【原創】“5G新基建”東風再起,芯片設計和接口挑戰如何克服?

winniewei 提交于 周三, 05/20/2020
【原創】“5G新基建”東風再起,芯片設計和接口挑戰如何克服?

作者:張國斌

前言:自5G通信技術開始投入商用以來,方興未艾的5G應用產業便在等待“東風”,而如今中國政府“新基建”概念的提出,正掀起一場足以讓5G應用產業起飛的東風,但是,我們看到,5G芯片設計領域挑戰巨大,如何克服?

2020年,5G應用產業在“新基建”的東風下,展現出了巨大的市場潛力——根據中國信息通信研究院預估,今年5G技術的應用將為我國創造約920億元的GDP,間接拉動GDP增長超過4190億元。而到2030年,預計5G技術的應用對我國經濟增加值的直接貢獻將超過2.9萬億元,間接拉動的GDP將達到3.6萬億元。而在這些樂觀數字的背后,將是手機、物聯網、汽車等5G應用產業的全面起飛。

5G,從人際通信走向萬物互連

在談論手機、物聯網、汽車等5G應用產業之前,我們先簡單地了解一下5G技術為何會成為“新基建”概念中最重要的一環。5G就是第五代無線通信技術,主要特點是毫米級波長,超寬帶,超高速度,超低延時。從1G到4G,前四代無線通信技術都是著眼于人與人之間更方便快捷的通信:1G實現了模擬語音通信,開啟了大哥大語音通話的時代;2G實現了語音通信數字化,功能機之間互發短信、郵件成為了主流;3G則在語音以外實現了圖片等多媒體的通信,手機屏幕也慢慢變大,智能手機也隨之誕生;4G則實現了局域高速上網,大屏智能機的誕生和短視頻的普及成為可能。而5G將根本顛覆“通信”這個概念,5G技術讓通信的對象從人與人擴大到萬物之間,實現了隨時、隨地的萬物互連,讓人類敢于期待與地球上的萬物通過直播的方式無時差同步參與其中。所以說4G改變生活,5G改變未來。

熟悉通信行業的讀者都知道,通信領域一向是標準與技術共同發展前行。未來5G應用產業的發展前景,其實從標準的發展情況便可窺一斑。目前商用的 R15標準是首個被廣泛接受的5G標準,主要針對eMBB和URLLC兩大場景定義了新規范。但是,與5G萬物互聯的愿景相比,只是小荷才露尖尖角,據透露,5G技術更多的功能特性將在R16、R17等后續演進版本中引入。R16是將于今年6月凍結的5G標準的第二個版本,與R15相比,引入了很多新內容,比如提供新的精準5G定位的功能、uRLLC的進一步增強以支持工業物聯網的應用、以及5G廣播等。未來的R17是5G標準的第三個版本,除了在標準上不斷地引入新的功能以外,5G的應用也在不停地往不同垂直領域擴展,包括智能手機、電腦、固定無線接入、工業物聯網、面向企業和汽車的網絡以及企業專網等。

5G激發千行百業創新  圖片來源:高通

圖1 ?5G激發千行百業創新? 圖片來源:高通

可以說,5G已如箭在弦,正快速“射向”各行各業,促使越來越多的設備互連,而首批迎來東風的,便是手機、物聯網、汽車等擁有一定發展基礎的5G應用產業。

5G網絡,萬物互連的“基石”

要通過5G技術最終實現萬物互聯的愿景,我們離不開兩樣東西——5G網絡和5G終端。終端的種類有很多,手機、物聯網設備、汽車……而這些終端要實現互連,離不開的“基石”便是覆蓋每個地方的5G網絡。

說起5G網絡,最亮眼的就是速度。5G網絡速度上的目標是能夠與現有的家庭有線寬帶解決方案相競爭。5G網速最終能達到什么程度呢?一個100GB的高清電影,幾秒鐘就可以下載完成。而網速的大幅提升,可以轉化為很多能力的增強,比如:視頻質量從1080p到4k甚至8k;多媒體服務模式實現虛擬現實沉浸式體驗、增強現實等;在現有相同數據速率下支持更多用戶同時在線,或單個用戶時延大幅降低(減少網絡卡頓、等待時間)等。

3GPP組織近期發布了新的規范,專注于升級到具有更高帶寬的新毫米波頻段、額外的信道聚合以及大規模天線陣列,以滿足高速度方面的要求。作為下一代移動寬帶,5G正在通過在毫米波頻譜中引入載波聚合、海量MIMO、高級調制和高帶寬信道而推動移動應用數據吞吐量的大幅度增長。提高數據吞吐量會增加基帶、基礎設施和應用處理器技術的復雜性。為了解決這些復雜性需求并滿足產品上市的截止時間要求,SoC芯片級設計人員正在針對處理器、接口、模擬和安全性等集成新的創新性IP核。

然而,5G帶來更快的速度、更大的容量的同時,也會帶來更多的攻擊面和更高的攻擊風險。除了進一步加大5G新型基礎設施建設力度,工信部也特別強調了5G網絡建設的安全保障。5G安全需要考慮多個層面,包括由終端和網絡組成的5G網絡本身通信安全,以及5G網絡承載的上層應用安全。在設計之初,就應該充分考慮網絡的可靠性和安全性,安全架構才能日臻完善。

