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2018年5月11日 星期五

5G the next best thing




來源:章鹰


5G是未來的無線通信技術,它正在快速發展。

該技術擁有非常高的數據傳輸速率,比4G LTE低得多的延遲,並且能夠讓每個蜂窩站連接更多的設備。簡而言之,5G是承載汽車,物聯網設備中的傳感器,以及越來越多的下一代電子產品,所產生大量數據的最佳通信技術。
  
推動這種技術發展的,是一種新的無線電空中接口,它將使行動網路電信商,能夠在同樣的頻譜分配中,實現更高的效率。新的網路層次將有助於實現5G的分片化網路,允許根據特定流量需求,動態分配多種流量。

5G通信到底带给半导体厂商哪些挑战?
  

「這關乎容量和延遲,」 Cadence的訂製IC和PCB組的RF解決方案架構師Michael Thompson說:「這關乎我能以多快的速度獲取大量數據。它的另一個好處是,由於是一個動態系統,所以它可以讓我不必佔用整個頻道,或多個頻道的頻寬。這有點像頻寬點播,取決於應用對頻寬的需求。這樣,它比上一代標準更加靈活,容量也高得多。
  
這為家庭、體育賽事,以及工業和交通領域,開闢了新的應用。 Thompson said 說:「如果在飛機上有足夠的傳感器,我就可以監控它,透過機器學習應用程序,我們就知道什麼時候需要維修或更換部件或系統。

所以,當飛機飛越了整個國家,將在拉瓜迪亞機場降落,在到達那裡之前,會有資訊顯示某個部件的磨損跡象。當飛機著陸的那一刻,備用零件已經就緒了,且有人會進行替換。

這套對系統實施自監控的系統,對於非常大型的土方設備和採礦設備也是很有價值的。我們通常需要要防止這些,價值數百萬美元的設備,出現故障時不會坐等零件,而延遲了維修時間。如果如果如果需要快速的接收到,這些由傳感器產生的海量數據,那就需要大頻寬和低延遲的支持。
  

一種技術,多種實現方式
目前,‘5G’這個術語的使用方式有很多種。Arm基礎設施業務部門無線行銷總監Colin Alexander解釋說:「它的最通用形式是蜂窩無線技術,它允許透過標準驅動的無線接口管理新業務。多個現有的和新的頻譜,將被分配用於承載1GHz以下,用於城市郊區有較長距離、較大覆蓋範圍的頻段,以及從26到60GHz面向高容量、低延遲應用的毫米波頻段」。
  
下一代行動網路聯盟(NGMN)和其他組織,設計了一個模型,將應用實例映射到三角形的三個點上—— 一個角代表增強的行動寬頻,一個代表超可靠、低延遲通信(URLLC),第三個為大規模的機器間通信。每一種都需要不同的網路,來滿足他們的需求。
  
「這導致了在定義5G的核心網路時,需要考慮其他各種需求 ,」Alexander說,「核心網將具備可擴展的能力,用以有效承載所有不同的流量類型。」
  
他指出,行動網路商正試圖確保他們能夠盡可能,靈活地升級和擴展網路,這一目標可以利用運行在雲上的商用計算硬體上的虛擬化軟體實現。
  
涉及URLLC流量類型的應用,現在可以透過雲來管理這些應用程序,但這要求將一些控制和用戶功能,移動到更靠近網路邊緣的地方,靠近無線空中接口。例如,工廠中的智慧機器人,出於安全性和效率的原因,需要低延遲網路。

Alexander表示,這就需要邊緣計算電腦,每個電腦都具有計算、儲存、加速和機器學習功能,用以在網路邊緣,實現通信與資訊處理。有一些但不是所有的V2X和汽車應用服務,都會有類似的需求。
  
「在要求低延遲的情況下,再次處理可能會被推到邊緣,以便允許計算和中繼V2X決策。如果應用與停車或製造商跟蹤等資源管理更相關,那麼計算可能發生在雲中的計算設備上,」Alexander說。
  

針對5G的設計
對於負責設計5G晶片的工程師來說,他們需要處理很多難題。這些問題都有很強的不確定性較,每個問題都有自己的一套限制條件。例如,在基地台端需要解決的主要問題之一是功耗。

