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​5G 时代为什么需要 Xilinx?

2019-07-09
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在谈到5G的半导体受益企业的时候,我们通常会想到的是华为、高通、联发科和博通等公司,但其实作为FPGA的发明者,Xilinx也是5G时代的一个必不可少的重要角色。


据半导体行业观察了解,在过去多年的努力下,Xilinx已经将其产品推向了5G网络的多个方面。日前于上海举办的MWC 2019上,Xilinx公司全球无线和有线市场总监Gilles Garcia就给我们分享了FPGA巨头在5G时代的布局。



5G 时代为什么需要 FPGA?



因为......


自被发明的那天开始,FPGA就以其高灵活性的优势征服了多个领域的客户。这也是他们能在5G市场持续开疆辟土的根本。按照Gilles Garcia的说法,这主要与5G的特性有关。他进一步指出,5G时代的一个重要特点就是网络速度特别快,同时还有大量的设备接入,这就给5G网络带来巨大的挑战:



第一大挑战:管理无线电的复杂性

在当前RF频谱已经被利用到差不多的前提下,如果要满足5G的高速率需求,那就必然要提高基站收发数据的频率利用率。使用天线实现同一频率与多台设备同时通信,并利用多径传输就是其中一种,这就是所谓的Massive MIMO。

但我们也应该看到,虽然Massive MIMO的引入能够通过增加天线数量来补偿高频路径损耗,而又不会增加天线阵列的尺寸,但同时也需要用非常复杂的算法来找到用户的准确位置,精准地将波束对准用户,这时候Massive MIMO天线必须结合非常高级、先进的波束成形的算法。而这样带来的无线电管理方面的复杂性,也是厂商需要考虑的。



第二大挑战:管理前传带宽

正如前文所说,5G的一个重大特点就是带宽变大了和延迟变小。同时5G还需要满足更小能耗的要求,这就推动了5G接入网的改变,同时也在前传部分带来了新的考量。

Gilles Garcia也指出,在5G网络下,应用在4G网络的CPRI协议已经不能再满足当下的网络需求,这就催生了新的eCPRI。因为当下的接入网要同时满足4G和5G的连接请求,这就是所谓的“融合连接”。在这种情况下,我们就必须要有足够的带宽,才能让接入网同时与两种不同网络的设备打交道。



第三大挑战:回程吞吐量增加 10 倍

从Gilles Garcia的介绍我们得知,5G NR面临的第三大挑战就是数据回传的问题。他表示,在5G网络中,回程的吞吐量增加了10倍,这就需要必须有非常强大的回传的处理能力,才可以支持这么多的用户。

这三大挑战给射频前端和射频前端提出了重大的考验,这时候拥有灵活性和高性能的FPGA就能让这些迎刃而解。



那咋整?



且看 Xilinx 解决 5G 挑战的杀手锏


为了解决上述问题,Xilinx祭出了几道“杀手锏”,RF SoC就是他这些产品中极具代表性的一个。


这是他们在2017年推出的All Programmable系列芯片。通过将通信级 RF 采样数据转换器(配有数字处理子系统)、稳定可靠的 ARM 级处理系统以及 FPGA 架构整合到单芯片器件中,大大减少了射频数字前端的功耗,同时也节省了PCBA的设计尺寸。据介绍,他们在2017年推出第一代RF SoC集成了12 位 ADC,最高支持 4GSPS,以及14位DAC最高支持6.4GSPS。

到了去年年底,为了满足更多新的频率需求,Xilinx顺势推出了第二代的RF SoC芯片。据了解,这一代的芯片能做到16x 6.554GSPS DAC和16x 2.275GSPS ADC。这一代的产品也已经于最近交货;而为了完全覆盖Sub-6Ghz的频段,Xilinx在今年年初也公布了其第三代RF-SoC的规划,据了解,这个能支持8x 或 16x 10.0GSPS DAC和8x 5.0GSPS 或 16x 2.5GSPS ADC将在今年内发货。


Gilles Garcia告诉记者:“Xilinx新一代的RF SoC也在规划中,这必将给客户带来更好的体验”,“我们产品的可编程特性,更是能及时满足不断升级的3GPP标准需求,这是ASIC或其他产品无法做到的”,Gilles Garcia补充说。


为了让Massive MIMO的波束成形算法更有效,Xilinx基于其FPGA,用机器学习的算法及基于用户的行为来优化波束成形的技术。这具体分为两方面:一方面,他们结合人工智能和机器学习,用于波束成形方面,实现更精准的波束投放;另外一个方面是排期,Xilinx借助人工智能,预测什么时候什么样的用户会加入这个片区的网络,这样他们就可以预先分配一个波束给他。

从Gilles Garcia的介绍我们得知,Xilinx甚至可以利用人工智能的技术,组成所谓的自组织的RAN,这就让客户从这个片区过渡到下一个片区,可以利用这样人工智能的技术保证它是以最顺利的方式去过渡,保证体验。


在面对融合连接问题,Xilinx更是有xHaul网关。Gilles Garcia表示,这个整合到单芯片FPGA的网关可以允许CPRI或eCPRI、ORAN或者是DU、BBU的信号同时进入。当然这个网关也同时具备可编程特性,满足多方面的需求。

“根据客户的需求,我们甚至还可以基于Xilinx的所有器件和知识产权进行专门的配置”,Gilles Garcia说。



还有猛料不?



FPGA是一切的根本:ACAP强势助攻


上面介绍的几款产品仅是Xilinx 5G相关产品中的一部分作品,从MWC展上看来,他们还有很多的武器。在这些产品上,我们发现了一个共同点,那就是他们所有的产品都是基于他们的FPGA扩展打造的。


而为了更好地支持以上应用,Xilinx耗资15亿美元,将其FPGA升级到7nm,并推出了全新的ACAP(Adaptive Compute Acceleration Platform)平台,也就是所谓的“自适应计算加速平台”,来迎接即将到来的新挑战。根据Xilinx CEO Victor Peng之前的介绍,这款高度集成的多核异构计算平台能根据各种应用于工作负载的需求对硬件层进行灵活变化。在面向未来可能出现的新变化(如与与新应用和新器件也可以进行互联,进行加速时),ACAP也能轻松应对。

日前,ACAP平台的首款芯片Versal也顺利出货。据了解,Xilinx在这个芯片中增加了智能引擎。其中新的DSP引擎拥有非常高的浮点、非常低的延时;至于AI引擎,则拥有10个处理器,每个处理器都有自己专属的存储能力,需要的存储空间也是可以共享,这个全新的架构可以让客户的AI应用和DSP的算法结合在一起,支持不同的应用。当然也能适应未来5G网络的发展。

“AI的核心引擎甚至可以把无线电的算法和AI算法结合在一起,相比现在的16纳米的技术,新的方案可以将速度性能提高5倍”,Gilles Garcia说。从他的介绍我们得知,相比现有的16纳米的技术而言,Xilinx的7纳米芯片的5G支撑能力可以提升4倍。这样的能力的提升,主要靠的是芯片自带的人工智能的引擎。同时,这个AI引擎也可以支持机器学习,机器学习的性能提高,相比现在16纳米的技术提高20倍,同时使功耗降低40%。


“基于我们过去30多年在硬件上所有的知识积累,我们推出了ACAP这样的平台,未来无论是面向数据中心或者是无线、有线、测试测量等各个领域,ACAP必然能够帮助工程师在所有的应用里面都加速创新”,Gilles Garcia补充说。


当然,5G也不会例外。

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