當(dāng)前，人工智能的浪潮席卷全球，5G時(shí)代也隨之到來(lái)，現(xiàn)實(shí)社會(huì)與互聯(lián)網(wǎng)空間加快融合，人機(jī)物正在進(jìn)入萬(wàn)物互聯(lián)、虛實(shí)結(jié)合、開(kāi)放共享的智慧新時(shí)代。
實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)需要無(wú)處不在的傳感器、智能終端等源源不斷的收集數(shù)據(jù)，又需要通過(guò)無(wú)處不在的物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，更快的網(wǎng)速是必須的，需要的流量將幾十倍地增加。
5G的到來(lái)，從根本顛覆了“通信”這個(gè)概念，5G技術(shù)讓通信的對(duì)象從人與人擴(kuò)大到萬(wàn)物之間，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)、隨地的萬(wàn)物互連，讓人類(lèi)敢于期待與地球上的萬(wàn)物通過(guò)直播的方式無(wú)時(shí)差同步參與其中。
5G時(shí)代的到來(lái)
5G，就是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，擁有光纖般的接入速率，“零”時(shí)延的使用體驗(yàn)，千億設(shè)備的連接能力，超高流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動(dòng)性等，超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，相比于4G，5G實(shí)現(xiàn)從質(zhì)變到量變的飛躍，開(kāi)啟萬(wàn)物廣泛互聯(lián)、人機(jī)深度交互的新時(shí)代，成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的驅(qū)動(dòng)力。5G通訊向下兼容4G3G2G。
5G擁有豐富的應(yīng)用和趨勢(shì)。其中，最具潛力的趨勢(shì)有三個(gè)：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)、超可靠低延遲通信(URLLC)和海量機(jī)器類(lèi)通信(mMTC)。
▲三大5G支柱的增長(zhǎng)
從本質(zhì)上講，eMBB可提供更加出色的移動(dòng)數(shù)據(jù)連接。這包括使用固定無(wú)線(xiàn)接入與傳統(tǒng)固定寬帶競(jìng)爭(zhēng)（如市場(chǎng)趨勢(shì)中所述）。URLLC將成為工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的關(guān)鍵。在這些應(yīng)用中，出色的網(wǎng)絡(luò)性能可以節(jié)約成本并挽救生命。而mMTC可使智能電網(wǎng)和智能城市等應(yīng)用成為可能。這些應(yīng)用需要出色的覆蓋范圍和大量連接能力，擁有改變我們生活方式的潛力。
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。
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，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(chē)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(xiàn)電視服務(wù)等等。
可以說(shuō)，5G已如箭在弦，正快速“射向”各行各業(yè)，促使越來(lái)越多的設(shè)備互連，而首批迎來(lái)東風(fēng)的，便是手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)等擁有一定發(fā)展基礎(chǔ)的5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)。IDC預(yù)測(cè)，5G設(shè)備的連接數(shù)量將從2019年的1000萬(wàn)臺(tái)增加到2023年的10.1億臺(tái)，2019-2023年的復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá)217.2%。
芯片設(shè)計(jì)的變化
在此基礎(chǔ)上，芯片作為核心部件，需求正在大量提升。根據(jù)Statista數(shù)據(jù)，2019年全球5G芯片市場(chǎng)規(guī)模為10.3億美元。預(yù)計(jì)到2025年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到145.3億美元，2019-2025年復(fù)合年增長(zhǎng)率超過(guò)55%。
5G芯片可分為三類(lèi)：AP芯片（應(yīng)用處理器）、基帶芯片、射頻芯片。其中難度最高和最主要的是基帶芯片，2G到5G標(biāo)準(zhǔn)一路提升一并兼容，需要的技術(shù)積累更多。
5G芯片的研發(fā)早在2016年以前就開(kāi)始了，2008年NASA最早提出5G概念，2014年全球主要運(yùn)營(yíng)商組成的下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（NGMN）宣布發(fā)起針對(duì)5G的全球項(xiàng)目。以高通、聯(lián)發(fā)科、華為為代表的企業(yè)布局5G芯片的早期研究。
從2016到2018年，5G芯片逐步推進(jìn)試用階段，2016年10月，高通發(fā)布了X50 5G基帶芯片。2018年，華為、聯(lián)發(fā)科、三星、英特爾分別發(fā)布了支持NSA/SA組網(wǎng)的5G芯片。
2019年到2020年，5G芯片開(kāi)啟商用發(fā)展階段，隨著5G標(biāo)準(zhǔn)的確定，各個(gè)廠(chǎng)商5G基帶技術(shù)不斷成熟，開(kāi)始有了第二代5G基帶。
而據(jù)相關(guān)媒體分析，從2021年開(kāi)始，5G芯片將進(jìn)入全面發(fā)展階段。隨著5G商用化的深化發(fā)展，使得5G芯片在電信基站設(shè)備，智能手機(jī)/平板電腦，互聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)，互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和寬帶接入網(wǎng)關(guān)設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用普及，行業(yè)進(jìn)入全面發(fā)展階段。
5G對(duì)SoC的影響
在多年的發(fā)展中，5G芯片的設(shè)計(jì)也經(jīng)歷了不少變化。而這些變化，正是為了應(yīng)對(duì)隨著5G到來(lái)而衍生出的新問(wèn)題。
首先是帶寬，由于這是一種系統(tǒng)挑戰(zhàn)，而不僅僅是無(wú)線(xiàn)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。
