FPGA VS ASIC：5G改變了平衡

來自Dan McNamara，移動專家

1. 概述

多年來，FPGA和ASIC供應(yīng)商之間一直存在著一場拉鋸戰(zhàn)解決方案。新的FPGA上引入了一些特性，隨著人們對這些特性的了解，這些特性通常被強(qiáng)化到ASIC上，以實(shí)現(xiàn)更低的成本、更低的功耗和更大的容量。在新一代產(chǎn)品的早期，這種持續(xù)不斷的反復(fù)工作通常有利于FPGA供應(yīng)商，然后轉(zhuǎn)向有利于ASIC供應(yīng)商的長期穩(wěn)定生產(chǎn)。

2019年，賽靈思的新產(chǎn)品開始改變這種狀態(tài)。Xilinx為Zynq系列推出了一款具有“射頻片上系統(tǒng)”（RFSoC）功能的升級版，它集成了ARM內(nèi)核以實(shí)現(xiàn)某些處理器功能（降低成本和功耗），支持波束形成的可編程邏輯，并將ADC和DAC功能集成到RFSoC中。功率節(jié)省和體積縮小是非常引人注目的，特別是對于大規(guī)模MIMO（mMIMO）無線電。

圖1：集成處理器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的RF SOC

2. 體系結(jié)構(gòu)趨勢：DFE與ADC/DAC的集成

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能的集成為5G基站中的遠(yuǎn)程無線單元（RRU）提供了巨大的節(jié)能效果。對于每個JESD204通道，節(jié)省的成本大約為1W，或者對于來自天線陣列的每個數(shù)據(jù)流來說，節(jié)省的成本是不同的。在64T大容量MIMO的情況下，在250W的總散熱預(yù)算中，可以節(jié)省超過60W的功耗。雖然ASIC設(shè)計可以為集成的功能提供更低的功耗，但總體解決方案的節(jié)省不太明顯。

這就是數(shù)學(xué)開始變得模糊的地方。重要的指標(biāo)是總散熱量，而不一定是從一個優(yōu)化的截面獲得的效益。由于RRU中的恒壓熱管理，延遲了向傳統(tǒng)ASIC的質(zhì)量轉(zhuǎn)換。即使是第1層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商提供的整體解決方案，數(shù)字前端（DFE）和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換仍有不同的分區(qū)。目前還沒有一種單一的實(shí)現(xiàn)方法。

圖2：分立5G收發(fā)器中的功耗

注：1）圖中顯示了單個收發(fā)器鏈路100 MHz帶寬的功耗估計。

2）JESD204B電源與ADC/DAC電源分開。DUC：數(shù)字上變頻；DDC：數(shù)字下變頻；DPD：數(shù)字預(yù)失真；CFR：峰值因子減小。

在Xilinx應(yīng)用示例中，需要解決的一個關(guān)鍵問題是JESD204接口的功耗，這是通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)字前端的集成來實(shí)現(xiàn)的，從而大大減少了JESD204B的處理。Xilinx將數(shù)字前端（DUC、DDC、DPD）與ADC和DAC集成，以消除功耗方面的開銷。

圖3：DFE/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器集成對功耗的影響，注：1）圖中顯示了單個收發(fā)器鏈路100 MHz帶寬的功耗估計。

處理器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器集成的另一個問題與流程節(jié)點(diǎn)開發(fā)的節(jié)奏有關(guān)。CMOS上的處理器邏輯穩(wěn)定地向下移動到下一個工藝節(jié)點(diǎn)（新的ASIC將移動到7nm、5nm或更少），而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器通常在領(lǐng)先的工藝節(jié)點(diǎn)上開發(fā)兩到三代。（約18 nm）。

3. RFSoC集成時的注意事項(xiàng)

如前所述，ASIC的引入歷史上，一旦性能要求被鎖定，市場“簡單地”需要擴(kuò)大到大批量。就5G而言，仍有幾個變量的成熟度不高。在REL 15（非獨(dú)立）下，5G的首次發(fā)布比最初的預(yù)期提前了約1年。市場適應(yīng)迅速，我們有具體證據(jù)表明5G正在發(fā)揮作用。然而，這并不意味著2019年末發(fā)布的用于商業(yè)運(yùn)營的解決方案還有時間進(jìn)行優(yōu)化。5G網(wǎng)絡(luò)有幾個方面仍在發(fā)展：

?波束形成：波束形成的實(shí)現(xiàn)仍在改進(jìn)中。由于支持該功能的算法存在于RRU中，因此更靈活的（即FPGA）方法仍然具有明顯的優(yōu)勢。

?頻道帶寬：帶寬正在擴(kuò)展。最初的5G系統(tǒng)通常使用100MHz，這與單個運(yùn)營商能夠訪問的頻率相對應(yīng)。然而，趨勢是提供支持200MHz或更高的硬件，以減少產(chǎn)品版本和簡化制造（這對網(wǎng)絡(luò)OEM和組件供應(yīng)商都是一個好處）。通常，3.4-3.6GHz和3.6-3.8GHz產(chǎn)品可以滿足大多數(shù)客戶的要求。然而，即將在美國舉行的C波段拍賣會將為5G使用分配高達(dá)280MHz的帶寬，這將進(jìn)一步提高RRU的性能要求。

?PA技術(shù)：大多數(shù)mMIMO PA的GaN技術(shù)選擇也得益于靈活的處理器設(shè)計。信道帶寬從最初的100MHz配置迅速提高到200MHz及以上。此外，功率電平和數(shù)字預(yù)失真還需要進(jìn)一步優(yōu)化。PAs的周期比大硅快，因此過早地鎖定數(shù)字處理器上的特性將限制利用GaN性能將要解決的問題的能力。

