新的通信標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)改變整個(gè)行業(yè)的體系結(jié)構(gòu)和發(fā)展方向，但這種改變不會(huì)立刻發(fā)生，也不一定以非常明顯的方式發(fā)生。

以下為譯文：

5G 已經(jīng)被吹捧為許多細(xì)分市場(chǎng)的新的賦能者，它將給移動(dòng)電話、自動(dòng)駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)帶來機(jī)會(huì)。但是，這個(gè)新的無線通信標(biāo)準(zhǔn)將在何時(shí)和將以何種方式影響這些細(xì)分市場(chǎng)，以及它將對(duì)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)產(chǎn)生什么樣的影響，目前尚有很多問題和不確定性。

基于 5G 承諾的通信速度的大幅度提高和延遲的大幅度降低，系統(tǒng)供應(yīng)商必須在將數(shù)據(jù)處理放在本地或在云端之間作出決定。這將對(duì)半導(dǎo)體體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響，包括處理器和內(nèi)存的片上吞吐量、I/O 速度、功率預(yù)算，甚至電池大小等等。此外，這些決定還將受到 5G 基礎(chǔ)設(shè)施接入和通信頻率的影響。

不過，這些事情可能要等到數(shù)年后才會(huì)發(fā)生。一開始，大部分的 5G 應(yīng)用將在低于 6GHz 的范圍內(nèi)，也就是和 4.5G 相當(dāng)。最大的受益者將是移動(dòng)電話行業(yè)，它將在一段時(shí)間內(nèi)仍然是 5G技術(shù)的最大消費(fèi)者。移動(dòng)電話的標(biāo)準(zhǔn)和存儲(chǔ)容量將會(huì)因?yàn)?5G 技術(shù)的不斷引入而持續(xù)進(jìn)化，它們將依然是 5G 技術(shù)的發(fā)展的重要資金來源。

下一個(gè)階段的發(fā)展是在毫米波技術(shù)引進(jìn)之時(shí)。這時(shí)候最重要的變化將開始發(fā)生。一般的經(jīng)驗(yàn)法則是，任何一項(xiàng)新技術(shù)想要成功，必須提供10倍的增益，要么是性能提高、或功率降低、成本降低、面積更小或者多種增益的組合。只有在那個(gè)時(shí)候，5G 技術(shù)才會(huì)真正地大放光彩。

“5G 將在連接性能方面提供顯著的改進(jìn)，其目標(biāo)是比目前 4G 的連接性能提高1000倍”。Steven Woo 說，他是 Rambus 實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)系統(tǒng)和解決方案的副總裁、杰出的發(fā)明家。 “除了帶寬方面的改進(jìn)，5G 還承諾了降低延遲和更好的覆蓋范圍。”

在毫米波技術(shù)的應(yīng)用初期，設(shè)計(jì)成本和硅晶元出貨面積將會(huì)顯著上升。電力消耗將成為主要的問題，這取決于基礎(chǔ)設(shè)施和它能承受的負(fù)荷壓力，因?yàn)樗鼈冃枰袚?dān)信號(hào)發(fā)送和信號(hào)到達(dá)時(shí)的計(jì)算工作。

物聯(lián)網(wǎng)

一個(gè)真正能從 5G 中受益的領(lǐng)域是邊緣計(jì)算，其中功耗是一個(gè)限制因素。“我們希望 5G 的引入能使物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備的功耗更低，因?yàn)槠骄鶃碚f 5G 拉近了它們與接入點(diǎn)的距離。” Cadence 的產(chǎn)品營銷總監(jiān) Neil Robinson 說：“這意味著與 4G 通信所需要的更長距離相比，5G 通信所需要的功耗更低”。

這樣就打開了一扇大門，讓我們有能力處理比目前更加復(fù)雜的處理流程和通信方案。Woo 說：“5G 將提供更高的帶寬，這意味著越來越多的終端(endpoint)將會(huì)更容把它們的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较噜徫恢茫谀抢镞@些數(shù)據(jù)得以在本地處理。”這意味著只有少量的，級(jí)別更高的數(shù)據(jù)/信息，才需要傳輸?shù)皆贫颂幚怼?/p>

