前言：自5G通信技術(shù)開始投入商用以來，方興未艾的5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)便在等待“東風(fēng)”，而如今中國政府“新基建”概念的提出，正掀起一場足以讓5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)起飛的東風(fēng)，但是，我們看到，5G芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域挑戰(zhàn)巨大，如何克服？ 2020年，5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)在“新基建”的東風(fēng)下，展現(xiàn)出了巨大的市場潛力——根據(jù)中國信息通信研究院預(yù)估，今年5G技術(shù)的應(yīng)用將為我國創(chuàng)造約920億元的GDP，間接拉動(dòng)GDP增長超過4190億元。而到2030年，預(yù)計(jì)5G技術(shù)的應(yīng)用對我國經(jīng)濟(jì)增加值的直接貢獻(xiàn)將超過2.9萬億元，間接拉動(dòng)的GDP將達(dá)到3.6萬億元。而在這些樂觀數(shù)字的背后，將是手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、汽車等5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的全面起飛。 5G，從人際通信走向萬物互連 在談?wù)撌謾C(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、汽車等5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)之前，我們先簡單地了解一下5G技術(shù)為何會(huì)成為“新基建”概念中最重要的一環(huán)。5G就是第五代無線通信技術(shù)，主要特點(diǎn)是毫米級波長，超寬帶，超高速度，超低延時(shí)。從1G到4G，前四代無線通信技術(shù)都是著眼于人與人之間更方便快捷的通信：1G實(shí)現(xiàn)了模擬語音通信，開啟了大哥大語音通話的時(shí)代；2G實(shí)現(xiàn)了語音通信數(shù)字化，功能機(jī)之間互發(fā)短信、郵件成為了主流；3G則在語音以外實(shí)現(xiàn)了圖片等多媒體的通信，手機(jī)屏幕也慢慢變大，智能手機(jī)也隨之誕生；4G則實(shí)現(xiàn)了局域高速上網(wǎng)，大屏智能機(jī)的誕生和短視頻的普及成為可能。而5G將根本顛覆“通信”這個(gè)概念，5G技術(shù)讓通信的對象從人與人擴(kuò)大到萬物之間，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)、隨地的萬物互連，讓人類敢于期待與地球上的萬物通過直播的方式無時(shí)差同步參與其中。所以說4G改變生活，5G改變未來。 熟悉通信行業(yè)的讀者都知道，通信領(lǐng)域一向是標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)共同發(fā)展前行。未來5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景，其實(shí)從標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展情況便可窺一斑。目前商用的 R15標(biāo)準(zhǔn)是首個(gè)被廣泛接受的5G標(biāo)準(zhǔn)，主要針對eMBB和URLLC兩大場景定義了新規(guī)范。但是，與5G萬物互聯(lián)的愿景相比，只是小荷才露尖尖角，據(jù)透露，5G技術(shù)更多的功能特性將在R16、R17等后續(xù)演進(jìn)版本中引入。R16是將于今年6月凍結(jié)的5G標(biāo)準(zhǔn)的第二個(gè)版本，與R15相比，引入了很多新內(nèi)容，比如提供新的精準(zhǔn)5G定位的功能、uRLLC的進(jìn)一步增強(qiáng)以支持工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用、以及5G廣播等。未來的R17是5G標(biāo)準(zhǔn)的第三個(gè)版本，除了在標(biāo)準(zhǔn)上不斷地引入新的功能以外，5G的應(yīng)用也在不停地往不同垂直領(lǐng)域擴(kuò)展，包括智能手機(jī)、電腦、固定無線接入、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、面向企業(yè)和汽車的網(wǎng)絡(luò)以及企業(yè)專網(wǎng)等。

