5G通信到底带给半导体厂商哪些挑战？

5G是未来的无线通信技术，它正在快速发展。

该技术拥有非常高的数据传输速率，比4G LTE低得多的延迟，并且能够让每个蜂窝站连接更多的设备。简而言之，5G是承载汽车，物联网设备中的传感器以及越来越多的下一代电子产品所产生大量数据的最佳通信技术。

推动这种技术发展的是一种新的无线电空中接口，它将使移动网络运营商能够在同样的频谱分配中实现更高的效率。新的网络层次将有助于实现5G的分片化网络，允许根据特定流量需求动态分配多种流量。

“这关乎容量和延迟，” Cadence的定制IC和PCB组的RF解决方案架构师Michael Thompson说：“这关乎我能以多快的速度获取大量数据。它的另一个好处是，由于是一个动态系统，所以它可以让我不必占用整个频道或多个频道的带宽。这有点像带宽点播，取决于应用对带宽的需求。这样，它比上一代标准更加灵活，容量也”高得多。“

这为家庭、体育赛事以及工业和交通领域开辟了新的应用。 Thompson said.说：“如果在飞机上有足够的传感器，我就可以监控它，通过机器学习应用程序，我们就知道什么时候需要维修或更换部件或系统。所以，当飞机飞越了整个国家，将在拉瓜迪亚机场降落，在到达那里之前，会有信息显示某个部件的磨损迹象。当飞机着陆的那一刻，备用零件已经就绪了，且有人会进行替换。这套对系统实施自监控的系统对于非常大型的土方设备和采矿设备也是很有价值的，。我们通常需要要防止这些价值数百万美元的设备出现故障时不会坐等零件而延迟了维修时间。’如果如果如果需要快速的接收到这些由传感器产生的海量数据，那就需要大带宽和低延迟的支持。“

一种技术，多种实现方式

目前，‘5G’这个术语的使用方式有很多种。Arm基础设施业务部门无线营销总监Colin Alexander解释说：“它的最通用形式是蜂窝无线技术，它允许通过标准驱动的无线接口管理新业务。多个现有的和新的频谱将被分配用于承载1GHz以下用于城市郊区有较长距离、较大覆盖范围的频段，，以及从26到60GHz面向高容量、低延迟应用的毫米波频段”。

下一代移动网络联盟（NGMN）和其他组织设计了一个模型，将应用实例映射到三角形的三个点上—— 一个角代表增强的移动宽带，一个代表超可靠、低延迟通信（URLLC），第三个为大规模的机器间通信。每一种都需要不同的网络来满足他们的需求。

“这导致了在定义5G的核心网络时需要考虑其他各种需求 -，”Alexander说，“核心网将具备可扩展的能力，用以有效承载所有不同的流量类型。”

他指出，移动网络运营商正试图确保他们能够尽可能灵活地升级和扩展网络，这一目标可以利用运行在云上的商用计算硬件上的虚拟化软件实现。

涉及URLLC流量类型的应用，现在可以通过云来管理这些应用程序，但这要求将一些控制和用户功能移动到更靠近网络边缘的地方，靠近无线空中接口。例如，工厂中的智能机器人，出于安全性和效率的原因，需要低延迟网络。Alexander表示，这就需要边缘计算机，每个计算机都具有计算、存储、加速和机器学习功能，用以在网络边缘实现通信与信息处理。有一些但不是所有的V2X和汽车应用服务都会有类似的需求。

“在要求低延迟的情况下，再次处理可能会被推到边缘，以便允许计算和中继V2X决策。如果应用与停车或制造商跟踪等资源管理更相关，那么计算可能发生在云中的计算设备上，“Alexander说。

针对5G的设计

对于负责设计5G芯片的工程师来说，他们需要处理很多难题。这些问题都有很强的不确定性较，每个问题都有自己的一套限制条件。例如，在基站端需要解决的主要问题之一是功耗。

