5G芯片設(shè)計領(lǐng)域挑戰(zhàn)巨大，如何克服？

前言：自5G通信技術(shù)開始投入商用以來，方興未艾的5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)便在等待“東風(fēng)”，而如今中國政府“新基建”概念的提出，正掀起一場足以讓5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)起飛的東風(fēng)，但是，我們看到，5G芯片設(shè)計領(lǐng)域挑戰(zhàn)巨大，如何克服？ 2020年，5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)在“新基建”的東風(fēng)下，展現(xiàn)出了巨大的市場潛力——根據(jù)中國信息通信研究院預(yù)估，今年5G技術(shù)的應(yīng)用將為我國創(chuàng)造約920億元的GDP，間接拉動GDP增長超過4190億元。而到2030年，預(yù)計5G技術(shù)的應(yīng)用對我國經(jīng)濟(jì)增加值的直接貢獻(xiàn)將超過2.9萬億元，間接拉動的GDP將達(dá)到3.6萬億元。而在這些樂觀數(shù)字的背后，將是手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、汽車等5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的全面起飛。 5G，從人際通信走向萬物互連 在談?wù)撌謾C(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、汽車等5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)之前，我們先簡單地了解一下5G技術(shù)為何會成為“新基建”概念中最重要的一環(huán)。5G就是第五代無線通信技術(shù)，主要特點是毫米級波長，超寬帶，超高速度，超低延時。從1G到4G，前四代無線通信技術(shù)都是著眼于人與人之間更方便快捷的通信：1G實現(xiàn)了模擬語音通信，開啟了大哥大語音通話的時代；2G實現(xiàn)了語音通信數(shù)字化，功能機(jī)之間互發(fā)短信、郵件成為了主流；3G則在語音以外實現(xiàn)了圖片等多媒體的通信，手機(jī)屏幕也慢慢變大，智能手機(jī)也隨之誕生；4G則實現(xiàn)了局域高速上網(wǎng)，大屏智能機(jī)的誕生和短視頻的普及成為可能。而5G將根本顛覆“通信”這個概念，5G技術(shù)讓通信的對象從人與人擴(kuò)大到萬物之間，實現(xiàn)了隨時、隨地的萬物互連，讓人類敢于期待與地球上的萬物通過直播的方式無時差同步參與其中。所以說4G改變生活，5G改變未來。 熟悉通信行業(yè)的讀者都知道，通信領(lǐng)域一向是標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)共同發(fā)展前行。未來5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景，其實從標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展情況便可窺一斑。目前商用的 R15標(biāo)準(zhǔn)是首個被廣泛接受的5G標(biāo)準(zhǔn)，主要針對eMBB和URLLC兩大場景定義了新規(guī)范。但是，與5G萬物互聯(lián)的愿景相比，只是小荷才露尖尖角，據(jù)透露，5G技術(shù)更多的功能特性將在R16、R17等后續(xù)演進(jìn)版本中引入。R16是將于今年6月凍結(jié)的5G標(biāo)準(zhǔn)的第二個版本，與R15相比，引入了很多新內(nèi)容，比如提供新的精準(zhǔn)5G定位的功能、uRLLC的進(jìn)一步增強(qiáng)以支持工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用、以及5G廣播等。未來的R17是5G標(biāo)準(zhǔn)的第三個版本，除了在標(biāo)準(zhǔn)上不斷地引入新的功能以外，5G的應(yīng)用也在不停地往不同垂直領(lǐng)域擴(kuò)展，包括智能手機(jī)、電腦、固定無線接入、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、面向企業(yè)和汽車的網(wǎng)絡(luò)以及企業(yè)專網(wǎng)等。

