FPGA VS ASIC：5G改變了平衡

來(lái)自Dan McNamara，移動(dòng)專家

1. 概述

多年來(lái)，FPGA和ASIC供應(yīng)商之間一直存在著一場(chǎng)拉鋸戰(zhàn)解決方案。新的FPGA上引入了一些特性，隨著人們對(duì)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(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)。

2019年，賽靈思的新產(chǎn)品開(kāi)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(jí)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(duì)于大規(guī)模MIMO（mMIMO）無(wú)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(shì)：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(wú)線單元（RRU）提供了巨大的節(jié)能效果。對(duì)于每個(gè)JESD204通道，節(jié)省的成本大約為1W，或者對(duì)于來(lái)自天線陣列的每個(gè)數(shù)據(jù)流來(lái)說(shuō)，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(guò)60W的功耗。雖然ASIC設(shè)計(jì)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(kāi)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(gè)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(méi)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(gè)收發(fā)器鏈路100 MHz帶寬的功耗估計(jì)。

2）JESD204B電源與ADC/DAC電源分開(kāi)。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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是JESD204接口的功耗，這是通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)字前端的集成來(lái)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(kāi)銷。

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

處理器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器集成的另一個(gè)問(wèn)題與流程節(jié)點(diǎn)開(kāi)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(dòng)到下一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)（新的ASIC將移動(dòng)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(kāi)發(fā)兩到三代。（約18 nm）。

3. RFSoC集成時(shí)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(chǎng)“簡(jiǎn)單地”需要擴(kuò)大到大批量。就5G而言，仍有幾個(gè)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(chǎng)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(yíng)的解決方案還有時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。5G網(wǎng)絡(luò)有幾個(gè)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(shì)。

?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(gè)運(yùn)營(yíng)商能夠訪問(wèn)的頻率相對(duì)應(yīng)。然而，趨勢(shì)是提供支持200MHz或更高的硬件，以減少產(chǎn)品版本和簡(jiǎn)化制造（這對(duì)網(wǎng)絡(luò)OEM和組件供應(yīng)商都是一個(gè)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(guó)舉行的C波段拍賣會(huì)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(jì)。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(guò)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(wèn)題的能力。

?O-RAN：OpenRAN是一個(gè)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(dòng)態(tài)的。雖然選項(xiàng)7.2x拆分的定義正在定稿，但運(yùn)營(yíng)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(jì)等等。數(shù)據(jù)計(jì)算的位置決定了處理器的定義方式的不同，要解決這些問(wèn)題還需要幾年的時(shí)間。這些問(wèn)題將為更靈活的設(shè)計(jì)方法提供更長(zhǎng)的使用壽命。由于5G的長(zhǎng)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(lái)看，對(duì)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(shì)的部分中，我們已經(jīng)討論了RFSoC集成的主要推動(dòng)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(shí)經(jīng)常使用AISC。它們都有足夠的容量來(lái)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(gè)共同的ASIC平臺(tái)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(tái)以上，以證明為所有頂級(jí)網(wǎng)絡(luò)原始設(shè)備制造商開(kāi)發(fā)ASIC的費(fèi)用是合理的。對(duì)于5G市場(chǎng)而言，目前市場(chǎng)規(guī)模非常不平衡?？紤]到2020年，移動(dòng)專家預(yù)測(cè)，約115M 5G收發(fā)器將被運(yùn)送（每個(gè)收發(fā)器是一個(gè)獨(dú)特的傳輸路徑）。假設(shè)每個(gè)RFSoC（或ASIC）有大約8個(gè)傳輸鏈，那么ASICs/FPGAs的數(shù)量在14M，其中80%在中國(guó)消耗。對(duì)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(duì)于主要集中在中國(guó)以外地區(qū)的供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，答案可能并不那么明確。2020年，在中國(guó)以外地區(qū)，亞洲/FPGAs的插槽約為250-3M，在許多國(guó)家和運(yùn)營(yíng)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(gè)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(guó)家。隨著市場(chǎng)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(kāi)始向5G SA（單機(jī)版）過(guò)渡，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(kāi)始，5G網(wǎng)絡(luò)的首次推出主要集中在移動(dòng)用戶，即智能手機(jī)中。這被稱為eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）應(yīng)用程序。在談到整個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，與4G的一大區(qū)別是增加了兩個(gè)新應(yīng)用：IoT和URLLC（超可靠低延遲連接）。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這些新的應(yīng)用程序有望在B2B領(lǐng)域帶來(lái)可觀的收入…但這還沒(méi)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(guò)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(jì)）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(lái)的額外復(fù)雜性。每一代電信都通過(guò)更好的語(yǔ)音質(zhì)量或更多的數(shù)據(jù)來(lái)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(lái)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(gè)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(gè)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(wú)法真正理解這些用例。

毫無(wú)疑問(wèn)，5G正在為普通消費(fèi)者和企業(yè)帶來(lái)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(gè)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(guò)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(méi)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(gè)變量，才能達(dá)到穩(wěn)定的配置。在未來(lái)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。