本周,諾基亞宣布與博通公司合作進行5G芯片的研發工作,為其5G產品打造包括處理器在內的定制芯片組,以使其供應鏈多元化。更重要的是,此項合作的主要原因在于:諾基亞希望加快其5G芯片從較昂貴的FPGA向定制ASIC轉變。在2019年第三季度財報電話會議上,諾基亞承認其“ ReefShark”芯片組的高成本削弱了5G電信設備的利潤率。
2019年是5G商用元年,起初的基站數量還比較有限,特別是韓國作為全球第一個實現5G商用的地區,其國土和人口對5G的容納量很有限。但沒過多久,以中國為首的國家和地區也紛紛實現了商用落地,使得5G基站在相對短時間內出現了爆發式的增長,這種態勢也在向產業鏈上游的芯片傳導,其結果之一就是以上諾基亞的感受:FPGA似乎不那么好用了。
對于通信基站而言,通常由上百顆芯片構成,負責實現不同功能。簡單來說,基站發射并回收信號,收回信號后首先要有芯片進行濾波、穩定信號,還要有芯片將這種小信號放大,再有芯片進行解析、處理,然后是傳輸、分發。
總體來講,電信基站可分為基帶處理單元(BBU)、射頻單元(RRU),以及天線等幾部分。BBU負責集中控制與管理整個基站系統,完成上下行基帶處理功能,并提供與RRU及傳輸網絡的物理接口,完成信息交互。
在5G時代,以華為為代表的電信設備商倡導的AAU(Active Antenna Unit,有源天線射頻單元)正在成為行業趨勢,其本質上是將RRU集成到天線中,從而提升通信設備的集成度,可大幅度減小體積。
5G基站對FPGA“愛恨交加”
相對于4G而言,為了增強信號覆蓋及頻譜效率,5G 引入了Massive MIMO技術,這樣,收發通道數從16Tx16R提高到了64Tx64R,甚至128Tx128R,為了降低干擾并抑制噪音,需要對每個天線單元接收到的信號進行數字處理,這就在自適應波束成形中產生了大量的計算負載。
如果采用傳統的CPU和DSP,將導致負載過重,FPGA在I/O 、運算速度及延遲上均具有優勢。在多通道波束成形中,相對于ASIC方案,FPGA更具靈活性。另外,基站主要負責實現通信協議中物理層、邏輯鏈路層的協議部分,這部分內容每年都在升級,比較適合用FPGA來實現。
因此,在5G發展的早期階段,也就是基站總體數量還不是很多的時候,FPGA可編程、靈活的優勢很明顯。
通過對FPGA編程,能夠執行ASIC執行的任何邏輯功能。在技術還未成熟階段,這種特性能夠降低產品的成本和風險,在5G初期這種特性尤為重要。另外,FPGA編程后可直接使用,無需等待三個月至一年的芯片流片周期,為企業爭取了產品上市時間。再者,ASIC有固定成本,而FPGA方案幾乎沒有,在使用量小的時候,FPGA方案由于無需支付一次性高達數百萬美元的流片費用,也不用承擔流片失敗風險,此時,FPGA方案的成本低于ASIC,但隨著使用量的增加,FPGA方案在成本上的優勢逐漸縮小,超過某一使用量后,ASIC方案由于大量流片產生了規模經濟效應,在成本上更有優勢。
從2020年開始,特別是2021年,5G基站數量進入爆發階段。由于FPGA主要用在收發器的基帶中,5G時代,由于通道數的增加,計算復雜度隨之增加,所用FPGA的規模也將增加,由于FPGA的定價與片上資源正相關,未來通信領域FPGA單顆成本也將上升,目前,基站收發器中的FPGA單價通常在幾百元人民幣的范圍,未來有望進一步提高。收發器的主要成本和功耗由基帶部分貢獻,未來技術復雜度將再次推升收發器成本,這對FPGA似乎不是個好消息。
例如,要開發一個16nm FinFET制程ASIC的NRE成本(包括IP許可、開發和產品化)約為1800萬美元,單位成本(基于芯片尺寸、封裝、測試時間)大約為6.20美元。而開發22nm/28nm制程ASIC的NRE成本約為1400萬~1500萬美元,單位成本約為9.50美元。
若采用FPGA方案,例如Xilinx公司的UltraScale +(在Digi-Key上單個單元的價格為975美元),該解決方案沒有NRE,并且預期的批量成本約為30~50美元。假設每年生產100萬個器件,則16nm FinFET器件在13個月后最具成本效益。
