4G無(wú)線技術(shù)：SoC架構(gòu)在演進(jìn)還是轉(zhuǎn)折？

　　幾乎神話般的第四代無(wú)線業(yè)務(wù) 4G 可能是考慮全新 SoC（單片系統(tǒng)）架構(gòu)的起源?；蛘?，它只是會(huì)推動(dòng)今天基帶無(wú)線 IC 的一次簡(jiǎn)單演化。它可能導(dǎo)致對(duì)消費(fèi)客戶的全新類型移動(dòng)服務(wù)，也可能僅僅能更好地處理你的電子郵件。4G 的龐大工程挑戰(zhàn)可能在 2015 年前成為現(xiàn)實(shí)，也可能發(fā)生在今后數(shù)年內(nèi)。

　　要理解 4G 可能對(duì) SoC 設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響，就必須深究一下人們使用這個(gè)詞匯的意義，了解一些有關(guān)這種業(yè)務(wù)支持的計(jì)算挑戰(zhàn)，并聽(tīng)聽(tīng)一些系統(tǒng)架構(gòu)師如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

　　有關(guān) 4G 影響的很多不同觀點(diǎn)都是一個(gè)來(lái)源：缺乏清晰的定義。德州儀器公司無(wú)線首席技術(shù)官 Bill Krenik 警告說(shuō) ：“我們必須由定義開(kāi)始。因?yàn)閲@名詞存在大量的爭(zhēng)議與混亂，已經(jīng)使它幾乎失去了意義。”

　　Krenik 說(shuō)，很多人都認(rèn)為 4G 表示一種到處存 
在無(wú)線連接的新世界，真正在任意時(shí)刻和任何地點(diǎn)，并且意味著這種連接可以支持交互、基于地點(diǎn)以及豐富媒體的服務(wù)。假想你走在一個(gè)不熟悉城市的街道上，手里抓著手機(jī)，看著它實(shí)時(shí)地連續(xù)顯示出前方街道的運(yùn)動(dòng)圖像以及地圖數(shù)據(jù)、建筑物標(biāo)記以及感興趣的地點(diǎn)、到達(dá)目標(biāo)的路徑，以及你的地址薄中人員的位置。或再想像一下，同一部手機(jī)還能把城市的街道變成一個(gè)多人視頻游戲，你與其它游戲玩家的化身、三維怪獸和武器競(jìng)逐爭(zhēng)斗，并能表現(xiàn)出虛擬搏斗的逼真損傷圖像。

　　還有一些人通常把 4G 看成更具體的詞匯，這些人必須實(shí)現(xiàn)該名詞下的系統(tǒng)。Krenik 解釋說(shuō)：“在 TI，我們不會(huì)試圖給 4G 下一個(gè)教條定義，而是更愿意用各種真實(shí)的技術(shù)名詞：HSPA+（高速分組接入 plus）、WiMax、LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）。到 3G 時(shí)美國(guó)提出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，而其它所有事情都還只是意見(jiàn)?！彼^續(xù)說(shuō)，最好有一個(gè)組織，負(fù)責(zé)推廣 GSM （全球移動(dòng)系統(tǒng)）通信的部署以及向 3G 的演進(jìn)。

　　其它工程師則持有一種更定量的觀點(diǎn)。Nokia Siemens Neetworks的高級(jí)射頻產(chǎn)品經(jīng)理Alan Brown說(shuō)，這些工程師在定義LTE時(shí)同時(shí)推進(jìn) 3GPP（第三代伙伴項(xiàng)目）方案，他們將4G構(gòu)想成“對(duì)移動(dòng)設(shè)備有100Mbps 峰值流量，對(duì)筆記本電腦等設(shè)備有1Gbps 峰值。”每種觀點(diǎn)都對(duì)實(shí)現(xiàn)4G 手機(jī)的基帶SoC提出了不同的期望。

