應(yīng)用，邊緣計(jì)算將是支持未來(lái)分布式計(jì)算的基本趨勢(shì)。所有這些趨勢(shì)都需要升級(jí) SoC，滿足 5G 覆蓋范圍要求，而不僅僅是基帶處理器。

5G 的發(fā)展通常提到三大支柱：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶 (EMBB)、物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器對(duì)機(jī)器通信 (MMTC)，以及汽車和超可靠低延遲通信 (URLLC)。這三個(gè)領(lǐng)域的增長(zhǎng)將以波浪的形式出現(xiàn)，其中 EMBB 應(yīng)用作為明顯。

移動(dòng)寬帶推動(dòng)著當(dāng)今手機(jī)中新型應(yīng)用和基帶處理器的發(fā)展，我們已經(jīng)看到，廠商正在為如何提供這些服務(wù)展開(kāi)競(jìng)賽。然而，與移動(dòng)寬帶相關(guān)的最顯著的增長(zhǎng)體現(xiàn)在支持這一需求的基礎(chǔ)架構(gòu)中。

多年來(lái)，關(guān)于微基站（室外）、微微基站（室內(nèi) / 室外）和毫微微基站（室內(nèi)）的消息不絕于耳。借助 5G 和 mmWave 技術(shù)，室內(nèi)小區(qū)和小小區(qū)的增長(zhǎng)已成為半導(dǎo)體的主要關(guān)注點(diǎn)。這不僅僅指的是新型基帶處理器。邊緣計(jì)算的發(fā)展及其構(gòu)想伴隨著基礎(chǔ)架構(gòu)中的所有網(wǎng)絡(luò)能力而出現(xiàn)，而且用于在本地管理和分析數(shù)據(jù)的服務(wù)器不斷增加。5G 提供商已經(jīng)制定了滿足這些要求的宏偉計(jì)劃，而且一些支持更低功耗和更低延遲的服務(wù)器 SoC 已經(jīng)推出。

除了 5G 基礎(chǔ)架構(gòu)內(nèi)的服務(wù)器 SoC 之外，市場(chǎng)還需要專門的 AI 加速器，用于分析大量數(shù)據(jù)，并提供更多有價(jià)值的服務(wù)來(lái)管理這些數(shù)據(jù)。

除了高帶寬視頻應(yīng)用外，5G 還整合了 LTE-M 和 NB-IoT 等低功耗技術(shù)，以支持 5G 基礎(chǔ)架構(gòu)內(nèi)的應(yīng)用，例如資產(chǎn)跟蹤、一鍵語(yǔ)音功能和定位服務(wù)。這些低功耗、最少數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量達(dá)到數(shù)十億，使網(wǎng)絡(luò)流量和能力大大增加。SoC 設(shè)計(jì)必須能夠容納新節(jié)點(diǎn)，以添加 LTE-M 和 NB-IoT，以及在基礎(chǔ)架構(gòu)中產(chǎn)生的流量。

除了高帶寬和低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之外，5G 還整合了用于關(guān)鍵任務(wù)和自動(dòng)駕駛功能的低延遲、超可靠通信能力。這些領(lǐng)域推動(dòng)著整個(gè)設(shè)計(jì)界不斷探索技術(shù)和系統(tǒng)的極限。

對(duì)于 5G 的實(shí)施，服務(wù)提供商傾向于在討論中占主導(dǎo)地位。但是，這些服務(wù)提供商需要依靠技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者開(kāi)發(fā)的申請(qǐng)專利的 5G 創(chuàng)新技術(shù)，包括愛(ài)立信、三星、高通、諾基亞、英特爾、華為、Qorvva、中興通訊、Keysight 等。

導(dǎo)致 5G 推出過(guò)程中每個(gè) 3GPP 版本的一些創(chuàng)新。三個(gè)關(guān)鍵因素推動(dòng)著 10Gbps 無(wú)線連接目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。這些因素包括提高帶寬能力、增強(qiáng)載波聚合和大規(guī)模 MIMO（即更多具有波束成形能力的天線）。

帶寬一直是討論 5G 改進(jìn)的核心話題，然而，延遲和功耗是實(shí)現(xiàn) 5G 宏偉目標(biāo)必須克服的另外兩個(gè)挑戰(zhàn)。

由于這是一種系統(tǒng)挑戰(zhàn)，而不僅僅是無(wú)線技術(shù)挑戰(zhàn)，因此，整個(gè)設(shè)備中的 SoC 設(shè)計(jì)帶寬非常重要。高帶寬、基于標(biāo)準(zhǔn)的 IP 是 5G SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。這首先從手機(jī)引入 LPDDR 開(kāi)始，已從最初的 LPDDR4/4x 發(fā)展到如今的 LPDDR5。DDR5 目前在基礎(chǔ)架構(gòu) 5G網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器 SoC 中廣泛采用。MIPI 和 JEDEC 通過(guò) MIPI CSI-2、MIPI I3C 以及 JEDEC UFS 3.0 引入了更高的帶寬能力，以實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)傳感器和存儲(chǔ)器的連接。PCI Express (PCIe) 從 PCIe 3.0 快速升級(jí)到 PCIe 4.0 和 5.0，如圖 3 所示。

