造一顆5G相關芯片到底有多難?_風聞
你相信光吗-爱比丽屋2019-09-10 16:17
來源:微信公眾號“摩爾芯聞”
6月底,國家發放5G牌照,5G正式被提上日程。各地開始建設5G基礎設施,一些集成電路廠商也隨之享受到了利好,在最近剛出爐的全球TOP15半導體廠商中,就有聯發科因5G芯片而殺入重圍。須知櫻桃好吃樹難栽,5G能夠驅動巨大的利益當然想要做成的難度就不會小。
在2019年9月4日召開的“5G與集成電路產業機遇”論壇上,來自中興微電子有線產品中心規劃總工王志忠先生,北京中科漢天下電子技術有限公司黃鑫副總裁、美光科技高級副總裁兼移動產品事業部總經理拉傑·塔魯裏以及紫光展鋭市場高級市場總監鍾寶星就5G的應用場景,5G的發展歷程,5G芯片技術的挑戰等話題發表了演講。
了不起的5G
“從1G到5G,是一部浩蕩的移動通信史。”鍾寶星總結道。其實1G之前,人類就有通訊。語言的出現、文字的出現、印刷術的出現,一系列信息革命導致了現在整個社會的溝通無障礙。從移動通信的技術上看, 4G的出現已經改變了我們的生活,而5G則將改變社會,5G時代的到來會讓信息隨心而至,萬物觸手可及。黃鑫稱,對我國而言,1G是空白,2G是追趕,3G我們形成了局部突破,4G我們的TD-LTE和全球FD-LTE實現了並跑,未來5G將實現超越。
5G為什麼會擁有改變社會的能力?拉傑·塔魯裏這樣説道,5G技術幾乎是將所有的設備聯以及全球電子設備聯繫在了一起。5G比4G流通量更高,更快,甚至它的互聯互通性是4G的5倍。
4G可以實現優步打車,在手機上看高清電影等功能,而5G不僅侷限於手機,低延遲性讓它不僅可以運用於醫療服務,還可以讓機器與機器進行溝通交流。
5G可以幫我們打造智慧城市,讓我們可以知道每座大樓裏面的停車場以及整個城市交通的情況,讓出行更加便利。
當然,5G對經濟也有重大影響。拉傑·塔魯裏表示,由於5G得到流通,到2035年大概有12.3萬億的商品和服務,4.6%的全球產出都是由5G網絡所帶來的,同時會有2200萬的就業崗位。
豐富的應用場景
5G是人類歷史上最野心勃勃的通信革命,它讓物與人,物與物有了更加全面的連接。eMBB(增強型移動寬帶)、mMTC(海量機器類通信)及uRLLC(超可靠、低時延通信)是5G 的三大應用場景。
eMBB是面向以人為中心的娛樂、社交、適用於高速率、大帶寬的移動寬帶業務,mMTC主要滿足海量物聯的通信需求,面向以傳感和數據採集為目標的應用場景。uRLLC是基於低延時和高可靠的特點,面向垂直行業的特殊應用需求。
正如王志忠所説,5G承載網絡的新特性便來自與這些新的應用場景,包括eMBB帶來的海量機器連接、高可靠性和DA值,以及數據算力包括延時、能量密度、能量效率等。
5G帶來了不同應用場景的數據,這些數據帶來一些端跟雲之間的變化,讓端和雲之間的溝通更緊密,更及時。王志忠也表示 5G的網絡架構從整個架構層面看,跟傳統的網絡架構是沒有太大區別,主要是技術點上,可能是有一些創新,還是分三個部分,一部分是接入平面,第二控制平面,還有一個是轉化平面。
造一顆5G芯片有多難
王志忠這樣説道,要談5G芯片的設計挑戰,得從兩個維度來説。一個是基礎的設計層面,還有一個是新需求,新架構層面。
就基礎的設計層面來説,也不一定是5G網絡或者5G芯片才出現的問題。通常包括高速接口,因為我們現在看到56G甚至128G都是在設計或者即將商用。現在SERDES的設計難度,本身延高、延寬都非常少,因此抖動、噪音都帶來了很大設計上的難度。看一下技術的演進趨勢,56G在商用階段,112G未來兩三年也會商用。隨着設計難度的增加,後面的SERDES裏面,他們會成為主流,主要作用是增強均衡的效果。另外PZB的設計可能難度越來越大,所以全球互聯方案可能也會逐步應用。