Flex Logix公司首席执行官Geoff Tate表示：”大多数基站正在使用基于先进工艺节点设计的ASIC和FPGA，还有SerDes，它消耗了大量的功率并占用了不少面积。如果可以将可编程性集成到ASIC中，就能够降低功耗和所占用的面积，因为不需要在芯片之外快速运行SerDes来实现片间通信，并且可编程逻辑和ASIC之间提供更大的带宽。英特尔已经实现了至强系列处理器和Altera FPGA在同一封装内部的集成化。采用这种方式可以提升100倍的带宽。”

对于要部署在核心网络或云中的设备，要求是不同的。其中一个关键考虑因素是架构允许轻松部署管理软件，且应用可轻松移植到设备上。

Arm公司的 Alexander表示：“处理虚拟化服务的标准生态系统非常重要，例如OPNFV（网络功能虚拟化开放平台）。通过协调服务来管理网络元素之间的交互和流量流也将是关键。ONAP（开放式网络自动化平台）就是一个例子。功耗和设备效率也是设计的关键考量因素。”

在网络边缘，要求低延迟、高用户吞吐量和低功耗。

Alexander说：“我们需要能够轻松支持多种加速器来应对不同计算需求，因为这些需求不一定能在通用CPU中高效处理。通过多个芯片或机箱安装设备来实现SoC器件之间的扩展非常重要。研究一种可以支持基于ASIC、ASSP和FPGA的不同设计之间实现轻松扩展的体系结构也很重要，因为边缘计算可能被设计成各种尺寸或形式的设备在网络中进行部署。此外，软件可扩展性也很重要。“

Synopsys物联网战略营销经理Ron Lowman表示，5G可能会改变芯片组架构，特别是射频部分。虽然LTE解决方案的模拟前端可能别和RF集成、和处理器上集成或完全三者完全集成在一起，但当设计团队迁移到新技术时，通常首先要使用分立的方式搭建系统原型，然后随着技术的成熟再回到如何利用单芯片实现系统集成上来。

Lowman说：“随着5G的出现，将会出现多种无线通信技术，更先进的工艺技术节点，例如12nm甚至更高，这些将在提升集成度方面发挥重要作用。这也需要模拟前端的数据转换器具备每秒千兆次采样的能力。高可靠性也非常重要，从处理的角度来看，由于诸如频谱聚合，波束形成，不同实体许可的不同频谱（甚至开放频谱和WiFi的杠杆作用）等因素，复杂度比过去高得多。处理所有这些需求是一个不小的挑战。机器学习和人工智能可能非常适合做这些繁重的工作。这反过来又会影响架构，因为这不仅会改变处理方式，存储也会受影响。

Cadence的Thompson对此表示赞同，“对于5G和物联网，随着我们开发具有更高吞吐能力的802.11标准，以及ADAS所取得的进展，我们正在努力通过转向更小的工艺节点来降低功耗，降低成本，缩小尺寸并提高产量。考虑到在RF中会遇到的问题，随着节点越来越小，IC变得越来越小。为了使IC变得更小，必须采用更小的封装。但这对射频设计不利。在模拟方面，我并不担心布局的分布式效果。金属部分在所有频率上都有电阻。如果是RF效应，这就是一条不同传输线，具体取决于发送的频率。现在，我正在把所有东西做得更加紧密，而且这种情况发生的时候，其耦合指数呈指数增长。随着节点越来越小，这些耦合效应会越来越明显。工艺节点的持续缩小也意味着偏置电压更小，所以噪声的影响会更大，因为没有在更高的电压下偏置器件。在较小的电压下，相同能量的噪声影响更大。可见，在5G这样的系统中会出现许多新问题。”

对可靠性提出的新挑战

对可靠性要求的提升在一定意义上从新定义了无线通信技术，因为这些芯片被用于汽车、工业和医疗应用。因为连接故障，性能下降或任何其他可能导致服务中断的问题导致的后果比其它传统应用更加严重。