圖1 5G激發(fā)千行百業(yè)創(chuàng)新 圖片來源：高通 可以說，5G已如箭在弦，正快速“射向”各行各業(yè)，促使越來越多的設(shè)備互連，而首批迎來東風(fēng)的，便是手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、汽車等擁有一定發(fā)展基礎(chǔ)的5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)。 5G網(wǎng)絡(luò)，萬物互連的“基石” 要通過5G技術(shù)最終實現(xiàn)萬物互聯(lián)的愿景，我們離不開兩樣?xùn)|西——5G網(wǎng)絡(luò)和5G終端。終端的種類有很多，手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、汽車……而這些終端要實現(xiàn)互連，離不開的“基石”便是覆蓋每個地方的5G網(wǎng)絡(luò)。 說起5G網(wǎng)絡(luò)，最亮眼的就是速度。5G網(wǎng)絡(luò)速度上的目標(biāo)是能夠與現(xiàn)有的家庭有線寬帶解決方案相競爭。5G網(wǎng)速最終能達(dá)到什么程度呢？一個100GB的高清電影，幾秒鐘就可以下載完成。而網(wǎng)速的大幅提升，可以轉(zhuǎn)化為很多能力的增強(qiáng)，比如：視頻質(zhì)量從1080p到4k甚至8k；多媒體服務(wù)模式實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實沉浸式體驗、增強(qiáng)現(xiàn)實等；在現(xiàn)有相同數(shù)據(jù)速率下支持更多用戶同時在線，或單個用戶時延大幅降低（減少網(wǎng)絡(luò)卡頓、等待時間）等。 3GPP組織近期發(fā)布了新的規(guī)范，專注于升級到具有更高帶寬的新毫米波頻段、額外的信道聚合以及大規(guī)模天線陣列，以滿足高速度方面的要求。作為下一代移動寬帶，5G正在通過在毫米波頻譜中引入載波聚合、海量MIMO、高級調(diào)制和高帶寬信道而推動移動應(yīng)用數(shù)據(jù)吞吐量的大幅度增長。提高數(shù)據(jù)吞吐量會增加基帶、基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用處理器技術(shù)的復(fù)雜性。為了解決這些復(fù)雜性需求并滿足產(chǎn)品上市的截止時間要求，SoC芯片級設(shè)計人員正在針對處理器、接口、模擬和安全性等集成新的創(chuàng)新性IP核。 然而，5G帶來更快的速度、更大的容量的同時，也會帶來更多的攻擊面和更高的攻擊風(fēng)險。除了進(jìn)一步加大5G新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度，工信部也特別強(qiáng)調(diào)了5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的安全保障。5G安全需要考慮多個層面，包括由終端和網(wǎng)絡(luò)組成的5G網(wǎng)絡(luò)本身通信安全，以及5G網(wǎng)絡(luò)承載的上層應(yīng)用安全。在設(shè)計之初，就應(yīng)該充分考慮網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性，安全架構(gòu)才能日臻完善。 智能手機(jī)，5G終端的“排頭兵” 聊了網(wǎng)絡(luò)，接下來讓我們聊聊終端。萬物互連的愿景中，萬物皆可為終端，但走在最前面引領(lǐng)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的，還是在4G時代已經(jīng)發(fā)展成熟的智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)。一個技術(shù)的發(fā)展，需要應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的推動，因此5G技術(shù)的快速普及，以及5G新基建效能的最大發(fā)揮，離不開5G手機(jī)的發(fā)展。 從工信部公布的數(shù)據(jù)來看，截至2020年3月，我國發(fā)布5G手機(jī)產(chǎn)品類型76款，累計出貨量超過2600萬部，其中2020年出貨量1300余萬部。而根據(jù)Counterpoint的數(shù)據(jù)，2020年中國市場5G手機(jī)產(chǎn)品預(yù)計將突破100款，國內(nèi)出貨量將超過1.5億臺。 在5G手機(jī)的技術(shù)架構(gòu)中，基帶芯片是用來合成即將發(fā)射的基帶信號，或?qū)邮盏降幕鶐盘栠M(jìn)行解碼。具體地說，就是發(fā)射時，把音頻信號編譯成用來發(fā)射的基帶碼;接收時，把收到的基帶碼解譯為音頻信號。同時，也負(fù)責(zé)地址信息（手機(jī)號、網(wǎng)站地址）、文字信息（短訊文字、網(wǎng)站文字）、圖片信息的編譯?；鶐酒?G技術(shù)的核心支撐，實現(xiàn)了信號從發(fā)射編譯到接收解碼的全過程。 目前，在英特爾宣布退出5G終端市場以后 ，5G手機(jī)領(lǐng)域僅剩下華為、高通、三星、聯(lián)發(fā)科和紫光展銳五個玩家，5G手機(jī)SOC不但有設(shè)計上的挑戰(zhàn)，更面臨工藝上的挑戰(zhàn)，因為5G的計算量非常大，如果不采用先進(jìn)工藝，功耗就難以降低。 物聯(lián)網(wǎng)，“新基建”下5G應(yīng)用領(lǐng)跑者 既然5G技術(shù)的愿景是實現(xiàn)萬物互連，那么物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)毫無疑問將成為領(lǐng)跑者?？梢灶A(yù)見，5G技術(shù)將徹底顛覆物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)。 物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能行使獨立功能的普通物體實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)中的用戶通過物品與物品的連接，達(dá)到信息交換和通信的目的。因此，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展勢必要借助5G網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸具有更低延遲及更高可靠性的特征優(yōu)勢。 為了將移動無線技術(shù)擴(kuò)展到更多器件之中，3GPP組織已經(jīng)定義了5G下更低帶寬及簡化通信的相關(guān)協(xié)議，例如NB-IoT和LTE-M，以滿足物聯(lián)網(wǎng)的低功耗和低成本要求。根據(jù)中國電信公布的數(shù)據(jù)顯示，截止2019年，全球71個國家投資建設(shè)了129張移動物聯(lián)網(wǎng)，其中93張均為NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。而移遠(yuǎn)通信公布的截止2020年2月的數(shù)據(jù)顯示，目前全球運營商部署的低功耗廣域網(wǎng)的部署當(dāng)中，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)達(dá)到了104張。 NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)通過支持有限的數(shù)據(jù)速率和功能集來降低復(fù)雜性。因此，與傳統(tǒng)LTE調(diào)制解調(diào)器相比，可以使用一種簡化的硬件/軟件架構(gòu)，其采用單個小型CPU/DSP處理器來執(zhí)行包括PHY層在內(nèi)的完整NB-IoT軟件協(xié)議棧。高效且優(yōu)化的處理器（例如帶增強(qiáng)型DSP的ARC EMxD可增加每個周期完成的工作量，從而降低諸如NB-IoT和LTE-M等連接的總功率。