　　發(fā)展基帶 SoC

　　從最簡(jiǎn)單的預(yù)期開(kāi)始（即 LTE 的預(yù)想），移動(dòng)設(shè)備將以某種方式實(shí)現(xiàn)至少 100 Mbps 的峰值下載鏈路數(shù)據(jù)速率。飛思卡爾半導(dǎo)體公司副總裁兼高級(jí)研究員 Ken Hansen 說(shuō)：“它要求的基帶在功能上與我們今天用于 UMTS（全球移動(dòng)電信系統(tǒng)）的基本上沒(méi)有區(qū)別。”功能塊包括用于采樣率功能的硬件加速器、執(zhí)行 MAC（介質(zhì)訪問(wèn)控制）的 CPU 核、一個(gè)安全引擎，以及一個(gè)主控接口。

　　來(lái)自射頻的采樣速率數(shù)據(jù)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)一些前端數(shù)字處理，進(jìn)入一個(gè) FFT（快速傅里葉變換）引擎，它將 OFDM（正交頻分復(fù)用）信號(hào)分離成多個(gè)組成頻段。然后頻域信號(hào)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步數(shù)字調(diào)整，進(jìn)入一個(gè)檢波器，檢波器對(duì)每個(gè)載波上的 64 QAM（正交幅度調(diào)制）信號(hào)作解碼，從每個(gè)有效載波中生成一個(gè)符號(hào)。這些符號(hào)用增強(qiáng)的解碼進(jìn)行壓縮。

　　在這種架構(gòu)中，3G 與 4G 之間的區(qū)別在于量的差異，而不是種類。高通公司 CDMA 技術(shù)產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān) Peter Carson 指出：“在 3G 時(shí)，我們每赫茲帶寬提取大約 1 bps。要實(shí)現(xiàn) 100Mbps 的流量，4G 基帶必須做得遠(yuǎn)好于它：在更寬的頻段上至少每赫茲提取 3 bps 或 4 bps?！?/P>

　　實(shí)際應(yīng)用中，這種情況意味著在一個(gè) 20 MHz 信道上分布著更多的載波頻率，如與 UMTS 900 使用的 5 MHz 信道相比。這也可能意味著在 MIMO（多輸入/多輸出）結(jié)構(gòu)中使用多根天線。今天，MIMO結(jié)構(gòu)通常用于信道均衡：找到一種將兩根天線信號(hào)組合在一起的方法，以獲得最好的接收效果。但4G還有一些其它東西：用波束形成算法，使每對(duì)基站天線和接收機(jī)天線成為一個(gè)獨(dú)立信道，這樣能使有效帶寬倍增。Hansen 說(shuō)：“研究表明，在多接收機(jī)情況下，可以用兩根天線獲得1.75倍的數(shù)據(jù)速率?！?/P>

　　所有這些功能都需要硅片。較高的采樣率和更寬的信道意味著一個(gè)更大、更耗電的ADC，以及一個(gè)更快、更寬的FFT引擎。但最大問(wèn)題來(lái)自于提供一個(gè)100Mbps峰值流量的要求，這意味著更快的符號(hào)速率處理器、大量?jī)?nèi)存，以及一個(gè)用于MAC的更快處理器。Hansen說(shuō)：“我們看到進(jìn)入MAC的10倍數(shù)據(jù)速率，而某些事務(wù)的允許延遲只有1/10。但考慮功耗因素，MAC必須運(yùn)行在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于碼率的頻率上。這個(gè)問(wèn)題很有意思?！?/P>

       高通公司的Carson表示同意。“峰值數(shù)據(jù)速率直接轉(zhuǎn)化為芯片尺寸。架構(gòu)師必須自問(wèn)的一件事：設(shè)定的峰值數(shù)據(jù)速率與所需芯片尺寸是否與網(wǎng)絡(luò)實(shí)際提供的平均數(shù)據(jù)速率相適應(yīng)?！?/P>

