CEVA PentaG2作減法降低5G功耗 PentaG2自動處理數(shù)據(jù)平面

作者：Linley Gwennap

對于第二代 5G 基帶，CEVA 努力做減法，而不是加法。最初的 PentaG 設(shè)計已經(jīng)提速到 10Gbps，這是我們預(yù)計 5G 能達到的最高速度。因此，對于 PentaG2，公司專注于降低每比特能耗，限制耗熱量并幫助智能手機用戶延長電池續(xù)航時間。新設(shè)計還適合在筆記本電腦、平板電腦、手機熱點和車載通訊系統(tǒng)等產(chǎn)品中使用，而不局限于電話。它可以縮減到“精簡”配置，適合低數(shù)據(jù)速率設(shè)備，如資產(chǎn)跟蹤器、智能儀表和遠程傳感器。

CEVA 于 2018 年推出了 PentaG，至今，它仍然是唯一可獲授權(quán)的 5G 基帶設(shè)計，提供完整的第 1 層硬件和軟件。新版本通過增加硬件加速器，完全分流 DSP 的數(shù)據(jù)平面處理，從而提高原始版本的性能。與在軟件中運行等效功能相比，這類加速器的功耗更低。首批客戶已開始使用 PentaG2-Max 和 PentaG2-Lite 進行設(shè)計；預(yù)計今年晚些時候?qū)㈤_始試產(chǎn)芯片。生產(chǎn) RTL 一般在第三季度提供。

Unisoc 和 Samsung 已授權(quán)使用 CEVA 的 LTE 基帶，但尚無智能手機客戶宣布他們正在使用 PentaG。因此，DSP 許可方正在將其影響力擴展到手機之外，AutoTalks 和 Sequans 等供應(yīng)商已經(jīng)集成其 5G 設(shè)計。如圖 1 所示，非手機市場去年消費超過 5 億件，幾乎是手機市場的一半，預(yù)計 2026 年將接近 8 億。當(dāng)前設(shè)備大多數(shù)采用標準蜂窩調(diào)制解調(diào)器，但越來越多的設(shè)備使用低數(shù)據(jù)速率 LTE 協(xié)議，例如 1 類、M 類和 NB-IoT。PentaG2-Lite 面向 5G 低容量 (RedCap) 調(diào)制解調(diào)器，我們預(yù)計這將在本十年中期開始在某些設(shè)備中取代 1 類。

PentaG2 自動處理數(shù)據(jù)平面

原始 PentaG 配備多種硬件加速器，包括Polar和 LDPC 編解碼器、矢量乘法累加 (MAC) 引擎以及 FFT 和 DFT 加速器（請參閱 MPR 3/12/18，“CEVA PentaG 為 5G 基帶新增人工智能”）。盡管這些加速器分流了許多常見 5G 操作，但 DSP 軟件仍必須執(zhí)行數(shù)據(jù)平面。因此，基帶需要兩個高性能的 CEVA-XC4500 DSP 才能實現(xiàn) 10Gbps 的吞吐量。

圖 1：非手機設(shè)備出貨量（全球）。資產(chǎn)跟蹤器、車輛跟蹤器和智能儀表的增長將推動低數(shù)據(jù)速率 LTE 1 類、M 類和 NB-IoT 設(shè)備的出貨量增加。*包括平板電腦、熱點和 CPE；?僅限遠程通信。（數(shù)據(jù)來源：Techno Systems Research）

價格和可用性

● 最初的 PentaG2-Max 和 PentaG2-Lite RTL 面向領(lǐng)先客戶；CEVA 預(yù)計在 2022 年第三季度進行一般性 RTL 供貨。公司已預(yù)扣許可費。有關(guān)詳細信息，請訪問www.CEVA-dsp.com/product/CEVA-pentag。

