Следующее поколение беспроводных технологий чревато проблемами, но это не замедлило темпы.
Эта технология может похвастаться очень высокой скоростью передачи данных, гораздо меньшей задержкой, чем 4G LTE, и способностью обрабатывать значительно увеличенную плотность устройств на сотовую станцию.Короче говоря, это лучшая технология для обработки потока данных, генерируемых автомобильными датчиками, устройствами IoT и, все чаще, электроникой следующего поколения.
Движущей силой этой технологии является новый радиоинтерфейс, который позволит операторам мобильных сетей достичь большей эффективности при аналогичном распределении спектра.Новая сетевая иерархия упростит работу с сегментированными сетями 5G, позволяя динамически распределять несколько типов трафика в зависимости от конкретных потребностей в трафике.
«Речь идет о пропускной способности и задержке, — сказал Майкл Томпсон, архитектор радиочастотных решений в Cadence’s Custom ICs and PCBs Group.«Как быстро я могу получить большой объем данных?Еще одним преимуществом является то, что это динамическая система, поэтому она избавляет меня от необходимости привязывать весь канал или несколько каналов полосы пропускания.Это похоже на пропускную способность по запросу, в зависимости от приложения.Это то, что.Таким образом, он более гибкий, чем стандарт предыдущего поколения.Кроме того, его мощность намного выше».
Это открывает новые возможности применения в повседневной жизни, на спортивных мероприятиях, в промышленности и на транспорте.«Если я поставлю на самолет достаточное количество датчиков, я смогу им управлять, а с помощью таких приложений, как машинное обучение, он начнет понимать, когда какую-то часть, систему или процесс необходимо отремонтировать или заменить», — сказал Томпсон.«Итак, самолет летит через страну и собирается приземлиться в Ла-Гуардия.Подождите, кто-нибудь придет и заменит его.Это касается очень крупной землеройной техники и горнодобывающего оборудования, где система заботится о себе сама.Вы хотите предотвратить сбой этого оборудования стоимостью в несколько миллионов долларов, чтобы оно не сидело и не ждало доставки деталей. Вы будете получать данные от тысяч этих устройств одновременно. Это требует большой полосы пропускания. и низкая задержка для быстрого получения информации. Если вам нужно развернуться и отправить что-то обратно, вы также можете отправить это очень быстро ».
Одна технология, несколько реализаций В наши дни термин 5G используется по-разному.В самом общем виде это эволюция сотовой беспроводной технологии, которая позволит управлять новыми услугами через стандартный радиоинтерфейс, пояснил Колин Александер, директор по беспроводному маркетингу инфраструктурного бизнеса Arm.«Несколько существующих и новых частот будут выделены для передачи трафика с частотой менее 1 ГГц на большие расстояния, пригородного и более широкого покрытия, а также трафика миллиметрового диапазона от 26 до 60 ГГц для новых вариантов использования с высокой пропускной способностью и малой задержкой».
Альянс мобильных сетей нового поколения (NGMN) и другие разработали нотацию, которая изображает варианты использования в трех точках треугольника — один угол для расширенной мобильной широкополосной связи, другой — для сверхнадежной связи с малой задержкой (URLLC).Тип машины связи.Каждому из них для своих нужд требуется совершенно разный тип сети.
«Это приводит к еще одному требованию для 5G, требованию определения базовой сети», — сказал Александр.«Основная сеть будет эффективно масштабировать все эти различные типы трафика».
Он отметил, что операторы мобильных сетей работают над тем, чтобы обеспечить максимально гибкую модернизацию и расширение своих сетей, используя виртуализированные и контейнерные программные реализации, работающие на стандартном вычислительном оборудовании в облаке.
Что касается типов трафика URLLC, этими приложениями теперь можно управлять из облака.Но это требует переноса некоторых элементов управления и пользовательских функций ближе к краю сети, к радиоинтерфейсу.Например, рассмотрим интеллектуальных роботов на фабриках, которым требуются сети с малой задержкой из соображений безопасности и эффективности.По словам Александера, для этого потребуются блоки периферийных вычислений, каждый из которых имеет возможности вычислений, хранения, ускорения и машинного обучения, и что некоторые, но не все сервисы V2X и автомобильных приложений будут иметь аналогичные требования.
