造一颗5G相关芯片到底有多难？

6月底，国家发放5G牌照，5G正式被提上日程。 各地开始建设5G基础设施，一些集成电路厂商也随之享受到了利好，在最近刚出炉的全球TOP15半导体厂商中，就有联发科因5G芯片而杀入重围。 须知樱桃好吃树难栽，5G能够驱动巨大的利益当然想要做成的难度就不会小。

在2019年9月4日召开的“5G与集成电路产业机遇”论坛上，来自中兴微电子有线产品中心规划总工王志忠先生，北京中科汉天下电子技术有限公司黄鑫副总裁、美光科技高级副总裁兼移动产品事业部总经理拉杰·塔鲁里以及紫光展锐市场高级市场总监钟宝星就5G的应用场景，5G的发展历程，5G芯片技术的挑战等话题发表了演讲。

“从1G到5G，是一部浩荡的移动通信史。 ”钟宝星总结道。 其实1G之前，人类就有通讯。 语言的出现、文字的出现、印刷术的出现，一系列信息革命导致了现在整个社会的沟通无障碍。 从移动通信的技术上看， 4G的出现已经改变了我们的生活，而5G则将改变社会，5G时代的到来会让信息随心而至，万物触手可及。 黄鑫称，对我国而言，1G是空白，2G是追赶，3G我们形成了局部突破，4G我们的TD-LTE和全球FD-LTE实现了并跑，未来5G将实现超越。

5G为什么会拥有改变社会的能力？ 拉杰·塔鲁里这样说道，5G技术几乎是将所有的设备联以及全球电子设备联系在了一起。 5G比4G流通量更高，更快，甚至它的互联互通性是4G的5倍。

4G可以实现优步打车，在手机上看高清电影等功能，而5G不仅局限于手机，低延迟性让它不仅可以运用于医疗服务，还可以让机器与机器进行沟通交流。

5G可以帮我们打造智慧城市，让我们可以知道每座大楼里面的停车场以及整个城市交通的情况，让出行更加便利。

当然，5G对经济也有重大影响。 拉杰·塔鲁里表示，由于5G得到流通，到2035年大概有12.3万亿的商品和服务，4.6%的全球产出都是由5G网络所带来的，同时会有2200万的就业岗位。

5G是人类历史上最野心勃勃的通信革命，它让物与人，物与物有了更加全面的连接。 eMBB（增强型移动宽带）、mMTC（海量机器类通信）及uRLLC（超可靠、低时延通信）是5G 的三大应用场景。

eMBB是面向以人为中心的娱乐、社交、适用于高速率、大带宽的移动宽带业务，mMTC主要满足海量物联的通信需求，面向以传感和数据采集为目标的应用场景。 uRLLC是基于低延时和高可靠的特点，面向垂直行业的特殊应用需求。

正如王志忠所说，5G承载网络的新特性便来自与这些新的应用场景，包括eMBB带来的海量机器连接、高可靠性和DA值，以及数据算力包括延时、能量密度、能量效率等。

5G带来了不同应用场景的数据，这些数据带来一些端跟云之间的变化，让端和云之间的沟通更紧密，更及时。 王志忠也表示 5G的网络架构从整个架构层面看，跟传统的网络架构是没有太大区别，主要是技术点上，可能是有一些创新，还是分三个部分，一部分是接入平面，第二控制平面，还有一个是转化平面。

王志忠这样说道，要谈5G芯片的设计挑战，得从两个维度来说。 一个是基础的设计层面，还有一个是新需求，新架构层面。

就基础的设计层面来说，也不一定是5G网络或者5G芯片才出现的问题。 通常包括高速接口，因为我们现在看到56G甚至128G都是在设计或者即将商用。 现在SERDES的设计难度，本身延高、延宽都非常少，因此抖动、噪音都带来了很大设计上的难度。 看一下技术的演进趋势，56G在商用阶段，112G未来两三年也会商用。 随着设计难度的增加，后面的SERDES里面，他们会成为主流，主要作用是增强均衡的效果。 另外PZB的设计可能难度越来越大，所以全球互联方案可能也会逐步应用。