其次是延遲方面，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(fǎng)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。
最后是功耗，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(xiàn)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(mén)控。
在這方面，新思科技DesignWare IP產(chǎn)品組合提供了高速模擬前端(AFE)的可靠解決方案，并提供了經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的接口IP、安全I(xiàn)P以及高效處理能力，以滿(mǎn)足最先進(jìn)的5G芯片組設(shè)計(jì)需求。
為了滿(mǎn)足諸多需求，這些SoC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(lèi)設(shè)備中。除了消費(fèi)類(lèi)設(shè)備外，基礎(chǔ)設(shè)施也必須能夠滿(mǎn)足這些消費(fèi)類(lèi)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?。這可能是另一個(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(mǎn)足5G覆蓋范圍要求。
芯片設(shè)計(jì)人員正在針對(duì)處理器、接口、模擬和安全性等集成新的創(chuàng)新性IP。此外，5G在擴(kuò)展到物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，需要傳感器、存儲(chǔ)器和“芯片到芯片”接口、處理能力以及低功耗無(wú)線(xiàn)IP解決方案，而這些解決方案應(yīng)當(dāng)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(jí)地址生成的XY存儲(chǔ)器，以及可選擇的定制擴(kuò)展指令集性，從而實(shí)現(xiàn)了NB-IoT或任何其他通信協(xié)議的高效實(shí)施。5G芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，使得芯片開(kāi)發(fā)人員需要額外的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和資源。因此,設(shè)計(jì)人員比以往任何時(shí)候都更依賴(lài)于接口IP的DesignWareIP產(chǎn)品組合，集中關(guān)鍵的內(nèi)部資源能夠使他們專(zhuān)注于產(chǎn)品差異化并滿(mǎn)足5G的需求。
除基于標(biāo)準(zhǔn)的單控制器和PHY接口IP外，新思科技還提供可配置的預(yù)驗(yàn)證DesignWare接口IP子系統(tǒng)。這些IP子系統(tǒng)提供了完整、復(fù)雜的功能，可隨時(shí)“依原樣”集成到芯片中，或由設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行定制。
深入應(yīng)用場(chǎng)景的5G
具體到應(yīng)用領(lǐng)域方面，5G對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景也會(huì)提出不同的要求。
首先是移動(dòng)處理器。5G的目標(biāo)是提供與當(dāng)前有線(xiàn)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(xiàn)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。
▲全球蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信部署
這一現(xiàn)狀大幅增加了基帶、基礎(chǔ)架構(gòu)和應(yīng)用處理器技術(shù)的復(fù)雜程度，形成了對(duì)新型創(chuàng)新IP的需求，以期解決這一復(fù)雜性問(wèn)題。新思科技的DesignWare®IP產(chǎn)品組合提供了可靠的解決方案，從高速模擬前端到先進(jìn)FinFET技術(shù)和處理解決方案中采用的久經(jīng)驗(yàn)證的接口IP，可滿(mǎn)足最先進(jìn)5G芯片組設(shè)計(jì)的需求。
在5G物聯(lián)網(wǎng)方面，為了將移動(dòng)無(wú)線(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用至關(guān)重要。鑒于5G的復(fù)雜性，在使用基帶調(diào)制解調(diào)器時(shí)，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇開(kāi)發(fā)可編程且針對(duì)任務(wù)而優(yōu)化的內(nèi)核/加速器，因?yàn)檫@些內(nèi)核/加速器具有超低的功耗和尺寸，提供了很高的計(jì)算吞吐量，可以滿(mǎn)足設(shè)備的確切要求。
新思科技提供種類(lèi)齊全的IP產(chǎn)品組合，能夠滿(mǎn)足IoT SoC設(shè)計(jì)的特定要求。此類(lèi)設(shè)計(jì)包括硅驗(yàn)證有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)IP、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、安全I(xiàn)P、低功耗嵌入式存儲(chǔ)器和邏輯庫(kù)、節(jié)能處理器芯核和集成式IP子系統(tǒng)。
在5G汽車(chē)(V2X)方面，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(chē)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(chē)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。
新思科技的質(zhì)量和可靠性標(biāo)準(zhǔn)使汽車(chē)SoC設(shè)計(jì)人員在使用最新接口IP、處理器IP、嵌入式存儲(chǔ)器和邏輯庫(kù)，在主流和高級(jí)流程節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)復(fù)雜SoC時(shí)充滿(mǎn)信心。經(jīng)ISO 9001認(rèn)證的DesignWare IP質(zhì)量管理系統(tǒng)實(shí)施IATF 16949標(biāo)準(zhǔn)的適用條款，以支持其他嚴(yán)格的汽車(chē)質(zhì)量要求。
總結(jié)
5G通常被視為是一系列最高級(jí)技術(shù)的大薈萃，如增加系統(tǒng)帶寬，降低SoC延遲以及顯著降低物聯(lián)網(wǎng)的功耗等，為下一代SoC的設(shè)計(jì)帶來(lái)了多方面的挑戰(zhàn)。
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。在這方面，新思科技為5G實(shí)施提供了最全面的IP產(chǎn)品組合，讓5G芯片設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單。