«В тех случаях, когда требуется низкая задержка, обработка снова может быть перенесена на периферию для вычисления и передачи решений V2X.Если приложение больше связано с управлением ресурсами, такими как парковка или отслеживание производителя, вычисления могут быть массовыми облачными вычислениями».на устройстве», — сказал он.
Проектирование для 5G Для инженеров-конструкторов, которым поручено проектирование чипов 5G, в головоломке есть много движущихся частей, каждая из которых имеет свой собственный набор соображений.Например, на базовых станциях одной из основных проблем является энергопотребление.
«Большинство базовых станций спроектированы с использованием передовых технологических узлов ASIC и FPGA, — сказал Джефф Тейт, генеральный директор Flex Logix.«В настоящее время они разработаны с использованием SerDes, которые потребляют много энергии и занимают много места.Если вы можете встроить программируемость в ASIC, вы можете уменьшить энергопотребление и занимаемую площадь, потому что вам не нужны SerDes для быстрой работы вне кристалла, и у вас есть большая пропускная способность между программируемой логикой и ASIC. Intel делает это, помещая свои Xeon и Altera FPGA в Тот же пакет Таким образом, вы получаете в 100 раз больше полосы пропускания Интересные факты о базовых станциях Сначала вы разрабатываете технологию, а затем можете продавать и использовать ее по всему миру.С помощью мобильного телефона вы можете создавать разные версии для разных стран».
Требования различаются для устройств, развернутых в базовой сети и в облаке.Одним из ключевых соображений является архитектура, которая позволяет легко управлять программным обеспечением и легко переносить варианты использования на устройства.
«Экосистема стандартов для обработки виртуализированных контейнерных служб, таких как OPNFV (открытая платформа для виртуализации сетевых функций), очень важна, — сказал Александр из Arm.«Управление взаимодействием между сетевыми элементами и трафиком между устройствами посредством оркестрации услуг также будет иметь ключевое значение.Например, ONAP (Открытая платформа сетевой автоматизации).Энергопотребление и эффективность устройства также являются ключевыми параметрами дизайна».
На границе сети требования включают низкую задержку, высокую пропускную способность на уровне пользователя и низкое энергопотребление.
«Ускорители должны быть в состоянии легко поддерживать множество различных вычислительных требований, которые не всегда лучше всего справляются с ЦП общего назначения», — сказал Александер.Возможность масштабирования очень важна.Поддержка архитектуры, которая может легко масштабироваться между ASIC, ASSP и FPGA, также важна, поскольку граничные вычисления будут распределены по сетям любого размера и на любом устройстве.Масштабируемость программного обеспечения также важна».
5G также может привести к изменениям в архитектуре чипсета, особенно в том, где расположены радиомодули.Рон Лоуман сказал, что, хотя аналоговые внешние интерфейсы решений LTE размещаются на радио, процессоре или полностью интегрируются, когда группы разработчиков переходят на новые технологии, эти внешние интерфейсы обычно сначала перемещаются из чипа, а затем возвращаются на него. .по мере развития технологий Он, менеджер по стратегическому маркетингу Synopsys IoT.
«Ожидается, что с появлением 5G несколько радиостанций, более передовые технологии и более быстрые узлы с более передовыми технологиями, такие как 12 нм и выше, будут играть важную роль в интегрированных компонентах», — сказал Лоуман.«Это требует, чтобы преобразователи данных, которые подключаются к аналоговому интерфейсу, могли обрабатывать гигавыборки в секунду.Также всегда важна высокая надежность.Такие факторы, как открытый спектр и использование Wi-Fi, делают это намного сложнее, чем в прошлом.Попытка справиться со всем этим — непростая задача, и машинное обучение и искусственный интеллект могут хорошо подойти для выполнения части тяжелой работы.Это, в свою очередь, влияет на архитектуру, так как загружает не только обработку, но и память».