隨著轉向更先進的制程工藝(例如10nm),PHY、ADC、DAC的NRE成本將發生巨大變化。如果使用7nm,成本還會更高。盡管5G用的數字芯片需要7nm到40nm的制程,但值得注意的是,ASIC的性能與縮小一到兩個制程節點的FPGA的性能大致相同。考慮到這一點,22nm /28nm ASIC將提供與16nm FinFET FPGA相似的邏輯性能,從而降低了成本和5G應用的功耗。
因此,諾基亞就出現了前文所述的轉變。
定制化處理器開始吃香
此次,諾基亞宣布與博通合作開發5G基站ASIC,無疑給出了一個更加明確的信號:專用芯片依然前途無量。
在這之前,諾基亞還與Intel和Marvell有深度合作,采用的也都是非FPGA方案。
就在今年3月,Intel強勢殺入5G基站芯片市場,發布了10nm制程的5G基站芯片凌動P5900,這是為基站定制的一款通用CPU。凌動P5900采用了SoC方式,提供打通硬件、芯片和軟件的標準技術平臺。Intel為P5900匹配了新一代結構化ASIC加速芯片,更利于發揮高速處理器的優勢。除了5G基站芯片,Intel還推出了面向5G網絡加速、邊緣優化以及虛擬化的5G產品,涉及5G核心網、接入網、邊緣和基站。
Marvell方面,則推出了以OCTEON Fusion系列處理器為代表的產品,適用于宏基站、微基站以及分體式無線電裝置和分布式單元解決方案。該系列處理器面向2G、3G、4G和5G NR無線網絡。
至于博通,由于其在網通處理器方面有多年的技術積累和優勢,而且該公司還是RF芯片的主要供應商,因此,該公司在對集成度要求越來越高的未來5G設備方面,具有一定優勢。
另外,華為海思也在自研5G基站芯片,特別是華為天罡芯片,可為AAU性能帶來極大的提升,可實現基站部署輕便化,設備尺寸縮小率超50%;而重量減輕23%,且功耗降低21%。
諾基亞的煩惱與緊迫
上述是5G基站市場大環境變化對FPGA和ASIC的影響。此外,諾基亞公司的行業地位也促使其想盡辦法提升競爭力。
來自于Dell‘Oro的統計數據顯示,2020年第一季度,全球通信設備市場份額排名為:華為(28%)、諾基亞(15%)、愛立信(14%)、中興通訊(11%)、思科(6%)。
與2019年相比,華為、諾基亞和思科均下降了1個百分點,愛立信持平,中興通訊增長了1%。另外,今年第一季度,移動核心網絡設備市場與去年同期相比增長了10%。
可見,諾基亞雖然排在第二位,但其市場份額處于下降態勢,且市占率只比愛立信高一個百分點,而排在第四的中興上升態勢迅猛。這些都給諾基亞帶來了很大壓力。
要提升競爭力,降低芯片成本對于當下的諾基亞非常重要。該公司2020年Q1財報顯示,降低芯片成本是其重點跟蹤的KPI。在2020年第一季度,諾基亞出貨的5G設備中有17%采用定制化芯片。該公司計劃在2020年底將這一比例提升至35%以上,到2022年底最終實現100%的5G產品采用定制化芯片。
結語
雖然5G的發展使得ASIC地位提升了,但并不等于FPGA就退出了基站的歷史舞臺,在紛繁復雜的應用和市場需求下,各種芯片都有其存在和應用的價值。
以華為為例,該公司的戶外無線基站RRU3908,其中央處理單元的ADC和DAC單比特流解碼和編碼依然由Altera Cyclone III FPGA,以及定制的華為SD6151RBI控制器處理實現。
另外,來自Achronix、Flex Logic等公司的新一代eFPGA(嵌入式FPGA)架構為在定制ASIC中實現FPGA邏輯的靈活性提供了第三條途徑,通常情況下,這些方案每平方毫米的硅僅提供數千個邏輯元件,因此使用它們可以實現部分ASIC的省電和節省成本的優勢。
責任編輯:tzh
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