5G，从人际通信走向万物互连

前言：自5G通信技术开始投入商用以来，方兴未艾的5G应用产业便在等待“东风”，而如今中国政府“新基建”概念的提出，正掀起一场足以让5G应用产业起飞的东风，但是，我们看到，5G芯片设计领域挑战巨大，如何克服？ 2020年，5G应用产业在“新基建”的东风下，展现出了巨大的市场潜力——根据中国信息通信研究院预估，今年5G技术的应用将为我国创造约920亿元的GDP，间接拉动GDP增长超过4190亿元。而到2030年，预计5G技术的应用对我国经济增加值的直接贡献将超过2.9万亿元，间接拉动的GDP将达到3.6万亿元。而在这些乐观数字的背后，将是手机、物联网、汽车等5G应用产业的全面起飞。 5G，从人际通信走向万物互连 在谈论手机、物联网、汽车等5G应用产业之前，我们先简单地了解一下5G技术为何会成为“新基建”概念中最重要的一环。5G就是第五代无线通信技术，主要特点是毫米级波长，超宽带，超高速度，超低延时。从1G到4G，前四代无线通信技术都是着眼于人与人之间更方便快捷的通信：1G实现了模拟语音通信，开启了大哥大语音通话的时代；2G实现了语音通信数字化，功能机之间互发短信、邮件成为了主流；3G则在语音以外实现了图片等多媒体的通信，手机屏幕也慢慢变大，智能手机也随之诞生；4G则实现了局域高速上网，大屏智能机的诞生和短视频的普及成为可能。而5G将根本颠覆“通信”这个概念，5G技术让通信的对象从人与人扩大到万物之间，实现了随时、随地的万物互连，让人类敢于期待与地球上的万物通过直播的方式无时差同步参与其中。所以说4G改变生活，5G改变未来。 熟悉通信行业的读者都知道，通信领域一向是标准与技术共同发展前行。未来5G应用产业的发展前景，其实从标准的发展情况便可窥一斑。目前商用的 R15标准是首个被广泛接受的5G标准，主要针对eMBB和URLLC两大场景定义了新规范。但是，与5G万物互联的愿景相比，只是小荷才露尖尖角，据透露，5G技术更多的功能特性将在R16、R17等后续演进版本中引入。R16是将于今年6月冻结的5G标准的第二个版本，与R15相比，引入了很多新内容，比如提供新的精准5G定位的功能、uRLLC的进一步增强以支持工业物联网的应用、以及5G广播等。未来的R17是5G标准的第三个版本，除了在标准上不断地引入新的功能以外，5G的应用也在不停地往不同垂直领域扩展，包括智能手机、电脑、固定无线接入、工业物联网、面向企业和汽车的网络以及企业专网等。