Томпсон из Каденс соглашается.«По мере того, как мы разрабатываем 5G или IoT для более высоких стандартов 802.11 и даже некоторых соображений ADAS, мы пытаемся снизить энергопотребление, быть дешевле, быть меньше и повышать производительность за счет перехода на узлы меньшего размера.Сравните это с вашей смесью опасений, наблюдаемой в Российской Федерации», — сказал он.«По мере того, как узлы становятся меньше, ИС становятся меньше.Чтобы микросхема могла в полной мере использовать свой меньший размер, она должна быть в меньшем корпусе.Есть стремление сделать вещи меньше и компактнее, но это нехорошо».для радиочастотного дизайна».«…в моделировании я не слишком беспокоюсь о влиянии схемы на распределение.Если у меня есть кусок металла, он может немного выглядеть как резистор, но он выглядит как резистор на всех частотах.Если это радиочастотный эффект, то это линия передачи, она будет выглядеть по-разному в зависимости от того, какую частоту я передаю по ней. Эти поля будут срабатывать в других частях цепочки. Теперь я собрал все ближе друг к другу и когда это Таким образом, степень соединения увеличивается экспоненциально. Когда я добираюсь до меньших узлов, эти эффекты связи становятся более выраженными, что также означает, что напряжение смещения меньше. Таким образом, шум является большим эффектом, потому что я не смещаю устройство вниз. более низкое напряжение, тот же уровень шума имеет больший эффект. Многие из этих проблем присутствуют на системном уровне в 5G».
Новый акцент на надежность Надежность приобрела новое значение в беспроводной связи, поскольку эти микросхемы используются в автомобильной, промышленной и медицинской сферах.Как правило, это не относится к беспроводной связи, где сбои соединения, снижение производительности или любые другие проблемы, которые могут нарушить работу службы, обычно рассматриваются как неудобство, а не как проблема безопасности.
«Нам нужно найти новые способы проверки того, что чипы функциональной безопасности будут работать надежно», — сказал Роланд Янке, руководитель отдела методов проектирования Fraunhofer EAS.«Как отрасль мы еще не достигли этого.Сейчас мы пытаемся структурировать процесс разработки.Нам нужно посмотреть, как взаимодействуют детали и инструменты, и у нас много работы, чтобы обеспечить согласованность».
Янке отметил, что до сих пор большинство проблем возникало из-за одной ошибки проектирования.«А если жуков два или три?Верификатор должен сообщить дизайнеру, что может пойти не так и где находятся ошибки, а затем отменить их в процессе проектирования».
Это стало серьезной проблемой на многих рынках, критически важных для безопасности, а большой проблемой для беспроводных сетей и автомобилей является постоянно растущее число переменных с обеих сторон.«Некоторые из них должны быть разработаны так, чтобы они всегда были включены», — говорит Оливер Кинг, технический директор Moortec.«Моделирование заранее может предсказать, как вещи будут использоваться.Трудно предсказать.Потребуется время, чтобы увидеть, как все работает».
Требуется деревенская сеть.Тем не менее, достаточное количество компаний считают, что 5G имеет достаточно преимуществ, чтобы оправдать усилия по созданию инфраструктуры, необходимой для того, чтобы все это работало.
Магди Абадир, вице-президент по маркетингу Helic, сказал, что самая большая разница с 5G будет заключаться в предлагаемой скорости передачи данных.«5G может работать на скорости от 10 до 20 гигабит в секунду.Инфраструктура должна поддерживать тип скорости передачи данных, а чипы должны обрабатывать эти поступающие данные.Для приемников и передатчиков в диапазонах выше 100 ГБ также необходимо учитывать частоту.В РФ привыкли к частоте 70 ГГц для радаров и тому подобного».
Создание этой инфраструктуры — сложная задача, охватывающая несколько звеньев цепочки поставок электроники.
«Магия, о которой говорят, чтобы это произошло, заключается в попытке сделать большую интеграцию на радиочастотной стороне SoC», — сказал Абадир.Интеграция с аналоговыми компонентами АЦП и ЦАП с очень высокой частотой дискретизации.Все должно быть интегрировано в один и тот же SoC.Мы видели интеграцию и обсуждали вопросы интеграции, но это все преувеличивает, потому что ставит высокую цель и заставляет разработчиков интегрировать даже больше, чем считалось ранее.Очень сложно все изолировать и не затрагивать соседние цепи».
