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新的通信标准将会改变整个行业的体系结构和发展方向

gecimao 发表于 2019-04-24 03:01 | 查看: | 回复:

  新的通信标准将会改变整个行业的体系结构和发展方向,但这种改变不会立刻发生,也不一定以非常明显的方式发生。

  5G 已经被吹捧为许多细分市场的新的赋能者,它将给移动电话、自动驾驶、虚拟现实(VR)和物联网等行业带来机会。但是,这个新的无线通信标准将在何时和将以何种方式影响这些细分市场,以及它将对半导体设计产生什么样的影响,目前尚有很多问题和不确定性。

  基于 5G 承诺的通信速度的大幅度提高和延迟的大幅度降低,系统供应商必须在将数据处理放在本地或在云端之间作出决定。这将对半导体体系结构产生重大影响,包括处理器和内存的片上吞吐量、I/O 速度、功率预算,甚至电池大小等等。此外,这些决定还将受到 5G 基础设施接入和通信频率的影响。

  不过,这些事情可能要等到数年后才会发生。一开始,大部分的 5G 应用将在低于 6GHz 的范围内,也就是和 4.5G 相当。最大的受益者将是移动电话行业,它将在一段时间内仍然是 5G技术的最大消费者。移动电话的标准和存储容量将会因为 5G 技术的不断引入而持续进化,它们将依然是 5G 技术的发展的重要资金来源。

  下一个阶段的发展是在毫米波技术引进之时。这时候最重要的变化将开始发生。一般的经验法则是,任何一项新技术想要成功,必须提供10倍的增益,要么是性能提高、或功率降低、成本降低、面积更小或者多种增益的组合。只有在那个时候,5G 技术才会线G 将在连接性能方面提供显著的改进,其目标是比目前 4G 的连接性能提高1000倍”。Steven Woo 说,他是 Rambus 实验室负责系统和解决方案的副总裁、杰出的发明家。 “除了带宽方面的改进,5G 还承诺了降低延迟和更好的覆盖范围。”

  在毫米波技术的应用初期,设计成本和硅晶元出货面积将会显著上升。电力消耗将成为主要的问题,这取决于基础设施和它能承受的负荷压力,因为它们需要承担信号发送和信号到达时的计算工作。

  一个线G 中受益的领域是边缘计算,其中功耗是一个限制因素。“我们希望 5G 的引入能使物联网边缘设备的功耗更低,因为平均来说 5G 拉近了它们与接入点的距离。” Cadence 的产品营销总监 Neil Robinson 说:“这意味着与 4G 通信所需要的更长距离相比,5G 通信所需要的功耗更低”。

  这样就打开了一扇大门,让我们有能力处理比目前更加复杂的处理流程和通信方案。Woo 说:“5G 将提供更高的带宽,这意味着越来越多的终端(endpoint)将会更容把它们的数据传输到相邻位置,在那里这些数据得以在本地处理。”这意味着只有少量的,级别更高的数据/信息,才需要传输到云端处理。

  但这种方案也会很快变得复杂。“5G 所需的高带宽和多天线策略意味着,从本质上讲,它们需要更高的能耗。”西门子仿真部门市场营销高级总监 Jean-Marie Brunet 指出。“然而,人们普遍认为物联网的大部分将是机对机(M2M)通信。而机对机通信模式比人工启动的物联网更容易预测,因此机对机实例的低功耗算法应该更高效,这种说法是有争议的。”

  实际上的好处将随着不同的应用和区域有所不同。“归根结底,5G 将使每比特功耗降低10倍到100倍,同时带来相当于10倍的带宽增幅,这些变化将在元器件的寿命方面产生净增益,并同时提高10倍的功效。因使用模式的不同这些好处会有所不同。”

  这是否足以影响架构?物联网边缘设备已开始将推理运算本地化,以避免与向云端传输大量原始数据而带来的带宽影响。

  “更高的带宽和更低的延迟将使在云端进行推理运算变得更容易,如果我们需要这样做的话。” Cadence 的 Robinson 说。“但是,隐私、安全、延迟和功耗问题可能会让这种方式变得不合适。”

  Cadence 的 Tensilica IP 产品管理和营销高级总监 Lazaar Louis 也回应了这些担忧。“对隐私和安全问题的担忧将会使推理运算继续留在边缘设备进行,”他说。“将传感器收集到的信息传送到云端会消耗能量,因此在边缘设备进行推理运算,可以节省在边缘设备上消耗的能量。”

  Rambus 实验室的 Woo 同意这一说法。“更高的带宽可能不能排除在边缘设备上进行推理运算的必要性,但它们将允许更大数量的物联网设备相互连接,使基础设施能够跟上不断增长的物联网设备的需求,并使其捕获和传输的数据量不断增长。”

  虚拟现实(VR)碰到了难题。如果没有更高的数据速率,设备供应商将很难消除晕眩不适感,这大大地限制了 VR 的使用。毫米波技术可以帮助解决这个问题。虽然毫米波信号不能通过墙壁,只能在相对较短的距离内工作,但 VR 耳机和控制器的距离通常只有几英尺远。

  “与以前运行同一款游戏的 4G 产品相比,高分辨率的 8K 游戏流媒体肯定会更快地将电池的电量耗光。” Brunet 承认 “但是这并不是 5G 造成的,而是因为更高级的 CPU 和显示设备。在毫米波频率下,对于空中下载(OTA)的功耗需求,收发器的功耗将会以加速度级地增加。”

  自动驾驶需要将许多技术结合在一起,5G 就是其中之一。“更低的延迟为具有自主驾驶能力的联网车辆带来了好处,在这种情况下,响应时间至关重要,尤其是在高速公路的行驶速度下。”Woo说道。“5G 覆盖范围的改进,加上增强的本地处理能力,将允许在数据产生的终端设备附近对数据进行聚合和处理,从而减少数据传输。减少长距离的数据传输对于 5G 来说是一个重要的好处,因为它可以同时改进了延迟和功耗。”