　　如果對(duì)芯片成本有足夠的惰性，則可以改進(jìn)這種速率的基帶架構(gòu)。Carson 稱高通當(dāng)前的 Snapdragon 架構(gòu)仍然可以完美地應(yīng)對(duì)擴(kuò)展至 30Mbps～40Mbps的峰值數(shù)據(jù)速率。這個(gè)速度并不滿足 LTE 規(guī)范，但 LTE 遲些才會(huì)出現(xiàn)，有些人稱它為晚期的演進(jìn)，這可能使 32 nm CMOS 工藝有時(shí)間跳出這個(gè)架構(gòu)。

        非演進(jìn)式設(shè)計(jì)

　　演進(jìn)架構(gòu)的第一個(gè)挑戰(zhàn)來(lái)自于 MIMO。Infineon Technologies AG 的通信業(yè)務(wù)集團(tuán)功能電話業(yè)務(wù)單位的 Thuyen Le 博士解釋說(shuō)：“MIMO 用于提高無(wú)線鏈路的質(zhì)量。一種思想是用它作發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的分集，以防止衰減。另一種思路是將衰減用于空間復(fù)用，這樣就允許通過(guò)多個(gè)發(fā)射天線，同時(shí)傳輸獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，因而增加了用戶的數(shù)據(jù)速率。不過(guò)這種方法取決于 
信道矩陣的情況是否良好。因此，根據(jù)兩種想法，我認(rèn)為實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率必須使用 MIMO?！?/P>

　　過(guò)去空中接口設(shè)計(jì)者要采用一對(duì)接收天線來(lái)改善信道均衡，現(xiàn)在他們轉(zhuǎn)向空間分集復(fù)用，建立多個(gè)實(shí)際信道，這樣，重復(fù)的射頻部分硬件數(shù)就大大增加。每個(gè)天線都需要自己的模擬前端和數(shù)字前端，而射頻也需要為更多數(shù)字基帶復(fù)制或增加流量（圖 1）。這種要求本身并不強(qiáng)求架構(gòu)創(chuàng)新（只是非常類似），但還有功耗問(wèn)題。

　　所有 4G 架構(gòu)都有一個(gè)局限因素，即射頻部分必須在當(dāng)前功耗水平下處理 10 倍的峰值數(shù)據(jù)速率，騰出的電量用于能耗大大增加的應(yīng)用級(jí)處理。研究公司 Forward Concepts 總裁 Will Strauss 估計(jì)，一部 4G 手機(jī)的計(jì)算功率最終將是當(dāng)前 3G 手機(jī)的 100 倍。Strauss 認(rèn)為：“所有人的最大希望都在 32 nm 工藝上，但現(xiàn)實(shí)是新工藝的能耗并沒(méi)有下降這么多。你在動(dòng)態(tài)功耗上獲得好處，就要付出泄漏功耗的代價(jià)。這可能涉及到尋找新穎的架構(gòu)和電源管理方法，否則就要隨身備一塊手機(jī)電池。”

　　還有其它因素也驅(qū)使人們考慮新穎的架構(gòu)。這就是前面所說(shuō)到的，一是簡(jiǎn)單表述一個(gè)峰值數(shù)據(jù)速率（如 LTE 規(guī)范），另外則是想象一種新的手機(jī)使用方法（如很多正在向投資商宣講 4G 的很多空想家），它們之間是不同的。

　　暢想未來(lái)

　　IMEC（大學(xué)間微電子中心）科學(xué)總監(jiān) Liesbet Van der Perre 稱：“無(wú)疑現(xiàn)在還沒(méi)有 4G 的明確定義。但我相信，我們應(yīng)該是在談?wù)撘粋€(gè)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，它較現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)能支持更高的移動(dòng)性和數(shù)據(jù)速率。今天，如果是真正的移動(dòng)應(yīng)用，速度不會(huì)超過(guò) 2 Mbps，但 4G 應(yīng)意味著10Mbps~20Mbps的實(shí)際流量。對(duì)良好的視頻，至少要穩(wěn)定的 10Mbps，而不是峰值，例如，3G的缺點(diǎn)之一就是它無(wú)法為良好的視頻提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)速率?！?/P>