С этой точки зрения 2G — это в первую очередь передача голоса, а 3G и 4G — больше передача данных и более эффективная поддержка.Напротив, 5G представляет собой распространение различных устройств, различных услуг и увеличение пропускной способности.
«Новые модели использования, такие как расширенная мобильная широкополосная связь и подключение с малой задержкой, требуют 10-кратного увеличения пропускной способности», — сказал Майк Фиттон, специалист по стратегическому планированию и развитию бизнеса в Achronix.«Кроме того, ожидается, что 5G станет очень важным для V2X, особенно для следующего поколения 5G.5G Release 16 будет иметь URLLC, что очень важно для приложений V2X.Приложение сетевого типа.
Планирование неопределенного будущего 5G часто рассматривается как серия превосходных степеней с 10-кратной большей пропускной способностью, 5-кратной задержкой и в 5-10 раз большим количеством устройств.Это осложняется тем, что чернила в спецификациях 5G не очень сухие.Всегда есть поздние дополнения, которые требуют гибкости и превращаются в программируемость.
«Если принять во внимание две большие потребности аппаратного канала передачи данных из-за высокой пропускной способности и потребности в гибкости, это означает, что вам, вероятно, понадобится какой-то выделенный SoC или ASIC, который имеет больше возможностей программирования между аппаратным и программным обеспечением.…если вы посмотрите на каждую платформу 5G сегодня, все они основаны на FPGA, потому что вы просто не видите пропускной способности.В какой-то момент все основные OEM-производители беспроводных сетей, вероятно, перейдут на более экономичное и оптимизированное программное обеспечение ASIC, но им потребуется гибкость и стремление снизить затраты и энергопотребление.Речь идет о сохранении гибкости там, где она вам нужна (в FPGA или встроенных FPGA), а затем о добавлении функциональности, где это возможно, для достижения наименьших затрат и энергопотребления».
Тейт из Flex Logix соглашается.«В этой сфере работает более 100 компаний.Спектр другой, протокол другой, и используемые микросхемы другие.Чип повторителя будет более ограничен по мощности на стенах здания, где может быть место, где eFPGA более ценен».
Истории по теме Тернистый путь к 5G Как далеко зайдет эта новая беспроводная технология и какие проблемы еще предстоит преодолеть?Тестирование беспроводных сетей сталкивается с новыми проблемами Появление 5G и других новых беспроводных технологий еще больше усложняет тестирование.Беспроводное тестирование является одним из возможных решений.Tech Talk: что 5G, новый стандарт беспроводной связи, означает для технологической отрасли и какие проблемы ждут впереди.Начинается гонка тестового оборудования 5G Следующее поколение беспроводных технологий все еще находится в разработке, но поставщики оборудования готовы тестировать 5G в пилотных развертываниях.
Отрасль добилась прогресса в понимании того, как старение влияет на надежность, но больше переменных затрудняет исправление.
Группа изучает потенциал 2D-материалов, 1000-слойной памяти NAND и новых способов найма талантов.
Гетерогенная интеграция и растущая плотность интерфейсных узлов создают сложные и пугающие проблемы для производства и компоновки ИС.
Проверка процессора намного сложнее, чем ASIC сопоставимого размера, а процессоры RISC-V добавляют еще один уровень сложности.
127 стартапов привлекли 2,6 миллиарда долларов, при этом значительное финансирование было привлечено за счет подключения к центрам обработки данных, квантовых вычислений и аккумуляторов.
Отрасль добилась прогресса в понимании того, как старение влияет на надежность, но больше переменных затрудняет исправление.
Неоднородные конструкции, тепловое несоответствие в различных вариантах использования могут повлиять на все, от ускоренного старения до деформации и отказа системы.
Новый стандарт памяти добавляет существенные преимущества, но он по-прежнему дорог и сложен в использовании.Это может измениться.
Время публикации: 16 марта 2023 г.