深入應(yīng)用場景的5G 為下一代SoC的設(shè)計做準(zhǔn)備

當(dāng)前，人工智能的浪潮席卷全球，5G時代也隨之到來，現(xiàn)實社會與互聯(lián)網(wǎng)空間加快融合，人機物正在進(jìn)入萬物互聯(lián)、虛實結(jié)合、開放共享的智慧新時代。

實現(xiàn)萬物互聯(lián)需要無處不在的傳感器、智能終端等源源不斷的收集數(shù)據(jù)，又需要通過無處不在的物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，更快的網(wǎng)速是必須的，需要的流量將幾十倍地增加。

5G的到來，從根本顛覆了“通信”這個概念，5G技術(shù)讓通信的對象從人與人擴大到萬物之間，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。

5G時代的到來

5G，就是第五代移動通信技術(shù)，擁有光纖般的接入速率，“零”時延的使用體驗，千億設(shè)備的連接能力，超高流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動性等，超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，相比于4G，5G實現(xiàn)從質(zhì)變到量變的飛躍，開啟萬物廣泛互聯(lián)、人機深度交互的新時代，成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的驅(qū)動力。5G通訊向下兼容4G3G2G。

5G 擁有豐富的應(yīng)用和趨勢。其中，最具潛力的趨勢有三個：增強型移動寬帶 （eMBB）、 超可靠低延遲通信 （URLLC） 和海量機器類通信 （mMTC）。

從本質(zhì)上講，eMBB 可提供更加出色的移動數(shù)據(jù)連接。這包括使用固定無線接入與傳統(tǒng)固定寬帶競爭（如市場趨勢中所述）。URLLC 將成為工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的關(guān)鍵。在這些應(yīng)用中，出色的網(wǎng)絡(luò)性能可以節(jié)約成本并挽救生命。而mMTC可使智能電網(wǎng)和智能城市等應(yīng)用成為可能。這些應(yīng)用需要出色的覆蓋范圍和大量連接能力，擁有改變我們生活方式的潛力。

據(jù)華為預(yù)測，到 2025 年，5G 將為全球 58% 的人口提供服務(wù)，而中國將成為全球最大的 5G 市場。5G及其管理機構(gòu)3GPP對于將5G能力擴展到移動市場之外的領(lǐng)域抱有極高期望。

5G在流媒體視頻、社交媒體等方面大大提高了手機的速度，5G也為進(jìn)入許多新領(lǐng)域開辟了道路。其中包括低功耗物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用，如資產(chǎn)跟蹤、汽車與基礎(chǔ)設(shè)施的自動連接、寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、有線電視服務(wù)等等。

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、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)。IDC預(yù)測，5G設(shè)備的連接數(shù)量將從2019年的1000萬臺增加到2023 年的10.1億臺，2019-2023年的復(fù)合年增長率高達(dá)217.2%。

芯片設(shè)計的變化

在此基礎(chǔ)上，芯片作為核心部件，需求正在大量提升。根據(jù)Statista數(shù)據(jù)，2019年全球5G芯片市場規(guī)模為10.3億美元。預(yù)計到2025年市場規(guī)模將 達(dá)到145.3億美元，2019-2025年復(fù)合年增長率超過55%。

5G芯片可分為三類：AP芯片（應(yīng)用處理器）、基帶芯片、射頻芯片。其中難度最高和最主要的是基帶芯片，2G到5G標(biāo)準(zhǔn)一路提升一并兼容，需要的技術(shù)積累更多。

5G芯片的研發(fā)早在2016年以前就開始了，2008年NASA最早提出5G概念， 2014年全球主要運營商組成的下一代 移動網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（NGMN）宣布發(fā)起針對5G的全球項目。以高通、聯(lián)發(fā)科、華為為代表的企業(yè)布局5G芯片的早期研究。

從2016到2018年，5G芯片逐步推進(jìn)試用階段，2016年10月，高通發(fā)布了X50 5G基帶芯片。2018年，華為、聯(lián)發(fā)科、三星、 英特爾分別發(fā)布了支持NSA/SA組網(wǎng)的5G芯片。

2019年到2020年，5G芯片開啟商用發(fā)展階段，隨著5G標(biāo)準(zhǔn)的確定，各個廠商5G基帶技術(shù)不斷成熟，開始有了第二代5G基帶。

而據(jù)相關(guān)媒體分析，從2021年開始，5G芯片將進(jìn)入全面發(fā)展階段。隨著5G商用化的深化發(fā)展，使得5G芯片在電信基站設(shè)備，智能手機/平板電腦，互聯(lián)網(wǎng)汽車，互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和寬帶 接入網(wǎng)關(guān)設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用普及，行業(yè)進(jìn)入全面發(fā)展階段。

5G對SoC的影響

在多年的發(fā)展中，5G芯片的設(shè)計也經(jīng)歷了不少變化。而這些變化，正是為了應(yīng)對隨著5G到來而衍生出的新問題。

首先是帶寬，由于這是一種系統(tǒng)挑戰(zhàn)，而不僅僅是無線技術(shù)挑戰(zhàn)，因此，整個設(shè)備中的SoC 設(shè)計帶寬非常重要。高帶寬、基于標(biāo)準(zhǔn)的IP是5G SoC系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵部分。

其次是延遲方面，以縮短延遲的需求舉例，當(dāng)前的 5G 規(guī)范期望往返延遲短于 1ms。在 2019 年秋季推出的未來 6G 計劃預(yù)計往返延遲為 10 微秒。雖然這可能比 SoC 中的某些內(nèi)存訪問操作的延遲高出幾個數(shù)量級，但在依然如此低的延遲下，SoC 設(shè)計中的每個時鐘周期都更加重要。

