如何克服在5G时代下SoC设计所带来的巨大挑战？

2021-01-13

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当前，人工智能的浪潮席卷全球，5G时代也随之到来，现实社会与互联网空间加快融合，人机物正在进入万物互联、虚实结合、开放共享的智慧新时代。

实现万物互联需要无处不在的传感器、智能终端等源源不断的收集数据，又需要通过无处不在的物联网、互联网等基础设施进行数据传输，更快的网速是必须的，需要的流量将几十倍地增加。

5G的到来，从根本颠覆了“通信”这个概念，5G技术让通信的对象从人与人扩大到万物之间，实现了随时、随地的万物互连，让人类敢于期待与地球上的万物通过直播的方式无时差同步参与其中。

5G时代的到来

5G，就是第五代移动通信技术，拥有光纤般的接入速率，“零”时延的使用体验，千亿设备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等，超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，相比于4G，5G实现从质变到量变的飞跃，开启万物广泛互联、人机深度交互的新时代，成为新一轮科技革命和产业变革的驱动力。5G通讯向下兼容4G\3G\2G。

5G 拥有丰富的应用和趋势。其中，最具潜力的趋势有三个：增强型移动宽带 (eMBB)、超可靠低延迟通信 (URLLC) 和海量机器类通信 (mMTC)。

▲三大5G支柱的增长

从本质上讲，eMBB 可提供更加出色的移动数据连接。这包括使用固定无线接入与传统固定宽带竞争（如市场趋势中所述）。URLLC 将成为工业和医疗应用的关键。在这些应用中，出色的网络性能可以节约成本并挽救生命。而mMTC可使智能电网和智能城市等应用成为可能。这些应用需要出色的覆盖范围和大量连接能力，拥有改变我们生活方式的潜力。

据华为预测，到 2025 年，5G 将为全球 58% 的人口提供服务，而中国将成为全球最大的 5G 市场。5G及其管理机构3GPP对于将5G能力扩展到移动市场之外的领域抱有极高期望。

5G在流媒体视频、社交媒体等方面大大提高了手机的速度，5G也为进入许多新领域开辟了道路。其中包括低功耗物联网 (IoT) 应用，如资产跟踪、汽车与基础设施的自动连接、宽带互联网服务、有线电视服务等等。

可以说，5G已如箭在弦，正快速“射向”各行各业，促使越来越多的设备互连，而首批迎来东风的，便是手机、物联网、汽车等拥有一定发展基础的5G应用产业。IDC预测，5G设备的连接数量将从2019年的1000万台增加到2023 年的10.1亿台，2019-2023年的复合年增长率高达217.2%。

芯片设计的变化

在此基础上，芯片作为核心部件，需求正在大量提升。根据Statista数据，2019年全球5G芯片市场规模为10.3亿美元。预计到2025年市场规模将达到145.3亿美元，2019-2025年复合年增长率超过55%。

5G芯片可分为三类：AP芯片（应用处理器）、基带芯片、射频芯片。其中难度最高和最主要的是基带芯片，2G到5G标准一路提升一并兼容，需要的技术积累更多。

5G芯片的研发早在2016年以前就开始了，2008年NASA最早提出5G概念， 2014年全球主要运营商组成的下一代移动网络联盟（NGMN）宣布发起针对5G的全球项目。以高通、联发科、华为为代表的企业布局5G芯片的早期研究。

从2016到2018年，5G芯片逐步推进试用阶段，2016年10月，高通发布了X50 5G基带芯片。2018年，华为、联发科、三星、英特尔分别发布了支持NSA/SA组网的5G芯片。

2019年到2020年，5G芯片开启商用发展阶段，随着5G标准的确定，各个厂商5G基带技术不断成熟，开始有了第二代5G基带。

而据相关媒体分析，从2021年开始，5G芯片将进入全面发展阶段。随着5G商用化的深化发展，使得5G芯片在电信基站设备，智能手机/平板电脑，互联网汽车，互联网设备和宽带接入网关设备等领域应用普及，行业进入全面发展阶段。

5G对SoC的影响

在多年的发展中，5G芯片的设计也经历了不少变化。而这些变化，正是为了应对随着5G到来而衍生出的新问题。

首先是带宽，由于这是一种系统挑战，而不仅仅是无线技术挑战，因此，整个设备中的SoC 设计带宽非常重要。高带宽、基于标准的IP是5G SoC系统设计的关键部分。

其次是延迟方面，以缩短延迟的需求举例，当前的 5G 规范期望往返延迟短于 1ms。在 2019 年秋季推出的未来 6G 计划预计往返延迟为 10 微秒。虽然这可能比 SoC 中的某些内存访问操作的延迟高出几个数量级，但在依然如此低的延迟下，SoC 设计中的每个时钟周期都更加重要。

最后是功耗，为了扩展移动提供商的能力，为物联网提供服务，低功耗协议现已推出，例如 LTE-M 和 NB-IoT。这些协议需要新的处理解决方案、新的无线解决方案以及低功耗系统设计方法和 IP 能力，包括在接近阈值电压下运行、电压和频率缩放以及智能时钟门控。