圖1 5G激發(fā)千行百業(yè)創(chuàng)新 圖片來源：高通 可以說，5G已如箭在弦，正快速“射向”各行各業(yè)，促使越來越多的設(shè)備互連，而首批迎來東風(fēng)的，便是手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、汽車等擁有一定發(fā)展基礎(chǔ)的5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)。 5G網(wǎng)絡(luò)，萬物互連的“基石” 要通過5G技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的愿景，我們離不開兩樣?xùn)|西——5G網(wǎng)絡(luò)和5G終端。終端的種類有很多，手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、汽車……而這些終端要實(shí)現(xiàn)互連，離不開的“基石”便是覆蓋每個(gè)地方的5G網(wǎng)絡(luò)。 說起5G網(wǎng)絡(luò)，最亮眼的就是速度。5G網(wǎng)絡(luò)速度上的目標(biāo)是能夠與現(xiàn)有的家庭有線寬帶解決方案相競爭。5G網(wǎng)速最終能達(dá)到什么程度呢？一個(gè)100GB的高清電影，幾秒鐘就可以下載完成。而網(wǎng)速的大幅提升，可以轉(zhuǎn)化為很多能力的增強(qiáng)，比如：視頻質(zhì)量從1080p到4k甚至8k；多媒體服務(wù)模式實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸式體驗(yàn)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等；在現(xiàn)有相同數(shù)據(jù)速率下支持更多用戶同時(shí)在線，或單個(gè)用戶時(shí)延大幅降低（減少網(wǎng)絡(luò)卡頓、等待時(shí)間）等。 3GPP組織近期發(fā)布了新的規(guī)范，專注于升級到具有更高帶寬的新毫米波頻段、額外的信道聚合以及大規(guī)模天線陣列，以滿足高速度方面的要求。作為下一代移動(dòng)寬帶，5G正在通過在毫米波頻譜中引入載波聚合、海量MIMO、高級調(diào)制和高帶寬信道而推動(dòng)移動(dòng)應(yīng)用數(shù)據(jù)吞吐量的大幅度增長。提高數(shù)據(jù)吞吐量會(huì)增加基帶、基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用處理器技術(shù)的復(fù)雜性。為了解決這些復(fù)雜性需求并滿足產(chǎn)品上市的截止時(shí)間要求，SoC芯片級設(shè)計(jì)人員正在針對處理器、接口、模擬和安全性等集成新的創(chuàng)新性IP核。 然而，5G帶來更快的速度、更大的容量的同時(shí)，也會(huì)帶來更多的攻擊面和更高的攻擊風(fēng)險(xiǎn)。除了進(jìn)一步加大5G新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度，工信部也特別強(qiáng)調(diào)了5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的安全保障。5G安全需要考慮多個(gè)層面，包括由終端和網(wǎng)絡(luò)組成的5G網(wǎng)絡(luò)本身通信安全，以及5G網(wǎng)絡(luò)承載的上層應(yīng)用安全。在設(shè)計(jì)之初，就應(yīng)該充分考慮網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性，安全架構(gòu)才能日臻完善。 智能手機(jī)，5G終端的“排頭兵” 聊了網(wǎng)絡(luò)，接下來讓我們聊聊終端。萬物互連的愿景中，萬物皆可為終端，但走在最前面引領(lǐng)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的，還是在4G時(shí)代已經(jīng)發(fā)展成熟的智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)。一個(gè)技術(shù)的發(fā)展，需要應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)，因此5G技術(shù)的快速普及，以及5G新基建效能的最大發(fā)揮，離不開5G手機(jī)的發(fā)展。 從工信部公布的數(shù)據(jù)來看，截至2020年3月，我國發(fā)布5G手機(jī)產(chǎn)品類型76款，累計(jì)出貨量超過2600萬部，其中2020年出貨量1300余萬部。而根據(jù)Counterpoint的數(shù)據(jù)，2020年中國市場5G手機(jī)產(chǎn)品預(yù)計(jì)將突破100款，國內(nèi)出貨量將超過1.5億臺(tái)。 在5G手機(jī)的技術(shù)架構(gòu)中，基帶芯片是用來合成即將發(fā)射的基帶信號，或?qū)邮盏降幕鶐盘栠M(jìn)行解碼。具體地說，就是發(fā)射時(shí)，把音頻信號編譯成用來發(fā)射的基帶碼;接收時(shí)，把收到的基帶碼解譯為音頻信號。同時(shí)，也負(fù)責(zé)地址信息（手機(jī)號、網(wǎng)站地址）、文字信息（短訊文字、網(wǎng)站文字）、圖片信息的編譯。基帶芯片是5G技術(shù)的核心支撐，實(shí)現(xiàn)了信號從發(fā)射編譯到接收解碼的全過程。 目前，在英特爾宣布退出5G終端市場以后 ，5G手機(jī)領(lǐng)域僅剩下華為、高通、三星、聯(lián)發(fā)科和紫光展銳五個(gè)玩家，5G手機(jī)SOC不但有設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，更面臨工藝上的挑戰(zhàn)，因?yàn)?G的計(jì)算量非常大，如果不采用先進(jìn)工藝，功耗就難以降低。 物聯(lián)網(wǎng)，“新基建”下5G應(yīng)用領(lǐng)跑者 既然5G技術(shù)的愿景是實(shí)現(xiàn)萬物互連，那么物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)毫無疑問將成為領(lǐng)跑者?？梢灶A(yù)見，5G技術(shù)將徹底顛覆物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)。 物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能行使獨(dú)立功能的普通物體實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)中的用戶通過物品與物品的連接，達(dá)到信息交換和通信的目的。因此，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展勢必要借助5G網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸具有更低延遲及更高可靠性的特征優(yōu)勢。 為了將移動(dòng)無線技術(shù)擴(kuò)展到更多器件之中，3GPP組織已經(jīng)定義了5G下更低帶寬及簡化通信的相關(guān)協(xié)議，例如NB-IoT和LTE-M，以滿足物聯(lián)網(wǎng)的低功耗和低成本要求。根據(jù)中國電信公布的數(shù)據(jù)顯示，截止2019年，全球71個(gè)國家投資建設(shè)了129張移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)，其中93張均為NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。而移遠(yuǎn)通信公布的截止2020年2月的數(shù)據(jù)顯示，目前全球運(yùn)營商部署的低功耗廣域網(wǎng)的部署當(dāng)中，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)達(dá)到了104張。 NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)通過支持有限的數(shù)據(jù)速率和功能集來降低復(fù)雜性。因此，與傳統(tǒng)LTE調(diào)制解調(diào)器相比，可以使用一種簡化的硬件/軟件架構(gòu)，其采用單個(gè)小型CPU/DSP處理器來執(zhí)行包括PHY層在內(nèi)的完整NB-IoT軟件協(xié)議棧。高效且優(yōu)化的處理器（例如帶增強(qiáng)型DSP的ARC EMxD可增加每個(gè)周期完成的工作量，從而降低諸如NB-IoT和LTE-M等連接的總功率。

