在可配置與定制化之間巧妙平衡的RFSoC

在“軟件定義一切”思想的推動(dòng)下，ASIC方案越來越強(qiáng)調(diào)可配置，雖然可配置資源不如FPGA多，但可配置度提升在日益增長(zhǎng)。而從性能及系統(tǒng)應(yīng)用成本優(yōu)化考慮，F(xiàn)PGA越來越呈現(xiàn)出專用特質(zhì)，比如RFSoC系列產(chǎn)品，顯然為射頻應(yīng)用專門做了優(yōu)化，其命名也更像一顆ASIC。當(dāng)然，RFSoC似乎在可配置與定制化之間巧妙地找到了平衡點(diǎn)。

2019年是5G（第五代移動(dòng)通信技術(shù)）商用化部署元年，移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)鏈上各核心廠商紛紛從練兵狀態(tài)進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)狀況，不管以前喊的口號(hào)有多大，立的旗子有多高，都要真刀實(shí)槍地接受市場(chǎng)檢驗(yàn)。

在2019上海世界移動(dòng)通信大會(huì)前的新聞發(fā)布會(huì)上，賽靈思（Xilinx）通信業(yè)務(wù)部市場(chǎng)總監(jiān)Gilles Garcia對(duì)5G商用化前景進(jìn)行了分析，他對(duì)賽靈思在5G市場(chǎng)表現(xiàn)信心十足，表示賽靈思已經(jīng)為5G到來做好了全面準(zhǔn)備，無論是連接、計(jì)算，還是標(biāo)準(zhǔn)適配，賽靈思都有成熟的方案供業(yè)界選擇，“三星明確宣布，其5G全線產(chǎn)品都將采用賽靈思的解決方案?！?

RFSoC是賽靈思在5G射頻應(yīng)用中推出的最重要的產(chǎn)品系列。這是當(dāng)前“僅有的滿足移動(dòng)通信所有行業(yè)應(yīng)用需求的單芯片自適應(yīng)射頻平臺(tái)，并具備可擴(kuò)展性?！盧FSoC第一代產(chǎn)品已于2018年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，第二代將于7月初實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，第三代產(chǎn)品將于2019年11月量產(chǎn)。5G標(biāo)準(zhǔn)還在不斷修訂，頻譜劃分是其中變化較多的部分，三代產(chǎn)品的模擬帶寬分別為4、5、6GHz，分別應(yīng)對(duì)當(dāng)時(shí)已經(jīng)明確劃定的5G頻譜規(guī)劃，其中第三代產(chǎn)品已完全覆蓋6GHz以下頻段，三代產(chǎn)品都有擴(kuò)展的毫米波接口，支持24GHz至60GHz區(qū)間的毫米波應(yīng)用波段。

5G射頻開發(fā)三大挑戰(zhàn)

Gilles Garcia告訴探索科技（techsugar）等媒體，5G應(yīng)用對(duì)射頻開發(fā)帶來諸多挑戰(zhàn)。首先，由于更多頻段引入，第五代移動(dòng)通信技術(shù)相比第四代（4G）的無線電管理復(fù)雜度大幅上升。

移動(dòng)通信需要向后兼容，傳統(tǒng)解決方法是每增加一個(gè)頻段，就增加一條射頻通路，射頻頻段從2G到4G已經(jīng)增加很多，5G網(wǎng)絡(luò)要能支持4G服務(wù)，而且引入了更多頻段，所以射頻模塊如何處理成為設(shè)備廠商痛點(diǎn)--復(fù)雜度與成本都在持續(xù)攀升。過去幾年主流射頻器件廠商市場(chǎng)表現(xiàn)都很好，一方面是智能手機(jī)市場(chǎng)當(dāng)時(shí)還在增長(zhǎng)，另外一方面就是相比2G、3G手機(jī)，4G手機(jī)需要更多射頻器件。

賽靈思的RFSoC將射頻信號(hào)鏈路集成在單芯片上，采用“射頻直接采樣”技術(shù)取代傳統(tǒng)的分立數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，直接降低了射頻開發(fā)的成本及復(fù)雜度，并擁有更好的擴(kuò)展性。

據(jù)賽靈思介紹，傳統(tǒng)上大部分系統(tǒng)都采用稱為中頻或零中頻（IF 或 Zero-IF）采樣的模擬化方案，需要將原始信號(hào)下變頻到 模數(shù)轉(zhuǎn)換器能支持的采樣頻率。下變頻電路包含混頻器、高質(zhì)量振蕩器以及其他模擬器件。相比數(shù)字化處理方式，模擬電路不夠靈活，需要高度專業(yè)化的設(shè)計(jì)和復(fù)雜的器件選擇。

而利用直接射頻采樣技術(shù)，可對(duì)接收到的射頻信號(hào)直接采樣，無需事先進(jìn)行下變頻。信號(hào)被數(shù)字化之后，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在更為靈活的數(shù)字域中完成下變頻和信號(hào)處理。這些射頻ADC支持更高的采樣率，由于數(shù)字域有更好的濾波技術(shù)，因此能夠更好平衡設(shè)計(jì)參數(shù)制約，得到更佳的動(dòng)態(tài)范圍、信噪比和信號(hào)帶寬。