图1  5G激发千行百业创新  图片来源：高通 可以说，5G已如箭在弦，正快速“射向”各行各业，促使越来越多的设备互连，而首批迎来东风的，便是手机、物联网、汽车等拥有一定发展基础的5G应用产业。 5G网络，万物互连的“基石” 要通过5G技术最终实现万物互联的愿景，我们离不开两样东西——5G网络和5G终端。终端的种类有很多，手机、物联网设备、汽车……而这些终端要实现互连，离不开的“基石”便是覆盖每个地方的5G网络。 说起5G网络，最亮眼的就是速度。5G网络速度上的目标是能够与现有的家庭有线宽带解决方案相竞争。5G网速最终能达到什么程度呢？一个100GB的高清电影，几秒钟就可以下载完成。而网速的大幅提升，可以转化为很多能力的增强，比如：视频质量从1080p到4k甚至8k；多媒体服务模式实现虚拟现实沉浸式体验、增强现实等；在现有相同数据速率下支持更多用户同时在线，或单个用户时延大幅降低（减少网络卡顿、等待时间）等。 3GPP组织近期发布了新的规范，专注于升级到具有更高带宽的新毫米波频段、额外的信道聚合以及大规模天线阵列，以满足高速度方面的要求。作为下一代移动宽带，5G正在通过在毫米波频谱中引入载波聚合、海量MIMO、高级调制和高带宽信道而推动移动应用数据吞吐量的大幅度增长。提高数据吞吐量会增加基带、基础设施和应用处理器技术的复杂性。为了解决这些复杂性需求并满足产品上市的截止时间要求，SoC芯片级设计人员正在针对处理器、接口、模拟和安全性等集成新的创新性IP核。 然而，5G带来更快的速度、更大的容量的同时，也会带来更多的攻击面和更高的攻击风险。除了进一步加大5G新型基础设施建设力度，工信部也特别强调了5G网络建设的安全保障。5G安全需要考虑多个层面，包括由终端和网络组成的5G网络本身通信安全，以及5G网络承载的上层应用安全。在设计之初，就应该充分考虑网络的可靠性和安全性，安全架构才能日臻完善。 智能手机，5G终端的“排头兵” 聊了网络，接下来让我们聊聊终端。万物互连的愿景中，万物皆可为终端，但走在最前面引领应用产业的，还是在4G时代已经发展成熟的智能手机产业。一个技术的发展，需要应用产业的推动，因此5G技术的快速普及，以及5G新基建效能的最大发挥，离不开5G手机的发展。 从工信部公布的数据来看，截至2020年3月，我国发布5G手机产品类型76款，累计出货量超过2600万部，其中2020年出货量1300余万部。而根据Counterpoint的数据，2020年中国市场5G手机产品预计将突破100款，国内出货量将超过1.5亿台。 在5G手机的技术架构中，基带芯片是用来合成即将发射的基带信号，或对接收到的基带信号进行解码。具体地说，就是发射时，把音频信号编译成用来发射的基带码;接收时，把收到的基带码解译为音频信号。同时，也负责地址信息（手机号、网站地址）、文字信息（短讯文字、网站文字）、图片信息的编译。基带芯片是5G技术的核心支撑，实现了信号从发射编译到接收解码的全过程。   目前，在英特尔宣布退出5G终端市场以后 ，5G手机领域仅剩下华为、高通、三星、联发科和紫光展锐五个玩家，5G手机SOC不但有设计上的挑战，更面临工艺上的挑战，因为5G的计算量非常大，如果不采用先进工艺，功耗就难以降低。 物联网，“新基建”下5G应用领跑者 既然5G技术的愿景是实现万物互连，那么物联网产业毫无疑问将成为领跑者。可以预见，5G技术将彻底颠覆物联网产业。 物联网是互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通的网络。物联网中的用户通过物品与物品的连接，达到信息交换和通信的目的。因此，物联网的发展势必要借助5G网络的信息传输具有更低延迟及更高可靠性的特征优势。 为了将移动无线技术扩展到更多器件之中，3GPP组织已经定义了5G下更低带宽及简化通信的相关协议，例如NB-IoT和LTE-M，以满足物联网的低功耗和低成本要求。根据中国电信公布的数据显示，截止2019年，全球71个国家投资建设了129张移动物联网，其中93张均为NB-IoT网络。而移远通信公布的截止2020年2月的数据显示，目前全球运营商部署的低功耗广域网的部署当中，NB-IoT网络达到了104张。 NB-IoT标准通过支持有限的数据速率和功能集来降低复杂性。因此，与传统LTE调制解调器相比，可以使用一种简化的硬件/软件架构，其采用单个小型CPU/DSP处理器来执行包括PHY层在内的完整NB-IoT软件协议栈。高效且优化的处理器（例如带增强型DSP的ARC EMxD可增加每个周期完成的工作量，从而降低诸如NB-IoT和LTE-M等连接的总功率。

图3 全球物联网连接预测 来源：前瞻产业研究院 据前瞻产业研究院整理的数据，2015年全球物联网设备数量仅仅38亿台，发展到2019年全球物联网设备数量已达83亿台，并预测在2025年全球物联网设备数量将突破200亿台。 因此，物联网模组与芯片作为关键器件将迎来爆发期，预计2020年国内无线模组市场规模达到296亿元，芯片市场规模达到338亿元。而在这一市场，中国芯片企业表现不俗，比如紫光展锐便已在2019年发布了专为广泛的物联网应用而打造的AIoT解决方案。 “新基建”驱动，5G下的百年汽车产业新生 5G所具有的大宽带、低时延、高可靠等优势，也将助推自动驾驶的发展。在4G时代，过长的延时，会让自动驾驶的汽车在遇到突发情况时，可能来不及反应而酿成事故。而到了5G时代，这一挑战将迎刃而解 通过5G的低延时，我们可以让自动驾驶系统的反应速度比人类还快。简单来说，就是汽车搭载5G通信技术，其强大的传输速度将给汽车装上了一双眼睛，为汽车提供获取周边环境信息的交互渠道，它能让自动驾驶的汽车像一个熟练的司机一样从容应对行车环境。同时，5G技术的商用，除了能够使得自动驾驶等技术变得更容易实现之外，它还能对汽车内部的智能交互带来质的飞跃。