Flex Logix公司首席執行官Geoff Tate表示:「大多數基地台,正在使用基於先進技術節點設計的ASIC和FPGA,還有SerDes,它消耗了大量的功率,並佔用了不少面積。如果可以將可編程性整合到ASIC中,就能夠降低功耗和所佔用的面積,因為不需要在晶片之外,快速運行SerDes來實現片間通信,並且可編程邏輯和ASIC之間提供更大的頻寬。」

英特爾已經實現了至強系列處理器,和Altera FPGA在同一封裝內部的整合化。採用這種方式,可以提升100倍的頻寬。
  
對於要部署在核心網路或雲中的設備,要求是不同的。其中一個關鍵考慮因素是,架構允許輕鬆部署管理軟體,且應用可輕鬆移植到設備上。
  
Arm公司的 Alexander表示:「處理虛擬化服務的標準生態系統非常重要,例如OPNFV(網路功能虛擬化開放平台)。透過協調服務,來管理網路元素之間的交互,和流量流也將是關鍵。ONAP(開放式網路自動化平台)就是一個例子。功耗和設備效率也是設計的關鍵考量因素。」
  
在網路邊緣,要求低延遲、高用戶吞吐量和低功耗。
  
Alexander說:「我們需要能夠輕鬆支持多種加速器,來應對不同計算需求,因為這些需求不一定能在通用CPU中,高效處理。透過多個晶片或機箱安裝設備,來實現SoC器件之間的擴展非常重要。」

研究一種可以支持基於ASIC、ASSP和FPGA的不同設計之間,實現輕鬆擴展的體系結構也很重要,因為邊緣計算可能被設計成,各種尺寸或形式的設備,在網路中進行部署。此外,軟體可擴展性也很重要。
  
Synopsys物聯網策略行銷經理Ron Lowman表示,5G可能會改變晶片組架構,特別是射頻部分。雖然LTE解決方案的模擬前端可能別和RF整合、和處理器上整合,或完全三者完全整合在一起,但當設計團隊遷移到新技術時,通常首先要使用分立的方式搭建系統原型,然後隨著技術的成熟,再回到如何利用單晶片實現系統整合上來。
  
Lowman說:「隨著5G的出現,將會出現多種無線通信技術,更先進的技術節點,例如12nm甚至更高,這些將在提升整合度方面發揮重要作用。」

這也需要模擬前端的數據轉換器,具備每秒千兆次採樣的能力。高可靠性也非常重要,從處理的角度來看,由於諸如頻譜聚合,波束形成,不同實體許可的不同頻譜(甚至開放頻譜和WiFi的槓桿作用)等因素,複雜度比過去高得多。

處理所有這些需求,是一個不小的挑戰。機器學習和人工智慧,可能非常適合做這些繁重的工作。這反過來又會影響架構,因為這不僅會改變處理方式,儲存也會受影響。
  
Cadence的Thompson對此表示贊同,對於5G和物聯網,隨著我們開發具有更高吞吐能力的802.11標準,以及ADAS所取得的進展,我們正在努力,透過轉向更小的技術節點來降低功耗,降低成本,縮小尺寸並提高產量。

考慮到在RF中會遇到的問題,隨著節點越來越小,IC變得越來越小。為了使IC變得更小,必須採用更小的封裝。但這對射頻設計不利。在模擬方面,我並不擔心佈局的分布式效果。

金屬部分在所有頻率上都有電阻。如果是RF效應,這就是一條不同傳輸線,具體取決於發送的頻率。現在,我正在把所有東西做得更加緊密,而且這種情況發生的時候,其耦合指數呈指數成長。

隨著節點越來越小,這些耦合效應會越來越明顯。技術節點的持續縮小,也意味著偏置電壓更小,所以噪聲的影響會更大,因為沒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,在5G這樣的系統中會出現許多新問題。
  

對可靠性提出的新挑戰
對可靠性要求的提升在一定意義上,重新定義了無線通信技術,因為這些晶片被用於汽車、工業和醫療應用。因為連接故障,性能下降或任何其他可能導致服務中斷的問題,導致的後果比其它傳統應用更加嚴重。
  