第二個(gè)困難是如何管理前傳帶寬（Fronthaul BW）。Gilles Garcia解釋，4G有CPRI連接。5G引入了XRAN、eCPRI、ETH等協(xié)議，要實(shí)現(xiàn)多協(xié)議支持，達(dá)到“融合接入”，需要有足夠的帶寬及冗余設(shè)計(jì)資源來支持還在逐漸演化的5G協(xié)議。而RFSoC系列產(chǎn)品能夠提供足夠的帶寬及設(shè)計(jì)資源。

第三大困難是由于回傳吞吐量增加所導(dǎo)致的實(shí)時(shí)處理壓力。5G回傳吞吐量將是4G的10倍以上，這樣大的數(shù)據(jù)量，非?？简?yàn)后續(xù)處理能力，而FPGA目前仍是大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理方案的首選。

自適應(yīng)計(jì)算加速

RFSoC第四代產(chǎn)品已經(jīng)在開發(fā)中，賽靈思表示，以目前計(jì)劃來看，第四代RFSoC將在2023年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。第四代RFSoC也被稱為Versal平臺(tái)。與前三代相比，最大的區(qū)別是引入人工智能計(jì)算引擎，即自適應(yīng)計(jì)算加速平臺(tái)（ACAP）。

自適應(yīng)計(jì)算加速平臺(tái)是一個(gè)高度集成的多核異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)，可以在軟硬件兩個(gè)層面隨時(shí)進(jìn)行更改，從而更動(dòng)態(tài)地適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、汽車等應(yīng)用的工作負(fù)載要求。

事實(shí)上，Versal系列器件Versal AI Core和Versal Prime的試用版，已經(jīng)交付到客戶手上。這兩個(gè)系列產(chǎn)品每款器件都包含雙核Arm Cortex A72應(yīng)用處理器，一個(gè)雙核Arm Cortex R5F實(shí)時(shí)處理器，自適應(yīng)硬件資源超過200萬個(gè)邏輯單元，有3000多個(gè)位高精度浮點(diǎn)計(jì)算優(yōu)化過的DSP引擎，這些DSP引擎也均經(jīng)過低延時(shí)優(yōu)化，Versal AI Core器件提供400個(gè)AI引擎，專用于人工智能推斷及信號(hào)處理工作負(fù)載優(yōu)化。

Gilles Garcia告訴探索科技（techsugar）：“我們認(rèn)為，在5G下一輪部署中，Versal將人工智能和無線算法結(jié)合在一起，會(huì)帶給賽靈思很大的增長(zhǎng)潛力?！?

ASIC還是FPGA？

有分析認(rèn)為，當(dāng)5G進(jìn)入商業(yè)化部署之后，在成熟應(yīng)用中將出現(xiàn)專用芯片（ASIC）方案。事實(shí)上，已經(jīng)有一些芯片廠商推出ASIC方案。Gilles Garcia表示，無論是ASIC方案，還是FPGA方案，都會(huì)比分立方案更有成本和功耗的優(yōu)勢(shì)。

但ASIC的問題在于難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新，標(biāo)準(zhǔn)一有變化時(shí)就會(huì)過時(shí)。從移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)組織（3GPP）的計(jì)劃來看，5G標(biāo)準(zhǔn)今年將修改到第17版（R17），而ASIC開發(fā)時(shí)間通常需要18到24個(gè)月，如果現(xiàn)在開始著手開發(fā)一顆通信芯片，將鐵定難以支持第17版的新功能。

而賽靈思的可編程系列產(chǎn)品RFSoC，則保留了足夠的彈性與擴(kuò)展性，容許用戶隨時(shí)更新設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)更新后標(biāo)準(zhǔn)的支持。

在筆者看來，實(shí)際上不同廠商做產(chǎn)品的思路也在相互融合。在“軟件定義一切”思想的推動(dòng)下，ASIC方案越來越強(qiáng)調(diào)可配置，雖然可配置資源不如FPGA多，但可配置度提升在日益增長(zhǎng)。而從性能及系統(tǒng)應(yīng)用成本優(yōu)化考慮，F(xiàn)PGA越來越呈現(xiàn)出專用特質(zhì)，比如RFSoC系列產(chǎn)品，顯然為射頻應(yīng)用專門做了優(yōu)化，其命名也更像一顆ASIC。

當(dāng)然，RFSoC似乎在可配置與定制化之間巧妙地找到了平衡點(diǎn)。既有射頻專用模塊，方便移動(dòng)通信應(yīng)用快速開發(fā)，又有足夠的可配置資源，可隨時(shí)應(yīng)對(duì)需求更新。

其實(shí)命名都不重要，不管是ASIC方案，還是FPGA方案，能否被主流市場(chǎng)接受最重要。

“通信應(yīng)用中ASIC一定會(huì)存在，但只能在小眾市場(chǎng)生存，”Gilles Garcia判斷。

“現(xiàn)在營(yíng)收還不大，2019年估計(jì)也就幾千萬美元，未來RFSoC將是賽靈思業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的重要推動(dòng)力之一?！彪m然沒有回答筆者關(guān)于出貨量預(yù)期的問題，但Gilles Garcia樂觀看待RFSoC在移動(dòng)通信市場(chǎng)的表現(xiàn)。