圖3 全球物聯(lián)網(wǎng)連接預(yù)測 來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院 據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理的數(shù)據(jù)，2015年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量僅僅38億臺，發(fā)展到2019年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量已達(dá)83億臺，并預(yù)測在2025年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將突破200億臺。 因此，物聯(lián)網(wǎng)模組與芯片作為關(guān)鍵器件將迎來爆發(fā)期，預(yù)計2020年國內(nèi)無線模組市場規(guī)模達(dá)到296億元，芯片市場規(guī)模達(dá)到338億元。而在這一市場，中國芯片企業(yè)表現(xiàn)不俗，比如紫光展銳便已在2019年發(fā)布了專為廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而打造的AIoT解決方案。 “新基建”驅(qū)動，5G下的百年汽車產(chǎn)業(yè)新生 5G所具有的大寬帶、低時延、高可靠等優(yōu)勢，也將助推自動駕駛的發(fā)展。在4G時代，過長的延時，會讓自動駕駛的汽車在遇到突發(fā)情況時，可能來不及反應(yīng)而釀成事故。而到了5G時代，這一挑戰(zhàn)將迎刃而解 通過5G的低延時，我們可以讓自動駕駛系統(tǒng)的反應(yīng)速度比人類還快。簡單來說，就是汽車搭載5G通信技術(shù)，其強(qiáng)大的傳輸速度將給汽車裝上了一雙眼睛，為汽車提供獲取周邊環(huán)境信息的交互渠道，它能讓自動駕駛的汽車像一個熟練的司機(jī)一樣從容應(yīng)對行車環(huán)境。同時，5G技術(shù)的商用，除了能夠使得自動駕駛等技術(shù)變得更容易實現(xiàn)之外，它還能對汽車內(nèi)部的智能交互帶來質(zhì)的飛躍。

