5G the next best thing
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。
「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式，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，會有資訊顯示某個組件的磨損跡象。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。
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，會有資訊顯示某個組件的磨損跡象。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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。562180511
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