“我们需要找到新的方法来验证来确保有功能安全需求的芯片能够可靠工作，” Fraunhofer EAS设计方法部门主管Roland Jancke说，“我们正在努力构建开发流程。需要考虑部件和工具的相互作用，且为了确保一致性，仍然有很多工作要做。“

Jancke指出，“迄今为止，大多数的分析和研究都集中在单一设计错误上。而如果有两个或三个故障同时出现会发生什么呢？验证人员需要向设计师指出可能出错的地方，以及故障发生的位置，然后在设计过程中反复论证。“

这已经成为许多安全应用领域的一大问题，无线+汽车应用的大问题在于双方的变量在不断增加。Moortec首席技术官Oliver King表示：“其中一些需要设计为始终如一，提前建模来预测如何使用。但是对于微处理器来说，如何使用取决于软件的使用方式，这很难预测，需要大量的时间来观察。“

村庄网络

很多公司认为5G有足够的收益来保证构建完成所有这些工作所需的基础设施。

5G与传统网络最大的区别，是它提供的数据传输速率，Helic公司市场营销副总裁Magdy Abadir说，“5G的速率可以在每秒10到20千兆比特之间。基础设施必须支持这样的数据传输速率，芯片必须能处理这些数据。接收机和发射机在频段上也有100GB以上的频率考虑因素。而RF工程师已经习惯了70GHz的雷达和类似的应用场景。“

创建这样的基础设施是一项艰巨的任务，它跨越了电子供应链的多个部分。

Abadir表示：“要实现这一切，就要努力在SoC RF方面进行更多集成。构建实现这一现实的芯片设计师正在谈论如何将所有RF组件与ADC和DAC进行集成，这些ADC具有非常高的采样率。一切都需要被集成到同一个SoC中。我们讨论了集成方面的挑战，但是难度比以往要更大。因为它设定了一个很高的目标，甚至超出了之前所考虑的内容，使得设计人员难以把它们都集成到一起。把所有电路都隔离开而不影响邻近电路是非常具有挑战性的。”

从这个角度来看，2G是关于语音的，而3G和4G更多是关于数据和更有效的支持。相比之下，5G代表了不同设备、不同服务和带宽增长的激增。

Achronix公司战略规划和业务发展部门的Mike Fitton表示：”增强移动宽带所需将带宽增加10倍，同时还会增加新的使用模式，如低延迟连接。另外，5G对于V2X来说非常重要，尤其是对于下一代5G ——5G的第16版将具有URLLC，这对于V2X应用程序很重要。另一方面，还涉及大量的机器类型连接 - IoT类型的应用程序，需要连接大量设备。

未来还不确定

5G通常被视为是一系列最高级技术的大荟萃，如带宽增加10倍，延迟减少5倍，设备数量增加5倍到10倍。由于5G规范还未完全确定，这就让芯片设计变得更加困难。总有新的内容添加到标准之中，这就需要芯片具备较强的灵活性和可编程性。

“如果考虑到需要硬件数据管道的两大要求——高吞吐量和灵活性，这意味着您可能需要某种专用SoC或ASIC，这些SoC或ASIC在硬件和软件中又需要具有很多可编程性。目前看到的5G平台，都是基于FPGA的。在某种程度上，所有大型无线设备制造商都将转向采用更低成本和功耗的ASIC，但需要在降低成本和功耗继续保持灵活性。这需要在需要的地方保持灵活性（在FPGA或嵌入式FPGA中），然后在可能的情况下加强优化，以获得最低的成本和功耗。“

Flex Logix的Tate对此表示赞同，“有100多家公司在做这方面的工作。频谱不同，协议不同，所使用的芯片也不同。如有些中继器芯片受制于建筑墙上的电力输出，而这将是eFPGAs（嵌入式FPGA）大显身手的地方。”

本文来自半导体观察微信号，5G通信正在铺面而来，国外作者Ann Steffora Mutschler对5G给半导体厂商带来的三大挑战做了具体应用场景的挑战分析，希望分享给进入这个领域研发的工程师，带来一些思考。