最后是功耗，為了擴展移動提供商的能力，為物聯(lián)網(wǎng)提供服務(wù)，低功耗協(xié)議現(xiàn)已推出，例如 LTE-M 和 NB-IoT。這些協(xié)議需要新的處理解決方案、新的無線解決方案以及低功耗系統(tǒng)設(shè)計方法和 IP 能力，包括在接近閾值電壓下運行、電壓和頻率縮放以及智能時鐘門控。

在這方面，新思科技DesignWare IP產(chǎn)品組合提供了高速模擬前端（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。

為了滿足諸多需求，這些 SoC必須容納更高帶寬和復(fù)雜通信能力的應(yīng)用處理器。這些應(yīng)用處理器可用于手機、AR/VR 耳機、無人機、攝像頭、平板電腦、一體機以及許多其他消費類設(shè)備中。除了消費類設(shè)備外，基礎(chǔ)設(shè)施也必須能夠滿足這些消費類設(shè)備的高密度要求，并將傳入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到適當(dāng)?shù)哪康牡?。這可能是另一個網(wǎng)絡(luò)、本地設(shè)備、云數(shù)據(jù)中心或本地數(shù)據(jù)中心，對于這些應(yīng)用，邊緣計算將是支持未來分布式計算的基本趨勢。所有這些趨勢都需要升級 SoC，滿足5G覆蓋范圍要求。

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，使得芯片開發(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。

深入應(yīng)用場景的5G

具體到應(yīng)用領(lǐng)域方面，5G對于不同的應(yīng)用場景也會提出不同的要求。

首先是移動處理器。5G的目標(biāo)是提供與當(dāng)前有線家庭寬帶解決方案相競爭的速度。為了做到這一點，3GPP更新了多項規(guī)范，這些更新注重更高帶寬、更多信道聚合和大規(guī)模天線陣列等方面的升級。為了適應(yīng)這種高吞吐量，SoC設(shè)計必須集成多個要素，包括復(fù)雜的基帶處理、高速模擬 IP 和支持最新高速標(biāo)準(zhǔn)以及安全性的接口IP。

這一現(xiàn)狀大幅增加了基帶、基礎(chǔ)架構(gòu)和應(yīng)用處理器技術(shù)的復(fù)雜程度，形成了對新型創(chuàng)新 IP 的需求，以期解決這一復(fù)雜性問題。新思科技的 DesignWare? IP 產(chǎn)品組合提供了可靠的解決方案，從高速模擬前端到先進(jìn) FinFET 技術(shù)和處理解決方案中采用的久經(jīng)驗證的接口 IP，可滿足最先 進(jìn) 5G 芯片組設(shè)計的需求。

在5G物聯(lián)網(wǎng)方面，為了將移動無線技術(shù)擴展到更多設(shè)備，3GPP 定義了更低帶寬、簡化的通信協(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。低功耗基帶處理對于無線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用至關(guān)重要。鑒于5G的復(fù)雜性，在使用基帶調(diào)制解調(diào)器時，越來越多的設(shè)計團(tuán)隊選擇開發(fā)可編程且針對任務(wù)而優(yōu)化的內(nèi)核 / 加速器，因為這些內(nèi)核 / 加速器具有超低的功耗和尺寸，提供了很高的計算吞吐量，可以滿足設(shè)備的確切要求。

新思科技提供種類齊全的 IP 產(chǎn)品組合，能夠滿足 IoT SoC 設(shè)計的特定要求。此類設(shè)計包括硅驗證有線和無線 IP、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、安全 IP、低功耗嵌入式存儲器和邏輯庫、節(jié)能處理器芯核和集成式 IP 子系統(tǒng)。

在5G 汽車 （V2X）方面，5G 將支持極低延遲能力，使控件的反饋系統(tǒng)延遲短于 1ms。這需要依靠創(chuàng)新的 IP 解決方案來實現(xiàn)。汽車 SoC 是 3GPP 定義的低延遲要求的關(guān)鍵驅(qū)動要素。但是，汽車解決方案需要高質(zhì)量、高可靠性和安全性，必須從一開始就經(jīng)過驗證，從而使 IP 成為成功的關(guān)鍵途徑。

新思科技的質(zhì)量和可靠性標(biāo)準(zhǔn)使汽車 SoC 設(shè)計人員在使用最新接口 IP、處理器 IP、嵌入式存儲器和邏輯庫，在主流和高級流程節(jié)點開發(fā)復(fù)雜 SoC 時充滿信心。經(jīng) ISO 9001 認(rèn)證的 DesignWare IP 質(zhì)量管理系統(tǒng)實施 IATF 16949 標(biāo)準(zhǔn)的適用條款，以支持其他嚴(yán)格的汽車質(zhì)量要求。

總結(jié)

5G通常被視為是一系列最高級技術(shù)的大薈萃，如增加系統(tǒng)帶寬，降低 SoC 延遲以及顯著降低物聯(lián)網(wǎng)的功耗等，為下一代SoC的設(shè)計帶來了多方面的挑戰(zhàn)。

要將 5G 推向市場，在最重要的工藝技術(shù)節(jié)點使用基于標(biāo)準(zhǔn)的可信IP和經(jīng)過驗證的處理以及模擬IP必不可少。在這方面，新思科技為5G實施提供了最全面的IP產(chǎn)品組合，讓5G芯片設(shè)計變得更加簡單。
編輯：hfy