圖3 全球物聯(lián)網(wǎng)連接預(yù)測 來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院 據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理的數(shù)據(jù)，2015年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量僅僅38億臺(tái)，發(fā)展到2019年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量已達(dá)83億臺(tái)，并預(yù)測在2025年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將突破200億臺(tái)。 因此，物聯(lián)網(wǎng)模組與芯片作為關(guān)鍵器件將迎來爆發(fā)期，預(yù)計(jì)2020年國內(nèi)無線模組市場規(guī)模達(dá)到296億元，芯片市場規(guī)模達(dá)到338億元。而在這一市場，中國芯片企業(yè)表現(xiàn)不俗，比如紫光展銳便已在2019年發(fā)布了專為廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而打造的AIoT解決方案。 “新基建”驅(qū)動(dòng)，5G下的百年汽車產(chǎn)業(yè)新生 5G所具有的大寬帶、低時(shí)延、高可靠等優(yōu)勢，也將助推自動(dòng)駕駛的發(fā)展。在4G時(shí)代，過長的延時(shí)，會(huì)讓自動(dòng)駕駛的汽車在遇到突發(fā)情況時(shí)，可能來不及反應(yīng)而釀成事故。而到了5G時(shí)代，這一挑戰(zhàn)將迎刃而解 通過5G的低延時(shí)，我們可以讓自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的反應(yīng)速度比人類還快。簡單來說，就是汽車搭載5G通信技術(shù)，其強(qiáng)大的傳輸速度將給汽車裝上了一雙眼睛，為汽車提供獲取周邊環(huán)境信息的交互渠道，它能讓自動(dòng)駕駛的汽車像一個(gè)熟練的司機(jī)一樣從容應(yīng)對行車環(huán)境。同時(shí)，5G技術(shù)的商用，除了能夠使得自動(dòng)駕駛等技術(shù)變得更容易實(shí)現(xiàn)之外，它還能對汽車內(nèi)部的智能交互帶來質(zhì)的飛躍。