还有大规模的芯片，王志忠说道。 前段时间有公司展示了其超大芯片，这个芯片能不能商用还很难说。 现在技术对芯片的尺寸、规模提出了非常多的挑战，因为系统越来越精简，集成度越来越高，所有的接口、网络处理器、CPU，包括背板的交换、路由，各种功能集成在一起，必然会导致芯片的规模越来越大。

就大芯片而言，挑战又可以分成几个层面。 一个是良率，信号完整性、电源完整性挑战都非常大。 还有高速链路信号完整性问题，驱动光点合封的场景。 片间互连的方案有高速的并行接着HBM（高带宽存储器），还有短距离的SERDES，它的设计能力不需要长距那么大，主要难点还是和传统芯片比较像，就是散热，包括翘曲以及SI/PI（信号完整性仿真）的技术上难题。

高速缓存，目前芯片的带宽越来越高，移动网交换芯片1T或者2T在业界其实都不够看，在这种场景下，缓存的带宽实际上并没有发展特别快，所以才会驱动了类似于HPM，GDDR技术的出现。

低功耗设计，不同的开发阶段，功耗优化的收益差别也比较大。 首先早期系统设计，在算法IP等方面，如果说考虑低功耗的设计，那它的收益是最高的。 接下来是架构层面，包括动态电压频率的调整。 接下来到设计阶段，包括RTL（寄存器转换级电路）编码以及综合，编码方面有编码风格，包括微架构的设计。 接下来是后端的PR阶段，可能主要是在中枢的控制上有比较好的设计。 越往后，收益越小。

需求和架构层面，首先是接口，其种类比较多，从10G到100G，200G，800G以及以太网都会出来。

其次是包处理，包处理包括搜索引擎，可能还有流量管理，QUS等一些东西，因为业务是需要有灵活性，所以可编程的特性也有可重构的计算，包括电源效率，计算实际上在整个芯片里面起到了核心的作用。 还有一个关键的特性是延时，低延时主要是在这个路径体现比较明显。

低延时、高精度时钟，高精度时钟跟芯片相关。 延时在接口出去占了主要的部分，所以在5G芯片里面，重点是这个地方控制芯片的时点，用了几个技术。

多线程，网络处理器有并行的多核计算，当然也有流水线的串行处理。 作为网络或者整个流量堵塞，就会造成延时比较大，需要排队、调度，所以它的流量编排、管理是非常重要的。

大连接，mMTC海量的机器连接，对芯片设计造成的影响体现在几个方面： 接口层面接口数量非常多，包括各种端口数量，逻辑端数量； 设计上主要是采用TDM的接口逻辑，另外动态的接口缓存的技术。

拉杰·塔鲁里表示，5G的发展存在诸多好处，无论是连接还是存储，都能产生有很大的作用。 在享受5G带来的红利的同时，半导体产业又是如何去推动5G的发展的？

首先是调制解调器，说到5G产品，必须要提低延迟性、高速度解调器，它要比智能手机应用更多，我们说智能手机可能只用解调器，说到生产甚至消费性的电子，我们都会使用5G的调制解调器。

然后是应用处理器，产品需要始终频率更新，并且还有需要易购的应用，比如视频、AI、摄像机、安全性，我们需要许多的这样处理器，来帮助我们更好的使用5G的技术。

再来是内存和存储，在5G时代，数据会大量增长，据预测，在2018年到2023年智能手机DRAM需求会增长5倍左右，而NAND闪存需求更多，这是至少190亿美金营收的增长机遇，也会加速5G使用。

5G将影响各行各业，对于半导体行业来说，5G意味着巨大的商机。 5G在推动半导体产业发展的同时，半导体产业也在为5G产业贡献芯片。

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