還有大規模的芯片,王志忠説道。前段時間有公司展示了其超大芯片,這個芯片能不能商用還很難説。現在技術對芯片的尺寸、規模提出了非常多的挑戰,因為系統越來越精簡,集成度越來越高,所有的接口、網絡處理器、CPU,包括背板的交換、路由,各種功能集成在一起,必然會導致芯片的規模越來越大。
就大芯片而言,挑戰又可以分成幾個層面。一個是良率,信號完整性、電源完整性挑戰都非常大。還有高速鏈路信號完整性問題,驅動光點合封的場景。片間互連的方案有高速的並行接着HBM(高帶寬存儲器),還有短距離的SERDES,它的設計能力不需要長距那麼大,主要難點還是和傳統芯片比較像,就是散熱,包括翹曲以及SI/PI(信號完整性仿真)的技術上難題。
高速緩存,目前芯片的帶寬越來越高,移動網交換芯片1T或者2T在業界其實都不夠看,在這種場景下,緩存的帶寬實際上並沒有發展特別快,所以才會驅動了類似於HPM,GDDR技術的出現。
低功耗設計,不同的開發階段,功耗優化的收益差別也比較大。首先早期系統設計,在算法IP等方面,如果説考慮低功耗的設計,那它的收益是最高的。接下來是架構層面,包括動態電壓頻率的調整。接下來到設計階段,包括RTL(寄存器轉換級電路)編碼以及綜合,編碼方面有編碼風格,包括微架構的設計。接下來是後端的PR階段,可能主要是在中樞的控制上有比較好的設計。越往後,收益越小。
需求和架構層面,首先是接口,其種類比較多,從10G到100G,200G,800G以及以太網都會出來。
其次是包處理,包處理包括搜索引擎,可能還有流量管理,QUS等一些東西,因為業務是需要有靈活性,所以可編程的特性也有可重構的計算,包括電源效率,計算實際上在整個芯片裏面起到了核心的作用。還有一個關鍵的特性是延時,低延時主要是在這個路徑體現比較明顯。
低延時、高精度時鐘,高精度時鐘跟芯片相關。延時在接口出去佔了主要的部分,所以在5G芯片裏面,重點是這個地方控制芯片的時點,用了幾個技術。
多線程,網絡處理器有並行的多核計算,當然也有流水線的串行處理。作為網絡或者整個流量堵塞,就會造成延時比較大,需要排隊、調度,所以它的流量編排、管理是非常重要的。
大連接,mMTC海量的機器連接,對芯片設計造成的影響體現在幾個方面:接口層面接口數量非常多,包括各種端口數量,邏輯端數量;設計上主要是採用TDM的接口邏輯,另外動態的接口緩存的技術。
半導體行業如何推動5G的發展
拉傑·塔魯裏表示,5G的發展存在諸多好處,無論是連接還是存儲,都能產生有很大的作用。在享受5G帶來的紅利的同時,半導體產業又是如何去推動5G的發展的?
首先是調制解調器,説到5G產品,必須要提低延遲性、高速度解調器,它要比智能手機應用更多,我們説智能手機可能只用解調器,説到生產甚至消費性的電子,我們都會使用5G的調制解調器。
然後是應用處理器,產品需要始終頻率更新,並且還有需要易購的應用,比如視頻、AI、攝像機、安全性,我們需要許多的這樣處理器,來幫助我們更好的使用5G的技術。
再來是內存和存儲,在5G時代,數據會大量增長,據預測,在2018年到2023年智能手機DRAM需求會增長5倍左右,而NAND閃存需求更多,這是至少190億美金營收的增長機遇,也會加速5G使用。
5G將影響各行各業,對於半導體行業來説,5G意味着巨大的商機。5G在推動半導體產業發展的同時,半導體產業也在為5G產業貢獻芯片。