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关于5G:ASIC在左,FPGA在右

2020-10-29
作者:张慧娟
来源:老石谈芯
关键词: 5G ASIC FPGA

  老石按:

  关于5G设备的芯片选择,很多人陷入了ASICFPGA二选一的误区。但是,小朋友才做选择题,成年人根本没得选。一方面,ASIC和FPGA本就不是有你没我的正交关系;另一方面,FPGA的形态也在不断演进。所谓的异构集成,在5G应用里也不例外。

  ASIC与FPGA的嘴仗打了十几年

  在5G第二波商用浪潮来临之时

  颇有战况升级的意味

  一种声音是:5G应用的复杂性和标准的不断演进,将使FPGA力压ASIC用量;另一种声音则是:在成本和功耗压力之下,5G基站所采用的FPGA平台需要向ASIC过渡。


  5G第二波,谁是绝佳选择?

  在5G发展初期,技术不成熟、基站总体数量并不多,FPGA现场可编程的优势很明显。不同于FPGA的灵活性,定制化的ASIC一旦制造完成将不能更改设计,并且初期成本高、开发周期长。根据公开数据,Xillinx认为传统的ASIC设计周期平均是14个月,通信设备若过分依赖使用ASIC,会让设备商的终端产品晚上市6个月,在5年内将少33%的利润,等于损失14%的市场份额。而FPGA可以帮助设备商快速发展原型机,快速交付,开发时间可以平均降低55%。

  2019年末开始,局势有了些微妙变化。

  随着5G基站数量进入爆发阶段,ASIC方案的规模经济效应就显露出来了。

  业界纷纷预测,从2020年第一季度开始,基站基带侧会出现ASIC取代FPGA的现象。去年底还有一个标志性事件,诺基亚宣布使用SoC来替代FPGA开发5G芯片组。官方解释是,之前认为FPGA具备可编程能力,更能满足运营商的使用需求。但是由于使用FPGA开发芯片推高了5G网络设备的单价,并且耗电量也比使用SoC的设备要高,所以决定取消这一计划。

  种种迹象,对FPGA都不妙。但是ASIC就是绝佳选择吗?

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  摩尔定律到了举步维艰的地步,仅从节点的进步来提升处理的效率已经越来越困难。而测算4G与5G时代的ASIC NRE成本,却是几乎3倍的增加。另外,5G标准仍在持续演进中,两年以上的开发周期仍是ASIC一大硬伤,毕竟谁也无法精准预判未来。而最为不同的一点是,5G带来了多样性的需求,这对于以规模经济取胜的ASIC,在某些碎片又量小的应用面前,就被缚住了手脚。

  5G第二波商用浪潮来临之际,ASIC经济学并不可行,纯FPGA方案在成本与功耗方面又有掣肘。还有第三条路吗?


  FPGA的权衡之道

  在第三条道路的探索上,Xilinx进行了一次不同以往的尝试。今日发布的Zynq RFSoC DFE,将硬化的数字前端(DFE)模块与灵活应变的可编程逻辑相结合,这也是Xilinx史上首次推出这样一款硬化专用IP多于自适应逻辑的无线电平台。

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  根据Xilinx有线与无线事业部高级总监Gilles Garcia的解读,这一创新旨在满足不断演进的 5G NR 无线应用标准,为了涵盖低、中、高频段频谱的广泛用例,Zynq RFSoC DFE在采用硬化模块的ASIC的成本效益与可编程、自适应SoC的灵活性、可扩展性及上市时间优势之间,找到了技术平衡。

  从器件架构来看,主要包括处理器子系统(四核Arm Cortex-A53、双核Arm Cortex-R5F)、少量的可编程逻辑单元、RF和数字前端子系统。可以看到,在RF和数字前端子系统硬化的ASIC IP中,包括了一个完整的DFE模块链。