圖4自動駕駛是汽車業(yè)的終極目標(biāo) 自動駕駛這項技術(shù)是依托各種設(shè)備搭配起來實現(xiàn)的，需要雷達(dá)、聲納和攝像頭這些設(shè)備配合，然后再通過系統(tǒng)分析，最后才能夠做出下一步指示。但是有了5G之后，汽車就可以打造一個實時的數(shù)據(jù)分析網(wǎng)絡(luò)，道路上的所有信息都能夠被包括在里面，然后通過計算車型的距離還有各方面的道路信息，讓自動駕駛變得更加的安全。 5G將能夠支持極低延遲能力，使控制器具有<1ms的反饋系統(tǒng)。車用SoC芯片是3GPP所定義的低延遲要求的關(guān)鍵驅(qū)動因素，但自動駕駛解決方案需要滿足高質(zhì)量、高可靠性和安全性等功能，它們都必須從設(shè)計之初便開始驗證，這使得IP核成為成功的關(guān)鍵途徑。 隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷演進(jìn)，將促使汽車逐步由機(jī)械式向電子式方向發(fā)展，采用的芯片顆數(shù)大增，代碼量也大幅上升，甚至超過 1 億行代碼。主控芯片市場規(guī)模有望快速成長， IHS預(yù)測， 2020 年汽車主控芯片市場規(guī)?？蛇_(dá) 40 億美元，因此傳統(tǒng)車用芯片廠商如恩智浦、英飛凌、瑞薩等均在積極拓展主控芯片市場，高通、英特爾等5G手機(jī)芯片巨頭亦希望通過收購相關(guān)芯片廠商獲取車載技術(shù)及渠道經(jīng)驗，實現(xiàn)在車聯(lián)網(wǎng)終端、平臺方面的突破。 5G芯片挑戰(zhàn)巨大，新思科技來助力 雖然5G激發(fā)了千行百業(yè)的創(chuàng)新，但無論是手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)還是汽車產(chǎn)業(yè)，每一個5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的背后都依賴芯片的賦能?？梢赃@么說，作為電子產(chǎn)業(yè)引擎的芯片，讓生活變得更加智能和自動化，并將最終讓萬物實現(xiàn)互連。 前面談過，5G芯片更復(fù)雜，功耗更大，并采用有大量新的高速接口，比如針對存儲就至少要采用UFS3.1起步，所以5G芯片技術(shù)創(chuàng)新離不開EDA工具和接口IP支持，作為全球EDA的領(lǐng)頭羊，新思科技（Synopsys）一直致力于推動包括5G技術(shù)在內(nèi)的所有新興技術(shù)的發(fā)展，新思科技已經(jīng)攜手包括各應(yīng)用領(lǐng)域巨頭在內(nèi)的眾多合作伙伴，共同推動生態(tài)圈的融合，與行業(yè) “聚力至遠(yuǎn)”。

新思科技DesignWare IP產(chǎn)品組合提供高速模擬前端(AFE)的可靠解決方案，并提供了經(jīng)過驗證的接口IP、安全I(xiàn)P以及高效處理能力，以滿足最先進(jìn)的5G芯片組設(shè)計需求。 作為下一代移動寬帶, 5G通過在毫米波頻譜中引入載波聚合、海量MIMO、高級調(diào)制和高帶寬信道而推動移動應(yīng)用數(shù)據(jù)吞吐量的大幅度增長。提高數(shù)據(jù)吞吐量會增加基帶、基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用處理器技術(shù)的復(fù)雜性。為了解決這些復(fù)雜性需求并滿足產(chǎn)品上市的截止時間要求，芯片設(shè)計人員正在針對處理器、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、存儲器和“芯片到芯片”接口、處理能力以及低功耗無線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、具有高級地址生成的XY存儲器，以及可選擇的定制擴(kuò)展指令集性，從而實現(xiàn)了NB-IoT或任何其他通信協(xié)議的高效實施。 5G芯片設(shè)計的復(fù)雜性，芯片開發(fā)人員需要額外的專業(yè)知識和資源。因此,設(shè)計人員比以往任何時候都更依賴于接口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注于產(chǎn)品差異化并滿足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“依原樣”集成到芯片中，或由設(shè)計團(tuán)隊進(jìn)行定制。

5G移動芯片的DesignWare IP

來源：新思科技官網(wǎng) IP子系統(tǒng)包括單控制器和PHY集成、多種協(xié)議的組合,及帶有處理器和軟件堆棧的完整子系統(tǒng)。新思科技采用最先進(jìn)的FinFET技術(shù)，提供了MIPI,、USB,、LPDDR、DDR,、PCle、高速多協(xié)議PHY等的最新標(biāo)準(zhǔn)。新思科技多協(xié)議PHY產(chǎn)品系列專門針對5G裝置,能夠為PCle, CCIX、 JESD204、以太網(wǎng)、CPRI等提供高質(zhì)量的信號完整性和先進(jìn)的電源管理功能。

用于5G基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施的DesignWare IP

用于5G物聯(lián)網(wǎng)的DesignWare IP