5G兴，FPGA王？
2019-09-05
阅读数：
5G无疑是当下电子行业都在期待的一场盛宴。在“5G改变世界”的宏大愿景下，大家都希望能够搭上“顺风车”，开启新一轮的高速增长。
在半导体行业中，很多迹象表明FPGA将成为支撑5G的一种关键的计算架构，甚至有人断言“5G兴，FPGA王”，认为FPGA将成为5G信号处理中占据统御地位的“王者”。
这样的说法从何而来？靠不靠谱儿？我们今天不妨一起来看看。
5G的新挑战
作为人类在移动通信领域的巅峰之作，5G在实现各种性能和功能上突破的同时，确实也带来了诸多挑战。比较突出的有以下三个方面：
- 首先，无线电管理的复杂性增加。为了满足在紧张的频谱资源下高速率的需求，5G采用Massive MIMO，这就需要更为先进的波束成形算法，势必增加无线电管理方面的复杂性。
- 其次，是如何管理前传带宽（Fronthaul BW）。在4G CPRI协议的基础上，5G又引入了XRAN、eCPRI、ETH等协议，要实现多协议支持，达到“融合接入”，需要足够的带宽，同时要有冗余设计资源来支持不断演进的5G协议。
- 第三，回传吞吐量增加了实时处理压力。5G回传吞吐量将是4G的10倍以上，这样大的数据量，对后续处理能力提出更高的要求。
如果我们对上述的挑战做进一步的解读，将其“翻译”为对5G信号处理和计算平台的要求，可以归纳为以下几点：
- 5G系统更为复杂，需要更为强劲的算力支持；
- 同时又要满足体积、功耗、成本等方面的约束；
- 需要有灵活的可配置性，应对协议的发展和算法的迭代；
- 还需要以更智能的方式，根据不同场景自适应调节，提升处理效率。
根据这样的标准去对标，FPGA确实是一种非常合适的技术，如果能够在此基础上，根据5G的需求做进一步地优化，最终定义出更有针对性的平台化产品，FPGA离“王者”的位置也就会更近一步。
RF SoC平台
实际上对于这样的挑战和机遇，FPGA厂商早就有所体认，而且几年前就已经开始行动了。其中Xilinx公司2017年推出的RFSoC，就是最典型和成功的范例。
顾名思义，RFSoC不是一个单纯的可编程逻辑器件，而是一个集成了多种功能模块的异构平台。一种更通俗的理解就是，Zynq FPGA SoC是Xilinx推出的一个Arm+FPGA的异构平台，RFSoC则是在Zynq的基础上进一步集成了高性能的ADC和DAC，以及其他专用的功能电路模块，构成了一个面向5G的专用计算平台。
图1，Xilinx RFSoC平台路线图（图片来源：Xilinx）
这样的新架构带来的最直接的好处就是系统功耗和体积上的优化，根据Xilinx提供的数据，通过用集成直接RF采样技术取代分立数据转换器（ADC和DAC），RFSoC可削减50-75% 的功耗和封装尺寸，让5G高带宽、小体积的方案探索更为顺畅。与此同时，这种编程平台带来的灵活性也是不言而喻的，它减少了人们在5G部署初期由于不确定性而带来的犹疑。
随着5G商用进程的加速，RFSoC在短短两年的时间里，已经连续推出了三代产品。按照规划，于2019年下半年上市的第三代RFSoC，将支持8个或16个10.0GS/S DAC，以及8个5.0GS/S或16个2.5GS/S ADC，可对6GHz以下频段直接RF采样提供全面支持，功耗也将进一步降低20%。
图2. 第三代RFSoC平台系统框图（图片来源：Xilinx）
引入AI
不过，对照未来5G的技术需求，目前的RFSoC还不尽完美，所以在Xilinx的蓝图中下一代RFSoC的开发已经启动。第四代RFSoC中一个最核心的目标就是，在无线电中增加机器学习等推断技术，将人工智能技术（AI）引入其中，这样就可以根据网络和用户的情况作出智能地判断，作出最“恰当”的反应，以最大化信号处理资源的使用效率。
比如想让Massive MIMO的波束成形算法更有效，可以用机器学习算法根据用户的行为来优化波束成形的技术，预测什么时候什么样的用户会加入某个片区网络，预先分配一个波束给用户，实现更精准的波束投放。
然而实现这种构想，现有的计算平台是不足以胜任的，这就需要仰仗Xilixn全新的ACAP（Adaptive Compute Acceleration Platform，自适应计算加速平台）架构。ACAP基于最新的7nm半导体工艺，这款高度集成的多核异构计算平台中集成了标量引擎（CPU）、自适应引擎（FPGA）和智能引擎（矢量处理器）等多种计算架构，能根据各种应用中工作负载的不同需求对硬件层进行灵活配置。
图3，Versal ACAP功能框图（图片来源：Xilinx）
被称为Versal AI RF的新一代RFSoC就将建立在这样一个平台上，按照Xilinx的测算，AI的核心引擎可以把无线电的算法和AI算法结合在一起，相比现有基于16nm技术的平台，新方案可以将速度性能提高5倍。这样对5G信号处理的支持无疑会更给力，让开发者信心倍增。
可以说，通信行业是FPGA传统的主流应用市场，随着5G的兴起，FPGA也一定会迎来新一波的发展浪潮。但是是否真正能够达到“5G兴，FPGA王”的境界，将标题中的问号变成叹号，除了市场机会，也是事在人为。对市场的洞察、技术上的积淀，以及产品设计上的巧思……诸力叠加，才能够获得5G盛宴的VIP入场券。在这方面，Xilinx的RFSoC已经用实力证明，Ta确实是一个不容忽视的“人选”。