以太網(wǎng)持續(xù)擴(kuò)展帶寬，而基礎(chǔ)架構(gòu) SoC 正迅速遷移到 400G 和 800G，這需要包括 56G 和 112G 在內(nèi)的最新高速 SerDes PHY。藍(lán)牙升級(jí)了低能耗藍(lán)牙，使藍(lán)牙經(jīng)典版本已經(jīng)過(guò)時(shí)，因?yàn)樗{(lán)牙技術(shù)目前已開(kāi)始支持音頻能力。USB、消費(fèi)類設(shè)備中的基本連接能力已從 3.0 升級(jí)到 3.1 和 3.2，而現(xiàn)在，USB4 已經(jīng)推出。除了基于標(biāo)準(zhǔn)的 IP 外，用于處理自組織網(wǎng)絡(luò)的 AI 處理器已經(jīng)推出，而且用于滿足日益復(fù)雜的基帶處理要求而推出的高度并行矢量 DSP 處理器已在 SoC 中采用，用于滿足 5G 載波聚合以及大規(guī)模 MIMO 處理和帶寬需求。

以縮短延遲的需求舉例，當(dāng)前的 5G 規(guī)范期望往返延遲短于 1ms。在 2019 年秋季推出的未來(lái) 6G 計(jì)劃預(yù)計(jì)往返延遲為 10 微秒。雖然這可能比 SoC 中的某些內(nèi)存訪問(wèn)操作的延遲高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但在依然如此低的延遲下，SoC 設(shè)計(jì)中的每個(gè)時(shí)鐘周期都更加重要。為了縮短 SoC 中的延遲，通過(guò)采用專家服務(wù)構(gòu)建高度集成和優(yōu)化的子系統(tǒng)而縮短延遲的趨勢(shì)非常明顯。此外，基于標(biāo)準(zhǔn)的新協(xié)議可縮短延遲，例如 Compute Express Link (CX)L。新思科技在為縮短延遲提供優(yōu)化的系統(tǒng)方面是領(lǐng)導(dǎo)者，除緊密耦合的存儲(chǔ)器之外，還包括行業(yè)領(lǐng)先的低延遲 DDR 控制器、延遲遠(yuǎn)低于最低規(guī)格的新型 CXL 控制器，以及消除總線結(jié)構(gòu)并將寄存器直接映射到處理器的接口子系統(tǒng)。

為了擴(kuò)展移動(dòng)提供商的能力，為物聯(lián)網(wǎng)提供服務(wù)，低功耗協(xié)議現(xiàn)已推出，例如 LTE-M 和 NB-IoT。這些協(xié)議需要新的處理解決方案、新的無(wú)線解決方案以及低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和 IP 能力，包括在接近閾值電壓下運(yùn)行、電壓和頻率縮放以及智能時(shí)鐘門控。

5G 移動(dòng)與基礎(chǔ)架構(gòu)5G 的目標(biāo)是提供與當(dāng)前有線家庭寬帶解決方案相競(jìng)爭(zhēng)的速度。為了做到這一點(diǎn)，3GPP 更新了多項(xiàng)規(guī)范，這些更新注重更高帶寬、更多信道聚合和大規(guī)模天線陣列等方面的升級(jí)。為了適應(yīng)這種高吞吐量，SoC 設(shè)計(jì)必須集成多個(gè)要素，包括復(fù)雜的基帶處理、高速模擬 IP 和支持最新高速標(biāo)準(zhǔn)以及安全性的接口 IP。

5G SoC 離不開(kāi)處理解決方案，用于有效處理基帶解決方案所需的多種不同工作負(fù)載。具有信號(hào)處理能力并經(jīng)過(guò)優(yōu)化的處理器可以增加每個(gè)周期完成的工作量，從而減少這些復(fù)雜解決方案消耗的能源。這些架構(gòu)需要最新的 VLIW DSP、并行矢量浮點(diǎn)和多核配置，以處理高級(jí) 5G 所要求的基帶能力。對(duì)于復(fù)雜 FFT，對(duì)減少周期數(shù)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試也是實(shí)現(xiàn) 5G 非常重要的一點(diǎn)。

5G channel and carrier aggregation需要移動(dòng)和基礎(chǔ)架構(gòu)需要高達(dá) 10Gbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率，為了滿足這一要求，下一代5G 芯片組中的模擬 IP 必須支持 GHz 信道帶寬和 256QAM。5G 需要極高的速度（每秒千兆次采樣 (GSPS)）、支持多種調(diào)制 / 解調(diào)架構(gòu)的高分辨率 RFADC 和 RFDAC，例如 Direct-RF 或更傳統(tǒng)的 Zero-IF 和超外差實(shí)現(xiàn)。另外，可支持不同 MIMO 排列，并能夠有效處理最大 5G 信道和載波聚合需求的 AFE 非常重要。

為了將移動(dòng)無(wú)線技術(shù)擴(kuò)展到更多設(shè)備，3GPP 定義了更低帶寬、簡(jiǎn)化的通信協(xié)議，例如 NB-IoT 和 LTE-M，以滿足物聯(lián)網(wǎng)的低功耗和低成本要求。低功耗基帶處理對(duì)于無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用至關(guān)重要。

5G 將支持極低延遲能力，使控件的反饋系統(tǒng)延遲短于 1ms。這需要依靠創(chuàng)新的 IP 解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。汽車 SoC 是 3GPP 定義的低延遲要求的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)要素。但是，汽車解決方案需要高質(zhì)量、高可靠性和安全性，必須從一開(kāi)始就經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，從而使 IP 成為成功的關(guān)鍵途徑。

5G 給下一代 SoC 帶來(lái)了多方面的挑戰(zhàn)，而不僅僅限于高帶寬無(wú)線方面。這些挑戰(zhàn)包括增加系統(tǒng)帶寬，降低 SoC 延遲以及顯著降低物聯(lián)網(wǎng)的功耗。要將 5G 推向市場(chǎng)，在最重要的工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)使用基于標(biāo)準(zhǔn)的可信 IP 和經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的處理以及模擬 IP 必不可少。

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