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造一颗5G相关芯片到底有多难?—帮帮策略

6月底,国家发放5G牌照,5G正式被提上日程。各地开始建设5G基础设施,一些集成电路厂商也随之享受到了利好,在最近刚出炉的全球TOP15半导体厂商中,就有联发科因5G芯片而杀入重围。须知樱桃好吃树难栽,5G能够驱动巨大的利益当然想要做成的难度就不会小。

在2019年9月4日召开的“5G与集成电路产业机遇”论坛上,来自中兴微电子有线产品中心规划总工王志忠先生,北京中科汉天下电子技术有限公司黄鑫副总裁、美光科技高级副总裁兼移动产品事业部总经理拉杰·塔鲁里以及紫光展锐市场高级市场总监钟宝星就5G的应用场景,5G的发展历程,5G芯片技术的挑战等话题发表了演讲。

“从1G到5G,是一部浩荡的移动通信史。”钟宝星总结道。其实1G之前,人类就有通讯。语言的出现、文字的出现、印刷术的出现,一系列信息革命导致了现在整个社会的沟通无障碍。从移动通信的技术上看, 4G的出现已经改变了我们的生活,而5G则将改变社会,5G时代的到来会让信息随心而至,万物触手可及。黄鑫称,对我国而言,1G是空白,2G是追赶,3G我们形成了局部突破,4G我们的TD-LTE和全球FD-LTE实现了并跑,未来5G将实现超越。

5G为什么会拥有改变社会的能力?拉杰·塔鲁里这样说道,5G技术几乎是将所有的设备联以及全球电子设备联系在了一起。5G比4G流通量更高,更快,甚至它的互联互通性是4G的5倍。

4G可以实现优步打车,在手机上看高清电影等功能,而5G不仅局限于手机,低延迟性让它不仅可以运用于医疗服务,还可以让机器与机器进行沟通交流。

5G可以帮我们打造智慧城市,让我们可以知道每座大楼里面的停车场以及整个城市交通的情况,让出行更加便利。

当然,5G对经济也有重大影响。拉杰·塔鲁里表示,由于5G得到流通,到2035年大概有12.3万亿的商品和服务,4.6%的全球产出都是由5G网络所带来的,同时会有2200万的就业岗位。

5G是人类历史上最野心勃勃的通信革命,它让物与人,物与物有了更加全面的连接。eMBB(增强型移动宽带)、mMTC(海量机器类通信)及uRLLC(超可靠、低时延通信)是5G 的三大应用场景。

eMBB是面向以人为中心的娱乐、社交、适用于高速率、大带宽的移动宽带业务,mMTC主要满足海量物联的通信需求,面向以传感和数据采集为目标的应用场景。uRLLC是基于低延时和高可靠的特点,面向垂直行业的特殊应用需求。

正如王志忠所说,5G承载网络的新特性便来自与这些新的应用场景,包括eMBB带来的海量机器连接、高可靠性和DA值,以及数据算力包括延时、能量密度、能量效率等。

5G带来了不同应用场景的数据,这些数据带来一些端跟云之间的变化,让端和云之间的沟通更紧密,更及时。王志忠也表示 5G的网络架构从整个架构层面看,跟传统的网络架构是没有太大区别,主要是技术点上,可能是有一些创新,还是分三个部分,一部分是接入平面,第二控制平面,还有一个是转化平面。

王志忠这样说道,要谈5G芯片的设计挑战,得从两个维度来说。一个是基础的设计层面,还有一个是新需求,新架构层面。

就基础的设计层面来说,也不一定是5G网络或者5G芯片才出现的问题。通常包括高速接口,因为我们现在看到56G甚至128G都是在设计或者即将商用。现在SERDES的设计难度,本身延高、延宽都非常少,因此抖动、噪音都带来了很大设计上的难度。看一下技术的演进趋势,56G在商用阶段,112G未来两三年也会商用。随着设计难度的增加,后面的SERDES里面,他们会成为主流,主要作用是增强均衡的效果。另外PZB的设计可能难度越来越大,所以全球互联方案可能也会逐步应用。

还有大规模的芯片,王志忠说道。前段时间有公司展示了其超大芯片,这个芯片能不能商用还很难说。现在技术对芯片的尺寸、规模提出了非常多的挑战,因为系统越来越精简,集成度越来越高,所有的接口、网络处理器、CPU,包括背板的交换、路由,各种功能集成在一起,必然会导致芯片的规模越来越大。

就大芯片而言,挑战又可以分成几个层面。一个是良率,信号完整性、电源完整性挑战都非常大。还有高速链路信号完整性问题,驱动光点合封的场景。片间互连的方案有高速的并行接着HBM(高带宽存储器),还有短距离的SERDES,它的设计能力不需要长距那么大,主要难点还是和传统芯片比较像,就是散热,包括翘曲以及SI/PI(信号完整性仿真)的技术上难题。

高速缓存,目前芯片的带宽越来越高,移动网交换芯片1T或者2T在业界其实都不够看,在这种场景下,缓存的带宽实际上并没有发展特别快,所以才会驱动了类似于HPM,GDDR技术的出现。

低功耗设计,不同的开发阶段,功耗优化的收益差别也比较大。首先早期系统设计,在算法IP等方面,如果说考虑低功耗的设计,那它的收益是最高的。接下来是架构层面,包括动态电压频率的调整。接下来到设计阶段,包括RTL(寄存器转换级电路)编码以及综合,编码方面有编码风格,包括微架构的设计。接下来是后端的PR阶段,可能主要是在中枢的控制上有比较好的设计。越往后,收益越小。

需求和架构层面,首先是接口,其种类比较多,从10G到100G,200G,800G以及以太网都会出来。

其次是包处理,包处理包括搜索引擎,可能还有流量管理,QUS等一些东西,因为业务是需要有灵活性,所以可编程的特性也有可重构的计算,包括电源效率,计算实际上在整个芯片里面起到了核心的作用。还有一个关键的特性是延时,低延时主要是在这个路径体现比较明显。

低延时、高精度时钟,高精度时钟跟芯片相关。延时在接口出去占了主要的部分,所以在5G芯片里面,重点是这个地方控制芯片的时点,用了几个技术。

多线程,网络处理器有并行的多核计算,当然也有流水线的串行处理。作为网络或者整个流量堵塞,就会造成延时比较大,需要排队、调度,所以它的流量编排、管理是非常重要的。

大连接,mMTC海量的机器连接,对芯片设计造成的影响体现在几个方面:接口层面接口数量非常多,包括各种端口数量,逻辑端数量;设计上主要是采用TDM的接口逻辑,另外动态的接口缓存的技术。

拉杰·塔鲁里表示,5G的发展存在诸多好处,无论是连接还是存储,都能产生有很大的作用。在享受5G带来的红利的同时,半导体产业又是如何去推动5G的发展的?

首先是调制解调器,说到5G产品,必须要提低延迟性、高速度解调器,它要比智能手机应用更多,我们说智能手机可能只用解调器,说到生产甚至消费性的电子,我们都会使用5G的调制解调器。

然后是应用处理器,产品需要始终频率更新,并且还有需要易购的应用,比如视频、AI、摄像机、安全性,我们需要许多的这样处理器,来帮助我们更好的使用5G的技术。

再来是内存和存储,在5G时代,数据会大量增长,据预测,在2018年到2023年智能手机DRAM需求会增长5倍左右,而NAND闪存需求更多,这是至少190亿美金营收的增长机遇,也会加速5G使用。

5G将影响各行各业,对于半导体行业来说,5G意味着巨大的商机。5G在推动半导体产业发展的同时,半导体产业也在为5G产业贡献芯片。

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