「我們需要找到新的方法,來驗證來確保有功能安全需求的晶片能夠可靠工作,」 Fraunhofer EAS設計方法部門主管Roland Jancke說,「我們正在努力構建開發流程。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,大多數的分析和研究,都集中在單一設計錯誤上。而如果有兩個或三個故障同時出現,會發生什麼呢驗證人員需要向設計師指出可能出錯的地方,以及故障發生的位置,然後在設計過程中反復論證。」
  
這已經成為許多安全應用領域的一大問題,無線+汽車應用的大問題,在於雙方的變量在不斷增加。Moortec首席技術官Oliver King表示:「其中一些需要設計為始終如一,提前建模來預測如何使用。但是對於微處理器來說,如何使用取決於軟體的使用方式,這很難預測,需要大量的時間來觀察。
  

村莊網路
很多公司認為5G有足夠的收益,來保證構建完成所有這些工作,所需的基礎設施。
  
5G與傳統網路最大的區別,是它提供的數據傳輸速率,Helic公司市場行銷副總裁Magdy Abadir說,「5G的速率可以在每秒10到20千兆比特之間。基礎設施必須支持這樣的數據傳輸速率,晶片必須能處理這些數據。接收機和發射機在頻段上,也有100GB以上的頻率考慮因素。而RF工程師已經習慣了70GHz的雷達,和類似的應用場景。
  
創建這樣的基礎設施是一項艱巨的任務,它跨越了電子供應鏈的多個部分。
  
Abadir表示:「要實現這一切,就要努力在SoC RF方面,進行更多整合。建構實現這一現實的晶片設計師,正在談論如何將所有RF組件與ADC和DAC進行整合,這些ADC具有非常高的採樣率。一切都需要被整合到同一個SoC中。」

我們討論了整合方面的挑戰,但是難度比以往要更大。因為它設定了一個很高的目標,甚至超出了之前所考慮的內容,使得設計人員難以把它們都整合到一起。把所有電路都隔離開,而不影響鄰近電路是非常具有挑戰性的。
  
從這個角度來看,2G是關於語音的,而3G和4G更多是關於數據和更有效的支持。相比之下,5G代表了不同設備、不同服務和頻寬成長的激增。
  
Achronix公司策略規劃和業務發展部門的Mike Fitton表示:「增強行動寬頻所需將寬增加10倍,同時還會增加新的使用模式,如低延遲連接。另外,5G對於V2X來說非常重要,尤其是對於下一代5G ——5G的第16版將具有URLLC,這對於V2X應用程序很重要。另一方面,還涉及大量的機器類型連接 - IoT類型的應用程序,需要連接大量設備。 
  

未來還不確定
5G通常被視為是一系列最高級技術的大薈萃,如寬寬增加10倍,延遲減少5倍,設備數量增加5倍到10倍。由於5G規範還未完全確定,這就讓晶片設計變得更加困難。總有新的內容添加到標準之中,這就需要晶片具備較強的靈活性和可編程性。
  
「如果考慮到需要硬體數據管道的兩大要求——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在硬體和軟體中,又需要具有很多可編程性。目前看到的5G平台,都是基於FPGA的。」

在某種程度上,所有大型無線設備製造商都將轉向採用更低成本和功耗的ASIC,但需要在降低成本和功耗繼續保持靈活性。這需要在需要的地方保持靈活性(在FPGA或嵌入式FPGA中),然後在可能的情況下加強優化,以獲得最低的成本和功耗。
  
Flex Logix的Tate對此表示贊同,「有100多家公司在做這方面的工作。頻譜不同,協議不同,所使用的晶片也不同。如有些中繼器晶片受制於建築牆上的電力輸出,而這將是eFPGAs(嵌入式FPGA)大顯身手的地方。」
  
本文來自半導體觀察微信號,5G通信正在鋪面而來,作者Ann Steffora Mutschler對5G給半導體廠商帶來的三大挑戰,做了具體應用場景的挑戰分析,希望分享給進入這個領域研發的工程師,帶來一些思考。



                                                                                                                                                                                                                 


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