但這種方案也會(huì)很快變得復(fù)雜。“5G 所需的高帶寬和多天線策略意味著，從本質(zhì)上講，它們需要更高的能耗。”西門子仿真部門市場(chǎng)營銷高級(jí)總監(jiān) Jean-Marie Brunet 指出。“然而，人們普遍認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)的大部分將是機(jī)對(duì)機(jī)(M2M)通信。而機(jī)對(duì)機(jī)通信模式比人工啟動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)更容易預(yù)測(cè)，因此機(jī)對(duì)機(jī)實(shí)例的低功耗算法應(yīng)該更高效，這種說法是有爭(zhēng)議的。”

實(shí)際上的好處將隨著不同的應(yīng)用和區(qū)域有所不同。“歸根結(jié)底，5G 將使每比特功耗降低10倍到100倍，同時(shí)帶來相當(dāng)于10倍的帶寬增幅，這些變化將在元器件的壽命方面產(chǎn)生凈增益，并同時(shí)提高10倍的功效。因使用模式的不同這些好處會(huì)有所不同。”

這是否足以影響架構(gòu)?物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備已開始將推理運(yùn)算本地化，以避免與向云端傳輸大量原始數(shù)據(jù)而帶來的帶寬影響。

“更高的帶寬和更低的延遲將使在云端進(jìn)行推理運(yùn)算變得更容易，如果我們需要這樣做的話。” Cadence 的 Robinson 說。“但是，隱私、安全、延遲和功耗問題可能會(huì)讓這種方式變得不合適。”

Cadence 的 Tensilica IP 產(chǎn)品管理和營銷高級(jí)總監(jiān) Lazaar Louis 也回應(yīng)了這些擔(dān)憂。“對(duì)隱私和安全問題的擔(dān)憂將會(huì)使推理運(yùn)算繼續(xù)留在邊緣設(shè)備進(jìn)行，”他說。“將傳感器收集到的信息傳送到云端會(huì)消耗能量，因此在邊緣設(shè)備進(jìn)行推理運(yùn)算，可以節(jié)省在邊緣設(shè)備上消耗的能量。”

Rambus 實(shí)驗(yàn)室的 Woo 同意這一說法。“更高的帶寬可能不能排除在邊緣設(shè)備上進(jìn)行推理運(yùn)算的必要性，但它們將允許更大數(shù)量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相互連接，使基礎(chǔ)設(shè)施能夠跟上不斷增長的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需求，并使其捕獲和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不斷增長。”

VR(虛擬現(xiàn)實(shí))和AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)碰到了難題。如果沒有更高的數(shù)據(jù)速率，設(shè)備供應(yīng)商將很難消除暈眩不適感，這大大地限制了 VR 的使用。毫米波技術(shù)可以幫助解決這個(gè)問題。雖然毫米波信號(hào)不能通過墻壁，只能在相對(duì)較短的距離內(nèi)工作，但 VR 耳機(jī)和控制器的距離通常只有幾英尺遠(yuǎn)。

“與以前運(yùn)行同一款游戲的 4G 產(chǎn)品相比，高分辨率的 8K 游戲流媒體肯定會(huì)更快地將電池的電量耗光。” Brunet 承認(rèn) “但是這并不是 5G 造成的，而是因?yàn)楦呒?jí)的 CPU 和顯示設(shè)備。在毫米波頻率下，對(duì)于空中下載(OTA)的功耗需求，收發(fā)器的功耗將會(huì)以加速度級(jí)地增加。”

自動(dòng)駕駛

自動(dòng)駕駛需要將許多技術(shù)結(jié)合在一起，5G 就是其中之一。“更低的延遲為具有自主駕駛能力的聯(lián)網(wǎng)車輛帶來了好處，在這種情況下，響應(yīng)時(shí)間至關(guān)重要，尤其是在高速公路的行駛速度下。”Woo說道。“5G 覆蓋范圍的改進(jìn)，加上增強(qiáng)的本地處理能力，將允許在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的終端設(shè)備附近對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合和處理，從而減少數(shù)據(jù)傳輸。減少長距離的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于 5G 來說是一個(gè)重要的好處，因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)改進(jìn)了延遲和功耗。”