圖4自動(dòng)駕駛是汽車業(yè)的終極目標(biāo) 自動(dòng)駕駛這項(xiàng)技術(shù)是依托各種設(shè)備搭配起來實(shí)現(xiàn)的，需要雷達(dá)、聲納和攝像頭這些設(shè)備配合，然后再通過系統(tǒng)分析，最后才能夠做出下一步指示。但是有了5G之后，汽車就可以打造一個(gè)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析網(wǎng)絡(luò)，道路上的所有信息都能夠被包括在里面，然后通過計(jì)算車型的距離還有各方面的道路信息，讓自動(dòng)駕駛變得更加的安全。 5G將能夠支持極低延遲能力，使控制器具有<1ms的反饋系統(tǒng)。車用SoC芯片是3GPP所定義的低延遲要求的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，但自動(dòng)駕駛解決方案需要滿足高質(zhì)量、高可靠性和安全性等功能，它們都必須從設(shè)計(jì)之初便開始驗(yàn)證，這使得IP核成為成功的關(guān)鍵途徑。 隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷演進(jìn)，將促使汽車逐步由機(jī)械式向電子式方向發(fā)展，采用的芯片顆數(shù)大增，代碼量也大幅上升，甚至超過 1 億行代碼。主控芯片市場規(guī)模有望快速成長， IHS預(yù)測， 2020 年汽車主控芯片市場規(guī)模可達(dá) 40 億美元，因此傳統(tǒng)車用芯片廠商如恩智浦、英飛凌、瑞薩等均在積極拓展主控芯片市場，高通、英特爾等5G手機(jī)芯片巨頭亦希望通過收購相關(guān)芯片廠商獲取車載技術(shù)及渠道經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)在車聯(lián)網(wǎng)終端、平臺(tái)方面的突破。 5G芯片挑戰(zhàn)巨大，新思科技來助力 雖然5G激發(fā)了千行百業(yè)的創(chuàng)新，但無論是手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)還是汽車產(chǎn)業(yè)，每一個(gè)5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的背后都依賴芯片的賦能?？梢赃@么說，作為電子產(chǎn)業(yè)引擎的芯片，讓生活變得更加智能和自動(dòng)化，并將最終讓萬物實(shí)現(xiàn)互連。 前面談過，5G芯片更復(fù)雜，功耗更大，并采用有大量新的高速接口，比如針對存儲(chǔ)就至少要采用UFS3.1起步，所以5G芯片技術(shù)創(chuàng)新離不開EDA工具和接口IP支持，作為全球EDA的領(lǐng)頭羊，新思科技（Synopsys）一直致力于推動(dòng)包括5G技術(shù)在內(nèi)的所有新興技術(shù)的發(fā)展，新思科技已經(jīng)攜手包括各應(yīng)用領(lǐng)域巨頭在內(nèi)的眾多合作伙伴，共同推動(dòng)生態(tài)圈的融合，與行業(yè) “聚力至遠(yuǎn)”。

新思科技DesignWare IP產(chǎn)品組合提供高速模擬前端(AFE)的可靠解決方案，并提供了經(jīng)過驗(yàn)證的接口IP、安全I(xiàn)P以及高效處理能力，以滿足最先進(jìn)的5G芯片組設(shè)計(jì)需求。 作為下一代移動(dòng)寬帶, 5G通過在毫米波頻譜中引入載波聚合、海量MIMO、高級調(diào)制和高帶寬信道而推動(dòng)移動(dòng)應(yīng)用數(shù)據(jù)吞吐量的大幅度增長。提高數(shù)據(jù)吞吐量會(huì)增加基帶、基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用處理器技術(shù)的復(fù)雜性。為了解決這些復(fù)雜性需求并滿足產(chǎn)品上市的截止時(shí)間要求，芯片設(shè)計(jì)人員正在針對處理器、接口、模擬和安全性等集成新的創(chuàng)新性IP。 此外，5G在擴(kuò)展到物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，需要傳感器、存儲(chǔ)器和“芯片到芯片”接口、處理能力以及低功耗無線IP解決方案，而這些解決方案應(yīng)當(dāng)提供具有高可靠性的低延遲能力。 新思科技ARC EM9D處理器提供了定義明確的DSP指令集、具有高級地址生成的XY存儲(chǔ)器，以及可選擇的定制擴(kuò)展指令集性，從而實(shí)現(xiàn)了NB-IoT或任何其他通信協(xié)議的高效實(shí)施。 5G芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，芯片開發(fā)人員需要額外的專業(yè)知識和資源。因此,設(shè)計(jì)人員比以往任何時(shí)候都更依賴于接口IP的DesignWareIP產(chǎn)品組合，集中關(guān)鍵的內(nèi)部資源能夠使他們專注于產(chǎn)品差異化并滿足5G的需求。除基于標(biāo)準(zhǔn)的單控制器和PHY接口IP外，新思科技還提供可配置的預(yù)驗(yàn)證DesignWare接口IP子系統(tǒng)。這些IP子系統(tǒng)提供了完整、復(fù)雜的功能，可隨時(shí)“依原樣”集成到芯片中，或由設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行定制。

5G移動(dòng)芯片的DesignWare IP

來源：新思科技官網(wǎng) IP子系統(tǒng)包括單控制器和PHY集成、多種協(xié)議的組合,及帶有處理器和軟件堆棧的完整子系統(tǒng)。新思科技采用最先進(jìn)的FinFET技術(shù)，提供了MIPI,、USB,、LPDDR、DDR,、PCle、高速多協(xié)議PHY等的最新標(biāo)準(zhǔn)。新思科技多協(xié)議PHY產(chǎn)品系列專門針對5G裝置,能夠?yàn)镻Cle, CCIX、 JESD204、以太網(wǎng)、CPRI等提供高質(zhì)量的信號完整性和先進(jìn)的電源管理功能。

用于5G基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施的DesignWare IP

用于5G物聯(lián)網(wǎng)的DesignWare IP