5G是未來(lái)的無(wú)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(gè)蜂窩站連接更多的設(shè)備。簡(jiǎn)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(lái)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(dòng)這種技術(shù)發(fā)展的是一種新的無(wú)線電空中接口，它將使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商能夠在同樣的頻譜分配中實(shí)現(xiàn)更高的效率。新的網(wǎng)絡(luò)層次將有助于實(shí)現(xiàn)5G的分片化網(wǎng)絡(luò)，允許根據(jù)特定流量需求動(dòng)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(shuō)：“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(gè)好處是，由于是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，所以它可以讓我不必占用整個(gè)頻道或多個(gè)頻道的帶寬。這有點(diǎn)像帶寬點(diǎn)播，取決于應(yīng)用對(duì)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。“

這為家庭、體育賽事以及工業(yè)和交通領(lǐng)域開(kāi)辟了新的應(yīng)用。 Thompson said.說(shuō)：“如果在飛機(jī)上有足夠的傳感器，我就可以監(jiān)控它，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序，我們就知道什么時(shí)候需要維修或更換部件或系統(tǒng)。所以，當(dāng)飛機(jī)飛越了整個(gè)國(guó)家，將在拉瓜迪亞機(jī)場(chǎng)降落，在到達(dá)那里之前，會(huì)有信息顯示某個(gè)部件的磨損跡象。當(dāng)飛機(jī)著陸的那一刻，備用零件已經(jīng)就緒了，且有人會(huì)進(jìn)行替換。這套對(duì)系統(tǒng)實(shí)施自監(jiān)控的系統(tǒng)對(duì)于非常大型的土方設(shè)備和采礦設(shè)備也是很有價(jià)值的，。我們通常需要要防止這些價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)坐等零件而延遲了維修時(shí)間。’如果如果如果需要快速的接收到這些由傳感器產(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(shí)現(xiàn)方式

目前，‘5G’這個(gè)術(shù)語(yǔ)的使用方式有很多種。Arm基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)部門無(wú)線營(yíng)銷總監(jiān)Colin Alexander解釋說(shuō)：“它的最通用形式是蜂窩無(wú)線技術(shù)，它允許通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)的無(wú)線接口管理新業(yè)務(wù)。多個(gè)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(zhǎng)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（NGMN）和其他組織設(shè)計(jì)了一個(gè)模型，將應(yīng)用實(shí)例映射到三角形的三個(gè)點(diǎn)上—— 一個(gè)角代表增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶，一個(gè)代表超可靠、低延遲通信（URLLC），第三個(gè)為大規(guī)模的機(jī)器間通信。每一種都需要不同的網(wǎng)絡(luò)來(lái)滿足他們的需求。

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

他指出，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商正試圖確保他們能夠盡可能靈活地升級(jí)和擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，這一目標(biāo)可以利用運(yùn)行在云上的商用計(jì)算硬件上的虛擬化軟件實(shí)現(xiàn)。

涉及URLLC流量類型的應(yīng)用，現(xiàn)在可以通過(guò)云來(lái)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(dòng)到更靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣的地方，靠近無(wú)線空中接口。例如，工廠中的智能機(jī)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(jì)算機(jī)，每個(gè)計(jì)算機(jī)都具有計(jì)算、存儲(chǔ)、加速和機(jī)器學(xué)習(xí)功能，用以在網(wǎng)絡(luò)邊緣實(shí)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(huì)有類似的需求。

“在要求低延遲的情況下，再次處理可能會(huì)被推到邊緣，以便允許計(jì)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(jì)算可能發(fā)生在云中的計(jì)算設(shè)備上，“Alexander說(shuō)。

針對(duì)5G的設(shè)計(jì)

對(duì)于負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)5G芯片的工程師來(lái)說(shuō)，他們需要處理很多難題。這些問(wèn)題都有很強(qiáng)的不確定性較，每個(gè)問(wèn)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(wèn)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(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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?yàn)椴恍枰谛酒饪焖龠\(yùn)行SerDes來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)了至強(qiáng)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。”

對(duì)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(gè)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(kāi)放平臺(tái)）。通過(guò)協(xié)調(diào)服務(wù)來(lái)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(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化平臺(tái)）就是一個(gè)例子。功耗和設(shè)備效率也是設(shè)計(jì)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(shuō)：“我們需要能夠輕松支持多種加速器來(lái)應(yīng)對(duì)不同計(jì)算需求，因?yàn)檫@些需求不一定能在通用CPU中高效處理。通過(guò)多個(gè)芯片或機(jī)箱安裝設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)SoC器件之間的擴(kuò)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(jì)之間實(shí)現(xiàn)輕松擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)也很重要，因?yàn)檫吘売?jì)算可能被設(shè)計(jì)成各種尺寸或形式的設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行部署。此外，軟件可擴(kuò)展性也很重要。“

Synopsys物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略營(yíng)銷經(jīng)理Ron Lowman表示，5G可能會(huì)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(jì)團(tuán)隊(duì)遷移到新技術(shù)時(shí)，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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成上來(lái)。