汽車很可能成為通訊樞紐。“汽車將是微型發(fā)射器，” Robinson 說。“和現(xiàn)在的 802.11p(V2V)和4G/OnStar(V2X)面臨的情況類似，5G 也面臨著來自電視網(wǎng)絡(luò)的阻撓，他們希望使用已經(jīng)分配給 V2V(車輛對(duì)車輛)的相同頻段。他們聲稱，自動(dòng)駕駛不需要 V2V，在路上使用 V2X(車輛對(duì)所有)就可以來了解其他車輛的存在/意圖。”

這個(gè)觀點(diǎn)得到其他人的同意。“車輛到所有(V2X)將主導(dǎo)通信，車輛將成為擁有很多發(fā)射器的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，在許多情況下，每個(gè)功能域都有多個(gè)發(fā)射器。” Brunet 說：“V2X 將是實(shí)現(xiàn)安全的關(guān)鍵因素，因?yàn)榧す饫走_(dá)或雷達(dá)根本看不到拐角處，而 5G 可以依據(jù)拐角處的反射將這種實(shí)現(xiàn)變得可能。”

到底是從其他車輛還是從路邊的信息中得到這些信息，現(xiàn)在尚沒有明確的答案。“汔車能獲得的信息越多，它們就越能在自動(dòng)駕駛體驗(yàn)方面做出更好的決定。” Cadence 公司的 Louis 指出。 “更先進(jìn)的自動(dòng)駕駛將得益于和其他車輛/基礎(chǔ)設(shè)施的 V2X 通信，例如路線規(guī)劃和車道變更輔助。”

新的通信能力也可能帶給我們今天還沒有想到的好處。“聯(lián)網(wǎng)車輛只是眾多可能受益的設(shè)備之一。” Woo 說。“更高的帶寬和更高的覆蓋率，再加上更強(qiáng)的本地處理能力，將幫助車輛與周圍環(huán)境以及本地地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，從而在將來實(shí)現(xiàn)道路導(dǎo)航。今天的聯(lián)網(wǎng)汽車已經(jīng)捕獲了大量的數(shù)據(jù)，其中一些信息被傳送到云端。預(yù)計(jì)汽車將繼續(xù)發(fā)展而成為信息樞紐，因?yàn)樗鼈兛梢宰鳛槌丝驮O(shè)備的連接點(diǎn)(就像手機(jī)可以作為智能手表和健身設(shè)備等外圍設(shè)備的連接點(diǎn)一樣)，并與其他車輛進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，以交流像車道變化之類的預(yù)期行動(dòng)，以及交通狀況和危險(xiǎn)信息。”

實(shí)施注意事項(xiàng)

今天大多數(shù) 5G 的實(shí)現(xiàn)都還只是原型，而且并不是所有的問題都已經(jīng)得到解決。例如，5G 可以提供每秒10到20千兆位的傳輸速度，但數(shù)字系統(tǒng)必須具備相應(yīng)的工作速度才能受益于 5G 的高速度。如果為了降低成本而仍然使用舊的工藝節(jié)點(diǎn)生成數(shù)字信息，這可能使得能使用的工藝節(jié)點(diǎn)變得有限，或者我們需要更先過的封裝解決方案。

“這是摩爾定律的一個(gè)結(jié)合，它減慢了速度，同時(shí)增加了芯片的復(fù)雜性和所需要的工藝的復(fù)雜性。。” Rambus 的產(chǎn)品管理高級(jí)主管 Frank Ferro 表示：“你不需要做一個(gè)大型的 ASIC，你必須問一下分解它是否更劃算。做兩個(gè)更小的 ASIC 或重新使用你已經(jīng)進(jìn)行了大量投資的混合信號(hào)器件是否更便宜?如果你已經(jīng)在高速工藝技術(shù)上進(jìn)行了投資，你想繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模嗎?或者，您可以使用現(xiàn)有的技術(shù)，加上接口技術(shù)，而不必每次更改工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)都開發(fā) SerDes 呢?“