图4  自动驾驶是汽车业的终极目标 自动驾驶这项技术是依托各种设备搭配起来实现的，需要雷达、声纳和摄像头这些设备配合，然后再通过系统分析，最后才能够做出下一步指示。但是有了5G之后，汽车就可以打造一个实时的数据分析网络，道路上的所有信息都能够被包括在里面，然后通过计算车型的距离还有各方面的道路信息，让自动驾驶变得更加的安全。 5G将能够支持极低延迟能力，使控制器具有<1ms的反馈系统。车用SoC芯片是3GPP所定义的低延迟要求的关键驱动因素，但自动驾驶解决方案需要满足高质量、高可靠性和安全性等功能，它们都必须从设计之初便开始验证，这使得IP核成为成功的关键途径。 随着车联网技术的不断演进，将促使汽车逐步由机械式向电子式方向发展，采用的芯片颗数大增，代码量也大幅上升，甚至超过 1 亿行代码。主控芯片市场规模有望快速成长， IHS预测， 2020 年汽车主控芯片市场规模可达 40 亿美元，因此传统车用芯片厂商如恩智浦、英飞凌、瑞萨等均在积极拓展主控芯片市场，高通、英特尔等5G手机芯片巨头亦希望通过收购相关芯片厂商获取车载技术及渠道经验，实现在车联网终端、平台方面的突破。 5G芯片挑战巨大，新思科技来助力 虽然5G激发了千行百业的创新，但无论是手机、物联网还是汽车产业，每一个5G应用产业的背后都依赖芯片的赋能。可以这么说，作为电子产业引擎的芯片，让生活变得更加智能和自动化，并将最终让万物实现互连。 前面谈过，5G芯片更复杂，功耗更大，并采用有大量新的高速接口，比如针对存储就至少要采用UFS3.1起步，所以5G芯片技术创新离不开EDA工具和接口IP支持，作为全球EDA的领头羊，新思科技（Synopsys）一直致力于推动包括5G技术在内的所有新兴技术的发展，新思科技已经携手包括各应用领域巨头在内的众多合作伙伴，共同推动生态圈的融合，与行业 “聚力至远”。

新思科技DesignWare IP产品组合提供高速模拟前端(AFE)的可靠解决方案，并提供了经过验证的接口IP、安全IP以及高效处理能力，以满足最先进的5G芯片组设计需求。 作为下一代移动宽带, 5G通过在毫米波频谱中引入载波聚合、海量MIMO、高级调制和高带宽信道而推动移动应用数据吞吐量的大幅度增长。提高数据吞吐量会增加基带、基础设施和应用处理器技术的复杂性。为了解决这些复杂性需求并满足产品上市的截止时间要求，芯片设计人员正在针对处理器、接口、模拟和安全性等集成新的创新性IP。 此外，5G在扩展到物联网的应用中，需要传感器、存储器和“芯片到芯片”接口、处理能力以及低功耗无线IP解决方案，而这些解决方案应当提供具有高可靠性的低延迟能力。 新思科技ARC EM9D处理器提供了定义明确的DSP指令集、具有高级地址生成的XY存储器，以及可选择的定制扩展指令集性，从而实现了NB-IoT或任何其他通信协议的高效实施。 5G芯片设计的复杂性，芯片开发人员需要额外的专业知识和资源。因此,设计人员比以往任何时候都更依赖于接口IP的DesignWareIP产品组合，集中关键的内部资源能够使他们专注于产品差异化并满足5G的需求。除基于标准的单控制器和PHY接口IP外，新思科技还提供可配置的预验证DesignWare接口IP子系统。这些IP子系统提供了完整、复杂的功能，可随时“依原样”集成到芯片中，或由设计团队进行定制。

5G移动芯片的DesignWare IP

来源：新思科技官网 IP子系统包括单控制器和PHY集成、多种协议的组合,及带有处理器和软件堆栈的完整子系统。新思科技采用最先进的FinFET技术，提供了MIPI,、USB,、LPDDR、DDR,、PCle、高速多协议PHY等的最新标准。新思科技多协议PHY产品系列专门针对5G装置,能够为PCle, CCIX、 JESD204、以太网、CPRI等提供高质量的信号完整性和先进的电源管理功能。

用于5G基础建设设施的DesignWare IP

用于5G物联网的DesignWare IP