對于 PentaG2，CEVA 設(shè)計了一組硬件單元，旨在執(zhí)行所有基本的 5G 數(shù)據(jù)平面功能。此結(jié)構(gòu)創(chuàng)建了一個自主數(shù)據(jù)平面，可直接處理來自射頻 (RF) 子系統(tǒng)的傳入數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流，或在傳輸數(shù)據(jù)時反向處理。這些單元在沒有軟件監(jiān)督的情況下將數(shù)據(jù)從一臺設(shè)備傳輸?shù)搅硪慌_設(shè)備；傳輸和接收單元甚至配備 DMA 引擎，可直接將數(shù)據(jù)移入和移出內(nèi)存。

為啟動解調(diào)（接收）流程，均衡器會均衡多達 64x64 元素的任何通道矩陣的頻率響應(yīng)。比特解調(diào)器通過執(zhí)行 QAM 解映射、最大似然解碼 (MLD)、解擾和解交織來將傳入符號轉(zhuǎn)換為比特。HARQ 單元會檢查數(shù)據(jù)包錯誤并指示何時需要重新傳輸。LDPC 和渦輪解碼器處理正向糾錯 (FEC)。傳輸流程與此流程相反，通過添加FEC 代碼，將比特流調(diào)制為 RF 前端符號。

客戶可以使用軟件對這些單元進行專有技術(shù)配置；他們可以更改數(shù)據(jù)流，甚至可以在軟件中執(zhí)行該功能時繞過單元。

圖 2：CEVA 的 PentaG2-Max。全新 5G 基帶在硬件中整合完整的調(diào)制器和解調(diào)器，分流軟件處理數(shù)據(jù)平面。AXI 矩陣連接所有單元。PentaG2-Lite 省略了虛線塊并縮減其他塊。

這種方法可充分降低使用硬件設(shè)備時的功耗，為客戶創(chuàng)造優(yōu)勢。

將 AI 用于 5G

如圖 2 所示，PentaG2-Max 包括單一的 XC DSP，除了信道跟蹤和波束管理等高級功能外，還可處理信道估計。它延續(xù)了原始 PentaG 的 AI 功能，運行一個小型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控信道狀態(tài)信息 (CSI)，并根據(jù)需要提供信道更改建議（例如切換到其他天線）。為了充分降低這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功耗，該設(shè)計內(nèi)置一個小型深度學(xué)習(xí)加速器 (DLA)，每秒可運行數(shù)十億次操作。在傳輸方面，XC DSP 在交付到硬件數(shù)據(jù)平面之前執(zhí)行序列生成。

兩個小型 CEVA-BX2 DSP 充當(dāng) PHY 控制器。三個 DSP 中的每一個都有自己的指令和數(shù)據(jù)內(nèi)存，然后它們共享更大的二級高速緩存?？蛻艨梢耘渲眠@些內(nèi)存的大小，甚至可以添加或刪除 DSP 內(nèi)核以滿足性能和功能要求。與 PentaG 一樣，DSP 可以訪問額外的卸載引擎：極性編碼器/解碼器（適用于 5G 控制信道上的 FEC），具有 64 個 MAC 單元的矢量協(xié)處理器，以及處理各種規(guī)模 FFT 和 DFT 的多基數(shù)轉(zhuǎn)換引擎。PentaG 大量使用矢量和轉(zhuǎn)換引擎，但新設(shè)計將其大部分工作負載轉(zhuǎn)移到硬件數(shù)據(jù)平面。

Lite 版本減少了能耗

雖然最初的 5G 規(guī)范目標是實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，但 3GPP 現(xiàn)在正在為低成本 5G 調(diào)制解調(diào)器制定規(guī)范。具體而言，即將發(fā)布的 Release 17 定義了限制數(shù)據(jù)速率以降低成本的 RedCap 設(shè)備（請參閱 MPR 2/14/22，“5G Release 17 簡化了 IoT 調(diào)制解調(diào)器”）。例如，大多數(shù) 5G 調(diào)制解調(diào)器必須處理 100MHz 信道，而 RedCap 調(diào)制解調(diào)器限制為 20MHz，帶寬與 LTE 相同。將支持的調(diào)制限制為 QAM-64 可進一步簡化 RedCap 設(shè)計，同時將最大數(shù)據(jù)速率保持在 85Mbps，約為 5G 峰值數(shù)據(jù)速率的 1%。