  事实上,Xilinx已经推出过三代Zynq RFSoC产品,在前几代产品中,这些DFE IP以软IP的形式存在于可编程逻辑单元中。而实现硬化之后,与上一代产品相比,Zynq RFSoC DFE将单位功耗性能提升高达两倍,并且能够从小蜂窝扩展至大规模MIMO(mMIMO)宏蜂窝。

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  通过在集成度和灵活性方面的权衡设计,该解决方案能够在所有FR1频带和新兴频带(最高7.125GHz)内实现载波聚合/共享、多模式、多频带400MHz瞬时带宽。当用作毫米波中频收发器时,Zynq RFSoC DFE可提供1600 MHz的瞬时带宽。

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  在灵活性方面,支持用户绕过或定制硬化的IP模块,可以利用支持现有和新兴GaN Pas的DPD,也可以插入其自有的DPD IP。


  5G的多样化需求和复杂性

  5G与4G相比,不仅是网络带宽方面的升级,在运营管理模式上也有许多新的诉求。因此未来的网络不再是单一设备商甚至单一运营商包打天下,而是一个丰富的生态圈,因此开放性、灵活性尤为重要。

  就5G无线电而言,所需的解决方案不仅要满足广泛部署所提出的带宽、功耗和成本挑战,还必须适应三大关键5G用例:增强型移动宽带(eMBB)、大规模机器类通信(mMTC)以及超可靠低时延通信(URLLC)。此外,解决方案必须能够随不断演进的5G标准进行扩展,如OpenRAN(O-RAN)、全新的颠覆性5G商业模式。

  Gilles Garcia谈到,5G正在经历第二波的大规模部署,每个通道需要处理更多,需要有更高的瞬时带宽,更高的集成度水平,另外还有降低功耗,有更高的容量和更低的成本,这是设计这一款新的Zynq RFSoC DFE架构的初衷。而新的用例仍在不断涌现,例如虚拟现实、车联网等等,这些应用都要求低延时、低错误率,只有高度集成的类似ASIC、但同时又可编程的平台,才可以满足这些需求。


  你中有我、我中有你的新业态

  在Gilles Garcia看来,ASIC的经济性和可行性会随着5G的不断部署下降,单一方案无法满足成本、功耗、效率等多方面需求。在百万量级的无线电单元部署中,即大型的OEM硬件厂商中,ASIC仍然是合适的选择。不过,5G一个显著的趋势就是碎片化应用越来越显著,对于无线电单元量级在50万以下的应用中,RFSoC DFE更有竞争力。预计5G在未来十年还会不断地升级,不排除一些原来采用ASIC战略的用户,会转向RFSoC DFE,因为它总体置有成本更低,性能、功能更优越,还能加速上市速度。

  对于未来即将发生的改变,Xilinx不是唯一做好准备的FPGA厂商。

  Intel继收购Altera之后,于2018年收购了芯片公司eASIC,该公司提供一种介于FPGA与ASIC中间的技术。通过半成品的结构化ASIC,能够节省NRE费用和设计时间,而芯片的性能和功耗又接近标准单元ASIC。此举被看作是Intel在FPGA和标准ASIC之间的战略布局。

  相应的还有eFPGA的形式,例如Achronix,Flex Logix等厂商,通过将一个或多个FPGA以IP的形式嵌入ASIC或SoC等芯片中,实现数字可重构的结构,从而使芯片实现更高的灵活性和可重新配置的特性。

  ASIC还是FPGA?未来的竞争边界被模糊,一方面,各自有其存在的空间和必要性,另一方面,你中有我、我中有你的新架构在萌发。如果一定要说出一个赢家,那就是混合架构的SoC。

  就在昨晚,AMD和Xilinx联合宣布,已就AMD以全股票交易收购Xilinx达成最终协议,交易总价值350亿美元。更强大的产品组合呼之欲出,结合CPU、GPU、FPGA、自适应SoC以及相关的软件工具,对于双方来说,这是不是都是一步好棋?

  


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