Lowman說(shuō)：“隨著5G的出現(xiàn)，將會(huì)出現(xiàn)多種無(wú)線通信技術(shù)，更先進(jìn)的工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)，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(lái)看，由于諸如頻譜聚合，波束形成，不同實(shí)體許可的不同頻譜（甚至開(kāi)放頻譜和WiFi的杠桿作用）等因素，復(fù)雜度比過(guò)去高得多。處理所有這些需求是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。機(jī)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(guò)來(lái)又會(huì)影響架構(gòu)，因?yàn)檫@不僅會(huì)改變處理方式，存儲(chǔ)也會(huì)受影響。

Cadence的Thompson對(duì)此表示贊同，“對(duì)于5G和物聯(lián)網(wǎng)，隨著我們開(kāi)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(jìn)展，我們正在努力通過(guò)轉(zhuǎn)向更小的工藝節(jié)點(diǎn)來(lái)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(huì)遇到的問(wèn)題，隨著節(jié)點(diǎn)越來(lái)越小，IC變得越來(lái)越小。為了使IC變得更小，必須采用更小的封裝。但這對(duì)射頻設(shè)計(jì)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(shí)候，其耦合指數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)。隨著節(jié)點(diǎn)越來(lái)越小，這些耦合效應(yīng)會(huì)越來(lái)越明顯。工藝節(jié)點(diǎn)的持續(xù)縮小也意味著偏置電壓更小，所以噪聲的影響會(huì)更大，因?yàn)闆](méi)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。可見(jiàn)，在5G這樣的系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)許多新問(wèn)題。”

對(duì)可靠性提出的新挑戰(zhàn)

對(duì)可靠性要求的提升在一定意義上從新定義了無(wú)線通信技術(shù)，因?yàn)檫@些芯片被用于汽車、工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用。因?yàn)檫B接故障，性能下降或任何其他可能導(dǎo)致服務(wù)中斷的問(wèn)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(lái)驗(yàn)證來(lái)確保有功能安全需求的芯片能夠可靠工作，” Fraunhofer EAS設(shè)計(jì)方法部門主管Roland Jancke說(shuō)，“我們正在努力構(gòu)建開(kāi)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(jì)錯(cuò)誤上。而如果有兩個(gè)或三個(gè)故障同時(shí)出現(xiàn)會(huì)發(fā)生什么呢？驗(yàn)證人員需要向設(shè)計(jì)師指出可能出錯(cuò)的地方，以及故障發(fā)生的位置，然后在設(shè)計(jì)過(guò)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(wèn)題，無(wú)線+汽車應(yīng)用的大問(wèn)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(jì)為始終如一，提前建模來(lái)預(yù)測(cè)如何使用。但是對(duì)于微處理器來(lái)說(shuō)，如何使用取決于軟件的使用方式，這很難預(yù)測(cè)，需要大量的時(shí)間來(lái)觀察。“

村莊網(wǎng)絡(luò)

很多公司認(rèn)為5G有足夠的收益來(lái)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(chǎng)營(yíng)銷副總裁Magdy Abadir說(shuō)，“5G的速率可以在每秒10到20千兆比特之間。基礎(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(jī)和發(fā)射機(jī)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(dá)和類似的應(yīng)用場(chǎng)景。“

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

Abadir表示：“要實(shí)現(xiàn)這一切，就要努力在SoC RF方面進(jìn)行更多集成。構(gòu)建實(shí)現(xiàn)這一現(xiàn)實(shí)的芯片設(shè)計(jì)師正在談?wù)撊绾螌⑺蠷F組件與ADC和DAC進(jìn)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(gè)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?yàn)樗O(shè)定了一個(gè)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(jì)人員難以把它們都集成到一起。把所有電路都隔離開(kāi)而不影響鄰近電路是非常具有挑戰(zhàn)性的。”

從這個(gè)角度來(lái)看，2G是關(guān)于語(yǔ)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(zhǎng)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(qiáng)移動(dòng)寬帶所需將帶寬增加10倍，同時(shí)還會(huì)增加新的使用模式，如低延遲連接。另外，5G對(duì)于V2X來(lái)說(shuō)非常重要，尤其是對(duì)于下一代5G ——5G的第16版將具有URLLC，這對(duì)于V2X應(yīng)用程序很重要。另一方面，還涉及大量的機(jī)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(lái)還不確定

5G通常被視為是一系列最高級(jí)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(jì)變得更加困難。總有新的內(nèi)容添加到標(biāo)準(zhǔn)之中，這就需要芯片具備較強(qiáng)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(tái)，都是基于FPGA的。在某種程度上，所有大型無(wú)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(qiáng)優(yōu)化，以獲得最低的成本和功耗。“

Flex Logix的Tate對(duì)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。”

本文來(lái)自半導(dǎo)體觀察微信號(hào)，5G通信正在鋪面而來(lái)，國(guó)外作者Ann Steffora Mutschler對(duì)5G給半導(dǎo)體廠商帶來(lái)的三大挑戰(zhàn)做了具體應(yīng)用場(chǎng)景的挑戰(zhàn)分析，希望分享給進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域研發(fā)的工程師，帶來(lái)一些思考。