RedCap 是 LTE 1 類調(diào)制解調(diào)器的升級版，支持高達 10Mbps 的速率。LTE 1 類部署不斷增加，取代了較舊的 2G 和 3G 設(shè)備，連接速度更快且成本低廉。RedCap 可以處理高清視頻和其他數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序，例如支持視頻亭。

為滿足 5G RedCap 設(shè)計要求，PentaG2-Lite 的配置減少了數(shù)據(jù)平面加速器的芯片面積，從而匹配較低的數(shù)據(jù)速率。此外，它還縮減了共享高速緩存（提供 HARQ 緩沖區(qū)），并消除了三個 DSP 中的兩個，即 DLA 和矢量 MAC 單元，如圖 2 所示。其余的 BX2 DSP 不僅可以監(jiān)視數(shù)據(jù)平面，還可以運行整個 5G 協(xié)議堆棧。為了達到最大數(shù)據(jù)速率，PentaG-Max 需要額外的 CPU（例如，四核 Cortex-A55）來處理第 2 層協(xié)議。

為了進一步降低成本和功耗，LTE 定義了 M 類和 NB-IoT（請參見 MPR 8/31/15，“低速率 LTE 提供 IoT WAN”），支持低至 1.4MHz 的信道和低至 60kbps 的數(shù)據(jù)速率。雖然 3GPP 可能在 Release 18 中解決了這一問題，但初始 RedCap 調(diào)制解調(diào)器在此細分市場中不具競爭優(yōu)勢。同時，CEVA 推出 Dragonfly 基帶設(shè)計以支持這些小型設(shè)備（請參閱 MPR 7/9/18，“CEVA 升級 NB-IoT 平臺”）。

5G，低功耗

為了支持基帶設(shè)計，CEVA 提供了主數(shù)據(jù)和控制信道的完整參考代碼以及一些附加功能，例如信道估計。此代碼處理 LTE 和 5G Release 16，包括上行鏈路、下行鏈路以及主控制信道。獲授權(quán)廠商必須完成第 1 層軟件；他們還可以修改參考代碼以添加差異化功能，同時利用 CEVA 廣泛的 DSP 代碼庫和開發(fā)工具。供應(yīng)商還提供基帶模擬器模型和測試代碼。

PentaG 和新的 PentaG2 是市場上唯一可獲授權(quán)的 5G 基帶。CEVA 的主要競爭對手是內(nèi)部設(shè)計；Qualcomm 和 MediaTek 等公司有足夠的空間來創(chuàng)建自己的高速基帶，將現(xiàn)成的 CPU 和 DSP 與自定義硬件和軟件相結(jié)合。這些大型供應(yīng)商已經(jīng)做出 5G 選擇，因此競爭已經(jīng)結(jié)束。Qualcomm 也是 PC、汽車和類似應(yīng)用中高速蜂窩調(diào)制解調(diào)器的領(lǐng)先供應(yīng)商。

PentaG2-Max 為 CEVA 的智能手機客戶帶來了重大改進，增加了 Release 16 功能，同時顯著降低了功耗。它是原始 PentaG 的一次飛躍性改進，將許多數(shù)據(jù)平面功能從軟件遷移到硬件，以降低能耗。但是，它仍然保留了靈活性，以實現(xiàn)客戶差異化和兼容未來的 Release 17 擴展。隨著芯片供應(yīng)商改進其內(nèi)部基帶，CEVA 必須跟上獲授權(quán)廠商的步調(diào)。

借助 PentaG2-Lite，CEVA 有機會在現(xiàn)有 LTE 獲授權(quán)廠商和新公司之中擴大 IoT 客戶群。由于 IoT 市場的出貨量和價格較低，這些供應(yīng)商的收入比主要智能手機廠商要少得多，因此他們無法承受自己設(shè)計硬件的成本，更不用說設(shè)計完整的軟件堆棧。PentaG2-Lite 是一款完整但可定制的設(shè)計，非常適合這類客戶。盡管我們預(yù)計 Release 17 Red-Cap 調(diào)制解調(diào)器在 2025 年之后才會面市，但新的基帶設(shè)計為這一轉(zhuǎn)變奠定了基礎(chǔ)。