同樣，不同的產(chǎn)品領(lǐng)域可能會(huì)得出不同的結(jié)論。“我不知道 5G 節(jié)點(diǎn)的期望值。” Robinson 說道。“這將歸結(jié)為每個(gè)產(chǎn)品或公司的成本評(píng)估。最大的限制是當(dāng)模擬模塊需要以某種方式與數(shù)字模塊集成時(shí)。這可能會(huì)由最終產(chǎn)品尺寸、成本和功耗限制來決定的。物聯(lián)網(wǎng)的邊緣設(shè)備是一個(gè)極端，它的高度集成是關(guān)鍵。由于對(duì)邊緣設(shè)備的性能要求通常較低，他們也可能使用較舊的節(jié)點(diǎn)技術(shù)來降低成本。而 V2X、用戶設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施，因?yàn)樗麄冚^大的尺寸和較高的價(jià)格，通常都使用單獨(dú)的芯片。”

在考慮標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，存在下游效應(yīng)。“一切都是由帶寬需求或數(shù)據(jù)需求驅(qū)動(dòng)的。” Rambus 印度設(shè)計(jì)中心高級(jí)主管 Sunil Bhardwaj 說。“制造更快的系統(tǒng)的需求一直都存在，這既包括工藝流程(這需要數(shù)字領(lǐng)域的大力支持)，也包括芯片能夠以多快的速度將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌酒拖到y(tǒng)。這就是標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展的原因，而這些必要的需求正推動(dòng)著數(shù)字和模擬電路突破限制以達(dá)到更高的速度。使用較舊的工藝節(jié)點(diǎn)來支持一些現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)是非常困難的。你不可能通過使用昨天的數(shù)字技術(shù)來得到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。”

5G 需要大量復(fù)雜的工藝流程。“通過將復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到數(shù)字芯片，并兼容不完善的原始模擬特性，可以顯著減少模塊的大小和功耗”。Synopsys 的產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Manuel Mota 說： “將模擬模塊(如超高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和天線陣列)壓縮到非常微小的區(qū)域的能力是推動(dòng) 5G 通信等新市場(chǎng)細(xì)分的關(guān)鍵因素。以前只有使用外部大功率芯片才能訪問 Multi-GHz 操作和信號(hào)帶寬，這不符合與電池供電和手持設(shè)備相關(guān)的小尺寸和低功率要求。”

結(jié)論

關(guān)于 5G 及其對(duì)各種細(xì)分市場(chǎng)的影響，還有很多未知因素。很明顯，它有可能導(dǎo)致細(xì)分市場(chǎng)的體系結(jié)構(gòu)被重新考慮，以及創(chuàng)造在過去看來不可能的全新應(yīng)用領(lǐng)域。但在基礎(chǔ)設(shè)施層面和移動(dòng)電話行業(yè)，許多代價(jià)高昂的工作必須完成，才能使這項(xiàng)技術(shù)適用于其他領(lǐng)域。

移動(dòng)電話是消費(fèi)者繼續(xù)購買的昂貴商品，并由附加在其商業(yè)模式之上的服務(wù)提供支持。在這一點(diǎn)上，沒有其他市場(chǎng)能顯著地推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)。汽車行業(yè)也許能夠助 5G 的發(fā)展一臂之力，但它能提供的支持應(yīng)該只有手機(jī)行業(yè)的一小部分。此外，現(xiàn)在還沒有明確的商業(yè)模式可以讓車輛為基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)付費(fèi)，而它們是自動(dòng)駕駛成為可能的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)的成本較低，但整個(gè)投資需要通過所能提供的服務(wù)證明。

所以至少在一開始，5G 的影響將主要是針對(duì)手機(jī)的。但其將帶來的重大變革將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的想象。