在这方面，新思科技DesignWare IP产品组合提供了高速模拟前端(AFE)的可靠解决方案，并提供了经过验证的接口IP、安全IP以及高效处理能力，以满足最先进的5G芯片组设计需求。

为了满足诸多需求，这些 SoC必须容纳更高带宽和复杂通信能力的应用处理器。这些应用处理器可用于手机、AR/VR 耳机、无人机、摄像头、平板电脑、一体机以及许多其他消费类设备中。除了消费类设备外，基础设施也必须能够满足这些消费类设备的高密度要求，并将传入的数据转发到适当的目的地。这可能是另一个网络、本地设备、云数据中心或本地数据中心，对于这些应用，边缘计算将是支持未来分布式计算的基本趋势。所有这些趋势都需要升级 SoC，满足5G覆盖范围要求。

芯片设计人员正在针对处理器、接口、模拟和安全性等集成新的创新性IP。此外，5G在扩展到物联网的应用中，需要传感器、存储器和“芯片到芯片”接口、处理能力以及低功耗无线IP解决方案，而这些解决方案应当提供具有高可靠性的低延迟能力。

新思科技ARC EM9D处理器提供了定义明确的DSP指令集、具有高级地址生成的XY存储器，以及可选择的定制扩展指令集性，从而实现了NB-IoT或任何其他通信协议的高效实施。5G芯片设计的复杂性，使得芯片开发人员需要额外的专业知识和资源。因此,设计人员比以往任何时候都更依赖于接口IP的DesignWareIP产品组合，集中关键的内部资源能够使他们专注于产品差异化并满足5G的需求。

除基于标准的单控制器和PHY接口IP外，新思科技还提供可配置的预验证DesignWare接口IP子系统。这些IP子系统提供了完整、复杂的功能，可随时“依原样”集成到芯片中，或由设计团队进行定制。

深入应用场景的5G

具体到应用领域方面，5G对于不同的应用场景也会提出不同的要求。

首先是移动处理器。5G的目标是提供与当前有线家庭宽带解决方案相竞争的速度。为了做到这一点，3GPP更新了多项规范，这些更新注重更高带宽、更多信道聚合和大规模天线阵列等方面的升级。为了适应这种高吞吐量，SoC设计必须集成多个要素，包括复杂的基带处理、高速模拟 IP 和支持最新高速标准以及安全性的接口IP。

▲全球蜂窝物联网通信部署

这一现状大幅增加了基带、基础架构和应用处理器技术的复杂程度，形成了对新型创新 IP 的需求，以期解决这一复杂性问题。新思科技的 DesignWare® IP 产品组合提供了可靠的解决方案，从高速模拟前端到先进 FinFET 技术和处理解决方案中采用的久经验证的接口 IP，可满足最先进 5G 芯片组设计的需求。

在5G物联网方面，为了将移动无线技术扩展到更多设备，3GPP 定义了更低带宽、简化的通信协议，例如 NB-IoT 和 LTE-M，以满足物联网的低功耗和低成本要求。低功耗基带处理对于无线物联网应用至关重要。鉴于5G的复杂性，在使用基带调制解调器时，越来越多的设计团队选择开发可编程且针对任务而优化的内核 / 加速器，因为这些内核 / 加速器具有超低的功耗和尺寸，提供了很高的计算吞吐量，可以满足设备的确切要求。

新思科技提供种类齐全的 IP 产品组合，能够满足 IoT SoC 设计的特定要求。此类设计包括硅验证有线和无线 IP、数据转换器、安全 IP、低功耗嵌入式存储器和逻辑库、节能处理器芯核和集成式 IP 子系统。

在5G 汽车 (V2X)方面，5G 将支持极低延迟能力，使控件的反馈系统延迟短于 1ms。这需要依靠创新的 IP 解决方案来实现。汽车 SoC 是 3GPP 定义的低延迟要求的关键驱动要素。但是，汽车解决方案需要高质量、高可靠性和安全性，必须从一开始就经过验证，从而使 IP 成为成功的关键途径。

新思科技的质量和可靠性标准使汽车 SoC 设计人员在使用最新接口 IP、处理器 IP、嵌入式存储器和逻辑库，在主流和高级流程节点开发复杂 SoC 时充满信心。经 ISO 9001 认证的 DesignWare IP 质量管理系统实施 IATF 16949 标准的适用条款，以支持其他严格的汽车质量要求。

总结

5G通常被视为是一系列最高级技术的大荟萃，如增加系统带宽，降低 SoC 延迟以及显著降低物联网的功耗等，为下一代SoC的设计带来了多方面的挑战。

要将 5G 推向市场，在最重要的工艺技术节点使用基于标准的可信IP和经过验证的处理以及模拟IP必不可少。在这方面，新思科技为5G实施提供了最全面的IP产品组合，让5G芯片设计变得更加简单。

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