造一顆5G相關芯片到底有多難？_風聞

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。