智能手機,5G終端的“排頭兵”

聊了網絡,接下來讓我們聊聊終端。萬物互連的愿景中,萬物皆可為終端,但走在最前面引領應用產業的,還是在4G時代已經發展成熟的智能手機產業。一個技術的發展,需要應用產業的推動,因此5G技術的快速普及,以及5G新基建效能的最大發揮,離不開5G手機的發展。

從工信部公布的數據來看,截至2020年3月,我國發布5G手機產品類型76款,累計出貨量超過2600萬部,其中2020年出貨量1300余萬部。而根據Counterpoint的數據,2020年中國市場5G手機產品預計將突破100款,國內出貨量將超過1.5億臺。

在5G手機的技術架構中,基帶芯片是用來合成即將發射的基帶信號,或對接收到的基帶信號進行解碼。具體地說,就是發射時,把音頻信號編譯成用來發射的基帶碼;接收時,把收到的基帶碼解譯為音頻信號。同時,也負責地址信息(手機號、網站地址)、文字信息(短訊文字、網站文字)、圖片信息的編譯。基帶芯片是5G技術的核心支撐,實現了信號從發射編譯到接收解碼的全過程。

目前,在英特爾宣布退出5G終端市場以后 ,5G手機領域僅剩下華為、高通、三星、聯發科和紫光展銳五個玩家,5G手機SOC不但有設計上的挑戰,更面臨工藝上的挑戰,因為5G的計算量非常大,如果不采用先進工藝,功耗就難以降低。

物聯網,“新基建”下5G應用領跑者

既然5G技術的愿景是實現萬物互連,那么物聯網產業毫無疑問將成為領跑者。可以預見,5G技術將徹底顛覆物聯網產業。

物聯網是互聯網、傳統電信網等信息承載體,讓所有能行使獨立功能的普通物體實現互聯互通的網絡。物聯網中的用戶通過物品與物品的連接,達到信息交換和通信的目的。因此,物聯網的發展勢必要借助5G網絡的信息傳輸具有更低延遲及更高可靠性的特征優勢。

為了將移動無線技術擴展到更多器件之中,3GPP組織已經定義了5G下更低帶寬及簡化通信的相關協議,例如NB-IoT和LTE-M,以滿足物聯網的低功耗和低成本要求。根據中國電信公布的數據顯示,截止2019年,全球71個國家投資建設了129張移動物聯網,其中93張均為NB-IoT網絡。而移遠通信公布的截止2020年2月的數據顯示,目前全球運營商部署的低功耗廣域網的部署當中,NB-IoT網絡達到了104張。

NB-IoT標準通過支持有限的數據速率和功能集來降低復雜性。因此,與傳統LTE調制解調器相比,可以使用一種簡化的硬件/軟件架構,其采用單個小型CPU/DSP處理器來執行包括PHY層在內的完整NB-IoT軟件協議棧。高效且優化的處理器(例如帶增強型DSP的ARC EMxD可增加每個周期完成的工作量,從而降低諸如NB-IoT和LTE-M等連接的總功率。

全球物聯網連接預測 來源:前瞻產業研究院

圖3 全球物聯網連接預測 來源:前瞻產業研究院

據前瞻產業研究院整理的數據,2015年全球物聯網設備數量僅僅38億臺,發展到2019年全球物聯網設備數量已達83億臺,并預測在2025年全球物聯網設備數量將突破200億臺。

因此,物聯網模組與芯片作為關鍵器件將迎來爆發期,預計2020年國內無線模組市場規模達到296億元,芯片市場規模達到338億元。而在這一市場,中國芯片企業表現不俗,比如紫光展銳便已在2019年發布了專為廣泛的物聯網應用而打造的AIoT解決方案。

“新基建”驅動,5G下的百年汽車產業新生

5G所具有的大寬帶、低時延、高可靠等優勢,也將助推自動駕駛的發展。在4G時代,過長的延時,會讓自動駕駛的汽車在遇到突發情況時,可能來不及反應而釀成事故。而到了5G時代,這一挑戰將迎刃而解

通過5G的低延時,我們可以讓自動駕駛系統的反應速度比人類還快。簡單來說,就是汽車搭載5G通信技術,其強大的傳輸速度將給汽車裝上了一雙眼睛,為汽車提供獲取周邊環境信息的交互渠道,它能讓自動駕駛的汽車像一個熟練的司機一樣從容應對行車環境。同時,5G技術的商用,除了能夠使得自動駕駛等技術變得更容易實現之外,它還能對汽車內部的智能交互帶來質的飛躍。

自動駕駛是汽車業的終極目標

圖4??自動駕駛是汽車業的終極目標

自動駕駛這項技術是依托各種設備搭配起來實現的,需要雷達、聲納和攝像頭這些設備配合,然后再通過系統分析,最后才能夠做出下一步指示。但是有了5G之后,汽車就可以打造一個實時的數據分析網絡,道路上的所有信息都能夠被包括在里面,然后通過計算車型的距離還有各方面的道路信息,讓自動駕駛變得更加的安全。

