如何克服5G芯片设计带来的巨大挑战？

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。其中尤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)。

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。其中难度非常高和主要的是基带芯片，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领先提出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。

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。

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。

总结

5G通常被视为是一系列超高级技术的大荟萃，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，在至关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实施提供了业内领先全面的IP产品组合，让5G芯片设计变得更加简单。