　　Van der Perre 及其它研究者描述了一種環(huán)境，它比今天無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)的任何事情都更有活力。她評(píng)述說(shuō)：“今天，一家手機(jī)硅片供應(yīng)商面臨的情況是 30 個(gè)空中接口、多個(gè)非連續(xù)的信道，以及很多同時(shí)運(yùn)行、差異很大的業(yè)務(wù)。”但一家供應(yīng)商的手機(jī)只支持其中一個(gè)小小子集，這就大大簡(jiǎn)化了復(fù)雜性。

　　今后，為同時(shí)確保有足夠的連續(xù)帶寬（想象一下跟隨移動(dòng)手機(jī)的位置與方向而調(diào)整的實(shí)時(shí)視頻）和能效（總是選擇正好夠用的帶寬和用于當(dāng)前混合任務(wù)的編碼長(zhǎng)度），一種移動(dòng)設(shè)備可能要與多個(gè)供應(yīng)商作連續(xù)協(xié)議，所有這些都要一次同時(shí)使用多個(gè)基站的許多空中接口（圖 2）。突發(fā)數(shù)據(jù)、視頻流、控制信息和鍵盤與攝像頭的返回通道都可能實(shí)時(shí)地在不同服務(wù)上傳送并切換。例如，保持?jǐn)z像頭靜止，可以用 H.264 作運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，從而大大減少將其連接到游戲服務(wù)器所需的碼率。因此，這個(gè)動(dòng)作能使射頻控制器選擇一個(gè)有較低碼率的空中接口。

　　Van der Perre 稱，以這種世界觀，用今天的硬件處理流水線結(jié)合專用塊，就是一種中間的選擇。她發(fā)現(xiàn)了可以設(shè)定的相似處理器的模塊化、異質(zhì)簇，以及一個(gè)可配置互連網(wǎng)絡(luò)，它能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)處理器配置以及任務(wù)映射。在這一架構(gòu)中，主動(dòng)的能量管理技術(shù)也成為可能，包括快速的電壓/頻率調(diào)節(jié)、空閑部件的適度細(xì)粒度電源門控，以及算法在軟件與硬件之間的敏捷移動(dòng)。確實(shí)，這種方案可能是唯一一種滿足真正4G終端能效需求的方法，盡管采用了32nm CMOS工藝。

　　所有這些項(xiàng)目都在 IMEC 的各種研究項(xiàng)目中逐漸成形，也許這解釋了 Van der Perre的世界觀。但這遠(yuǎn)不是一種孤立的觀點(diǎn)，至少私下是這樣。各家公司都公開(kāi)表示自己專注基于流水線的硬件架構(gòu)，但只有一個(gè)頗有地位的業(yè)內(nèi)消息人士稱一些主要硅片供應(yīng)商都有深度介入、大規(guī)模投資的研究小組，正在探索4G平臺(tái)的大型多核架構(gòu)。

       多數(shù)大型多核架構(gòu)都有一個(gè)重要挑戰(zhàn)，但大型多核架構(gòu)在這里不是問(wèn)題：高碼率基帶處理中的大多數(shù)負(fù)荷正是業(yè)內(nèi)感覺(jué)為難的并行處理。僅靠分割數(shù)據(jù)方法難以分配任務(wù)。但設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵是系統(tǒng)控制、動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡，以及（也許是最重要的）能量管理工作，它們新穎而復(fù)雜。從這點(diǎn)看，4G 其實(shí)并不是革命性的，而是穩(wěn)步的前進(jìn)，在這個(gè)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者要將全新的實(shí)時(shí)嵌入式處理鍛造成形。