5G將能夠支持極低延遲能力,使控制器具有<1ms的反饋系統。車用SoC芯片是3GPP所定義的低延遲要求的關鍵驅動因素,但自動駕駛解決方案需要滿足高質量、高可靠性和安全性等功能,它們都必須從設計之初便開始驗證,這使得IP核成為成功的關鍵途徑。

隨著車聯網技術的不斷演進,將促使汽車逐步由機械式向電子式方向發展,采用的芯片顆數大增,代碼量也大幅上升,甚至超過 1 億行代碼。主控芯片市場規模有望快速成長, IHS預測, 2020 年汽車主控芯片市場規模可達 40 億美元,因此傳統車用芯片廠商如恩智浦、英飛凌、瑞薩等均在積極拓展主控芯片市場,高通、英特爾等5G手機芯片巨頭亦希望通過收購相關芯片廠商獲取車載技術及渠道經驗,實現在車聯網終端、平臺方面的突破。

5G芯片挑戰巨大,新思科技來助力

雖然5G激發了千行百業的創新,但無論是手機、物聯網還是汽車產業,每一個5G應用產業的背后都依賴芯片的賦能。可以這么說,作為電子產業引擎的芯片,讓生活變得更加智能和自動化,并將最終讓萬物實現互連。

前面談過,5G芯片更復雜,功耗更大,并采用有大量新的高速接口,比如針對存儲就至少要采用UFS3.1起步,所以5G芯片技術創新離不開EDA工具和接口IP支持,作為全球EDA的領頭羊,新思科技(Synopsys)一直致力于推動包括5G技術在內的所有新興技術的發展,新思科技已經攜手包括各應用領域巨頭在內的眾多合作伙伴,共同推動生態圈的融合,與行業 “聚力至遠”。

【原創】“5G新基建”東風再起,芯片設計和接口挑戰如何克服?

新思科技DesignWare IP產品組合提供高速模擬前端(AFE)的可靠解決方案,并提供了經過驗證的接口IP、安全IP以及高效處理能力,以滿足最先進的5G芯片組設計需求。

作為下一代移動寬帶, 5G通過在毫米波頻譜中引入載波聚合、海量MIMO、高級調制和高帶寬信道而推動移動應用數據吞吐量的大幅度增長。提高數據吞吐量會增加基帶、基礎設施和應用處理器技術的復雜性。為了解決這些復雜性需求并滿足產品上市的截止時間要求,芯片設計人員正在針對處理器、接口、模擬和安全性等集成新的創新性IP。

此外,5G在擴展到物聯網的應用中,需要傳感器、存儲器和“芯片到芯片”接口、處理能力以及低功耗無線IP解決方案,而這些解決方案應當提供具有高可靠性的低延遲能力。

新思科技ARC EM9D處理器提供了定義明確的DSP指令集、具有高級地址生成的XY存儲器,以及可選擇的定制擴展指令集性,從而實現了NB-IoT或任何其他通信協議的高效實施。

5G芯片設計的復雜性,芯片開發人員需要額外的專業知識和資源。因此,設計人員比以往任何時候都更依賴于接口IP的DesignWareIP產品組合,集中關鍵的內部資源能夠使他們專注于產品差異化并滿足5G的需求。除基于標準的單控制器和PHY接口IP外,新思科技還提供可配置的預驗證DesignWare接口IP子系統。這些IP子系統提供了完整、復雜的功能,可隨時“依原樣”集成到芯片中,或由設計團隊進行定制。

5G移動芯片的DesignWare IP

【原創】“5G新基建”東風再起,芯片設計和接口挑戰如何克服?

來源:新思科技官網

IP子系統包括單控制器和PHY集成、多種協議的組合,及帶有處理器和軟件堆棧的完整子系統。新思科技采用最先進的FinFET技術,提供了MIPI,、USB,、LPDDR、DDR,、PCle、高速多協議PHY等的最新標準。新思科技多協議PHY產品系列專門針對5G裝置,能夠為PCle, CCIX、 JESD204、以太網、CPRI等提供高質量的信號完整性和先進的電源管理功能。

用于5G基礎建設設施的DesignWare IP

【原創】“5G新基建”東風再起,芯片設計和接口挑戰如何克服?

用于5G物聯網的DesignWare IP

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來源:新思科技官網

人類的科技進步源于協作后一次次克服技術挑戰,5G技術乃至未來的6G技術雖然挑戰重重但只要全球全體半導體人攜手起來就一定可以克服挑戰!(完)

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參考資料:

未來智庫“車聯網行業深度研究:萬億級產業揚帆起航,車聯網布局正當時”一文

半導體行業觀察“了解汽車芯片格局,這篇不能錯過”一文

通信產業報“R16、R17推遲,但5G未來呢?”一文

前瞻經濟學人“一文解讀2019年中國5G行業市場格局 高通占5G芯片市場的一半”一文

通信信息報“新基建站上風口 物聯網產業幾多投資機會”一文

注:本文為原創文章,轉載請注明作者及來源

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