?O-RAN：OpenRAN是一個新興的標(biāo)準(zhǔn)，它能提供更多牽引力。雖然這種架構(gòu)正受到廣泛關(guān)注，但實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)仍然是動態(tài)的。雖然選項(xiàng)7.2x拆分的定義正在定稿，但運(yùn)營商還考慮了其他變化，這些變化將關(guān)鍵功能移入或移出RRU，例如預(yù)編碼、層映射和信道估計等等。數(shù)據(jù)計算的位置決定了處理器的定義方式的不同，要解決這些問題還需要幾年的時間。這些問題將為更靈活的設(shè)計方法提供更長的使用壽命。由于5G的長期利益仍有點(diǎn)模糊，靈活性將是關(guān)鍵，因?yàn)閺南到y(tǒng)需求的角度來看，對于尚不清楚的情況，靈活性將是關(guān)鍵。

4. FPGA、ASIC和RFSOC

在前面關(guān)于技術(shù)趨勢的部分中，我們已經(jīng)討論了RFSoC集成的主要推動力包括：降低功耗、成本和板上尺寸。

前三大原始設(shè)備制造商現(xiàn)在在生產(chǎn)FDD和TDD LTE基站時經(jīng)常使用AISC。它們都有足夠的容量來證明ASIC的合理性，并且LTE應(yīng)用程序足夠穩(wěn)定，可以將所有客戶匯聚到一個共同的ASIC平臺上。隨著5G的復(fù)雜性增加，ASIC的經(jīng)濟(jì)性已將容量閾值提高到每年200000臺以上，以證明為所有頂級網(wǎng)絡(luò)原始設(shè)備制造商開發(fā)ASIC的費(fèi)用是合理的。對于5G市場而言，目前市場規(guī)模非常不平衡?？紤]到2020年，移動專家預(yù)測，約115M 5G收發(fā)器將被運(yùn)送（每個收發(fā)器是一個獨(dú)特的傳輸路徑）。假設(shè)每個RFSoC（或ASIC）有大約8個傳輸鏈，那么ASICs/FPGAs的數(shù)量在14M，其中80%在中國消耗。對于華為和中興，有明確理由轉(zhuǎn)向基于供應(yīng)選擇的ASIC解決方案。然而，對于主要集中在中國以外地區(qū)的供應(yīng)商來說，答案可能并不那么明確。2020年，在中國以外地區(qū)，亞洲/FPGAs的插槽約為250-3M，在許多國家和運(yùn)營商之間存在著分歧。大多數(shù)5G部署的基站規(guī)模為100到10K，因此任何一個操作員的部署都不足以證明ASIC的使用。只有主要OEM的總產(chǎn)量才有理由投資亞洲國家。隨著市場仍在了解5G網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)實(shí)世界的表現(xiàn)，從2020年底開始向5G SA（單機(jī)版）過渡，系統(tǒng)設(shè)計靈活性的需求依然存在。

圖4:5G，sub-6GHz的收發(fā)器出貨量

此外，基于5G引入的新使用案例，RAN需要更大的靈活性。從2019年開始，5G網(wǎng)絡(luò)的首次推出主要集中在移動用戶，即智能手機(jī)中。這被稱為eMBB（增強(qiáng)型移動寬帶）應(yīng)用程序。在談到整個5G網(wǎng)絡(luò)時，與4G的一大區(qū)別是增加了兩個新應(yīng)用：IoT和URLLC（超可靠低延遲連接）。從長遠(yuǎn)來看，這些新的應(yīng)用程序有望在B2B領(lǐng)域帶來可觀的收入…但這還沒有發(fā)生。它將依賴于目前正在部署的5G基礎(chǔ)設(shè)施，并可能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。RRU必須滿足需要部署在建筑物中或作為租用的專用網(wǎng)絡(luò)，通過C-RAN架構(gòu)連接到主網(wǎng)絡(luò)。這些不同用例的數(shù)據(jù)需求還不完全清楚，但很有可能與當(dāng)前eMBB系統(tǒng)的方法（和設(shè)計）有所不同。數(shù)據(jù)管理的靈活性將允許這些新應(yīng)用程序的順利支持和引入。

不難看出5G網(wǎng)絡(luò)帶來的額外復(fù)雜性。每一代電信都通過更好的語音質(zhì)量或更多的數(shù)據(jù)來改善用戶體驗(yàn)，5G已經(jīng)在做這件事了。然而，我們今天看到的正在部署的5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是將被添加和擴(kuò)展的基礎(chǔ)設(shè)施。這看起來像是宏基站、室內(nèi)RRU、中繼器和小型小區(qū)。它都是5G，但每個都有不同的要求。支持這種多樣性所需的處理器必須基于每個需求靈活，并且能夠靈活地適應(yīng)仍在發(fā)展的用例，在系統(tǒng)部署之前，我們將無法真正理解這些用例。

毫無疑問，5G正在為普通消費(fèi)者和企業(yè)帶來前所未有的數(shù)據(jù)消耗量，其復(fù)雜性更大。采用大規(guī)模MIMO（mMIMO）天線，極大地提高了性能，并產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商的一個關(guān)鍵架構(gòu)考慮。從更可編程的解決方案向硬化解決方案的典型過渡不一定是最佳選擇。由于5G仍然是太新的，這些新系統(tǒng)在大型、重載網(wǎng)絡(luò)中的性能還沒有完全理解?？紤]到網(wǎng)絡(luò)流量的新常態(tài)，需要不斷調(diào)整多個變量，才能達(dá)到穩(wěn)定的配置。在未來幾年中，快速適應(yīng)關(guān)鍵硬件組件性能的能力將是至關(guān)重要的。

注：以上內(nèi)容翻譯自《FPGA vs ASIC: 5G changes the equation》，關(guān)注回復(fù)RFSOC01，獲取英文原版文章。