5G興，FPGA王？


5G無疑是當下電子行業都在期待的一場盛宴。在“5G改變世界”的宏大願景下，大家都希望能夠搭上“順風車”，開啟新一輪的高速增長。

在半導體行業中，很多跡象表明FPGA將成為支撐5G的一種關鍵的計算架構，甚至有人斷言“5G興，FPGA王”，認為FPGA將成為5G信號處理中佔據統御地位的“王者”。

這樣的說法從何而來？靠不靠譜儿？我們今天不妨一起來看看。




5G的新挑戰

作為人類在移動通信領域的巔峰之作，5G在實現各種性能和功能上突破的同時，確實也帶來了諸多挑戰。比較突出的有以下三個方面：

• 首先，無線電管理的複雜性增加
為了滿足在緊張的頻譜資源下高速率的需求，5G採用Massive MIMO，這就需要更為先進的波束成形算法，勢必增加無線電管理方面的複雜性。

• 其次，是如何管理前傳帶寬（Fronthaul BW）
在4G CPRI協議的基礎上，5G又引入了XRAN、eCPRI、ETH等協議，要實現多協議支持，達到“融合接入”，需要足夠的帶寬，同時要有冗餘設計資源來支持不斷演進的5G協議。

• 第三，回傳吞吐量增加了實時處理壓力
5G回傳吞吐量將是4G的10倍以上，這樣大的數據量，對後續處理能力提出更高的要求。




如果我們對上述的挑戰做進一步的解讀，將其“翻譯”為對5G信號處理和計算平台的要求，可以歸納為以下幾點：

• 5G系統更為複雜，需要更為強勁的算力支持；
• 同時又要滿足體積、功耗、成本等方面的約束；
• 需要有靈活的可配置性，應對協議的發展和算法的迭代；
• 還需要以更智能的方式，根據不同場景自適應調節，提升處理效率。



根據這樣的標準去對標，FPGA確實是一種非常合適的技術，如果能夠在此基礎上，根據5G的需求做進一步地
優化，最終定義出更有針對性的平台化產品，FPGA離“王者”的位置也就會更近一步。



RF SoC平台

實際上對於這樣的挑戰和機遇，FPGA廠商早就有所體認，而且幾年前就已經開始行動了。其中Xilinx公司2017年推出的RFSoC，就是最典型和成功的範例。

顧名思義，RFSoC不是一個單純的可編程邏輯器件，而是一個集成了多種功能模塊的異構平台。一種更通俗的理解就是，Zynq FPGA SoC是Xilinx推出的一個Arm+FPGA的異構平台，RFSoC則是在Zynq的基礎上進一步集成了高性能的ADC和DAC，以及其他專用的功能電路模塊，構成了一個面向5G的專用計算平台。



圖1，Xilinx RFSoC平台路線圖（圖片來源：Xilinx）


這樣的新架構帶來的最直接的好處就是系統功耗和體積上的優化，根據Xilinx提供的數據，通過用集成直接RF採樣技術取代分立數據轉換器（ADC和DAC），RFSoC可削減50- 75% 的功耗和封裝尺寸，讓5G高帶寬、小體積的方案探索更為順暢。與此同時，這種編程平台帶來的靈活性也是不言而喻的，它減少了人們在5G部署初期由於不確定性而帶來的猶疑。



隨著5G商用進程的加速，RFSoC在短短兩年的時間裡，已經連續推出了三代產品。按照規劃，於2019年下半年上市的第三代RFSoC，將支持8個或16個10.0GS/S DAC，以及8個5.0GS/S或16個2.5GS/S ADC，可對6GHz以下頻段直接RF採樣提供全面支持，功耗也將進一步降低20%。



圖2. 第三代RFSoC平台系統框圖（圖片來源：Xilinx）



引入AI

不過，對照未來5G的技術需求，目前的RFSoC還不盡完美，所以在Xilinx的藍圖中下一代RFSoC的開發已經啟動。第四代RFSoC中一個最核心的目標就是，在無線電中增加機器學習等推斷技術，將人工智能技術（AI）引入其中，這樣就可以根據網絡和用戶的情況作出智能地判斷，​​作出最“恰當”的反應，以最大化信號處理資源的使用效率。

比如想讓Massive MIMO的波束成形算法更有效，可以用機器學習算法根據用戶的行為來優化波束成形的技術，預測什麼時候什麼樣的用戶會加入某個片區網絡，預先分配一個波束給用戶，實現更精準的波束投放。



然而實現這種構想，現有的計算平台是不足以勝任的，這就需要仰仗Xilixn全新的ACAP（Adaptive Compute Acceleration Platform，自適應計算加速平台）架構。 ACAP基於最新的7nm半導體工藝，這款高度集成的多核異構計算平台中集成了標量引擎（CPU）、自適應引擎（FPGA）和智能引擎（矢量處理器）等多種計算架構，能根據各種應用中工作負載的不同需求對硬件層進行靈活配置。



圖3，Versal ACAP功能框圖（圖片來源：Xilinx）


被稱為Versal AI RF的新一代RFSoC就將建立在這樣一個平台上，按照Xilinx的測算，AI的核心引擎可以把無線電的算法和AI算法結合在一起，相比現有基於16nm技術的平台，新方案可以將速度性能提高5倍。這樣對5G信號處理的支持無疑會更給力，讓開發者信心倍增。

可以說，通信行業是FPGA傳統的主流應用市場，隨著5G的興起，FPGA也一定會迎來新一波的發展浪潮。但是是否真正能夠達到“5G興，FPGA王”的境界，將標題中的問號變成嘆號，除了市場機會，也是事在人為。對市場的洞察、技術上的積澱，以及產品設計上的巧思……諸力疊加，才能夠獲得5G盛宴的VIP入場券。在這方面，Xilinx的RFSoC已經用實力證明，Ta確實是一個不容忽視的“人選”。



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