  汽车很可能成为通讯枢纽。“汽车将是微型发射器,” Robinson 说。“和现在的 802.11p(V2V)和4G/OnStar(V2X)面临的情况类似,5G 也面临着来自电视网络的阻挠,他们希望使用已经分配给 V2V(车辆对车辆)的相同频段。他们声称,自动驾驶不需要 V2V,在路上使用 V2X(车辆对所有)就可以来了解其他车辆的存在/意图。”

  这个观点得到其他人的同意。“车辆到所有(V2X)将主导通信,车辆将成为拥有很多发射器的移动网络,在许多情况下,每个功能域都有多个发射器。” Brunet 说:“V2X 将是实现安全的关键因素,因为激光雷达或雷达根本看不到拐角处,而 5G 可以依据拐角处的反射将这种实现变得可能。”

  到底是从其他车辆还是从路边的信息中得到这些信息,现在尚没有明确的答案。“汔车能获得的信息越多,它们就越能在自动驾驶体验方面做出更好的决定。” Cadence 公司的 Louis 指出。 “更先进的自动驾驶将得益于和其他车辆/基础设施的 V2X 通信,例如路线规划和车道变更辅助。”

  新的通信能力也可能带给我们今天还没有想到的好处。“联网车辆只是众多可能受益的设备之一。” Woo 说。“更高的带宽和更高的覆盖率,再加上更强的本地处理能力,将帮助车辆与周围环境以及本地地图数据进行通信,从而在将来实现道路导航。今天的联网汽车已经捕获了大量的数据,其中一些信息被传送到云端。预计汽车将继续发展而成为信息枢纽,因为它们可以作为乘客设备的连接点(就像手机可以作为智能手表和健身设备等外围设备的连接点一样),并与其他车辆进行点对点通信,以交流像车道变化之类的预期行动,以及交通状况和危险信息。”

  今天大多数 5G 的实现都还只是原型,而且并不是所有的问题都已经得到解决。例如,5G 可以提供每秒10到20千兆位的传输速度,但数字系统必须具备相应的工作速度才能受益于 5G 的高速度。如果为了降低成本而仍然使用旧的工艺节点生成数字信息,这可能使得能使用的工艺节点变得有限,或者我们需要更先过的封装解决方案。

  “这是摩尔定律的一个结合,它减慢了速度,同时增加了芯片的复杂性和所需要的工艺的复杂性。。” Rambus 的产品管理高级主管 Frank Ferro 表示:“你不需要做一个大型的 ASIC,你必须问一下分解它是否更划算。做两个更小的 ASIC 或重新使用你已经进行了大量投资的混合信号器件是否更便宜?如果你已经在高速工艺技术上进行了投资,你想继续扩大规模吗?或者,您可以使用现有的技术,加上接口技术,而不必每次更改工艺节点时都开发 SerDes 呢?“

  同样,不同的产品领域可能会得出不同的结论。“我不知道 5G 节点的期望值。” Robinson 说道。“这将归结为每个产品或公司的成本评估。最大的限制是当模拟模块需要以某种方式与数字模块集成时。这可能会由最终产品尺寸、成本和功耗限制来决定的。物联网的边缘设备是一个极端,它的高度集成是关键。由于对边缘设备的性能要求通常较低,他们也可能使用较旧的节点技术来降低成本。而 V2X、用户设备和基础设施,因为他们较大的尺寸和较高的价格,通常都使用单独的芯片。”

  在考虑标准时,存在下游效应。“一切都是由带宽需求或数据需求驱动的。” Rambus 印度设计中心高级主管 Sunil Bhardwaj 说。“制造更快的系统的需求一直都存在,这既包括工艺流程(这需要数字领域的大力支持),也包括芯片能够以多快的速度将数据传输到其他芯片和系统。这就是标准不断发展的原因,而这些必要的需求正推动着数字和模拟电路突破限制以达到更高的速度。使用较旧的工艺节点来支持一些现代标准是非常困难的。你不可能通过使用昨天的数字技术来得到更高的数据传输速率。”

  5G 需要大量复杂的工艺流程。“通过将复杂性转移到数字芯片,并兼容不完善的原始模拟特性,可以显著减少模块的大小和功耗”。Synopsys 的产品营销经理 Manuel Mota 说: “将模拟模块(如超高速数据转换器和天线阵列)压缩到非常微小的区域的能力是推动 5G 通信等新市场细分的关键因素。以前只有使用外部大功率芯片才能访问 Multi-GHz 操作和信号带宽,这不符合与电池供电和手持设备相关的小尺寸和低功率要求。”

  关于 5G 及其对各种细分市场的影响,还有很多未知因素。很明显,它有可能导致细分市场的体系结构被重新考虑,以及创造在过去看来不可能的全新应用领域。但在基础设施层面和移动电话行业,许多代价高昂的工作必须完成,才能使这项技术适用于其他领域。

  移动电话是消费者继续购买的昂贵商品,并由附加在其商业模式之上的服务提供支持。在这一点上,没有其他市场能显著地推动这项技术。汽车行业也许能够助 5G 的发展一臂之力,但它能提供的支持应该只有手机行业的一小部分。此外,现在还没有明确的商业模式可以让车辆为基础设施和数据付费,而它们是自动驾驶成为可能的基础。物联网边缘节点的成本较低,但整个投资需要通过所能提供的服务证明。

  所以至少在一开始,5G 的影响将主要是针对手机的。但其将带来的重大变革将远远超出我们的想象。

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