4G 無線技術是SoC 架構的演進還是分水嶺？
( 1 月 1 日 2008 年)
Ron Wilson，執行編輯，EDN雜誌
幾乎像神話一般的第四代無線服務 4G 可能是思考全新系統單晶片（system-on-chip，SoC）架構的源頭。或者，它只是推動現今基頻無線 IC 的一次自然演進。它可能會為消費端客戶帶來全新類型的行動服務。也可能只是把你的電子郵件附件處理得比較好一點罷了。它也可能是一項努力要在2015年實現且沉重的工程挑戰。也可能在今後數年內就實現。
要瞭解 4G 可能對 SoC 設計產生的影響，就必須深入去了解一下人們在使用這個辭彙時的意義，瞭解一些有關支持這種服務的計算挑戰，並聽聽一些系統架構師如何因應這些挑戰的做法。
有關 4G 影響的很多不同觀點都有一個共同的來源：缺乏明確的定義。德州儀器公司無線首席技術長 Bill Krenik 警告說：“我們必須從定義開始。因為圍繞著該名詞所存在的大量爭議與混亂，已經使它幾乎失去了意義。”
Krenik 說，很多人都認為 4G 是一種到處都有無線連接的新世界，是真正的任意時刻和任何地點；並且意味著這種連接可以支持互動、基於地點（location-based），以及豐富媒體的服務。想像你走在一個不熟悉城市的街道上，手裡拿著手機，看著它即時且連續地顯示出前方街道的移動影像以及地圖資料、建築物標記以及感興趣的地點、到達目標的路徑，以及你的通訊錄中所登錄人員的位置。或再想像一下，同一部手機還能把城市的街道變成一個多人視頻遊戲，你與其他遊戲玩家的化身、立體顯示的怪獸和武器相互競爭，並能呈現出虛擬戰鬥中逼真的受傷影像。
對於那些要實現該基本系統的（underlying system）其他人來說，這些人通常把 4G 看成是更具體的辭彙。Krenik 解釋說：“在 TI，我們不會試圖對 4G 下一個教條性的定義。而寧願用名稱來稱呼這些真實的技術：高速封包存取+（high-speed packet access plus，HSPA+）、WiMax、長期演進（long-term evolution，LTE）。到 3G 時，美國提出了一個標準，而其他所有事情都還只是意見。”他進一步指出，最好有一個組織，負責推廣 GSM 通信的部署以及朝 3G 的演進。
還有其他的工程師則持一種較定量的（quantitative）觀點。Nokia Siemens Networks 的高級射頻產品經理 Alan Brown 說，這些工程師在定義 LTE 時，也在推動著第三代夥伴專案（Third Generation Partnership Project，3GPP）的方案，他們將 4G 構想成“對行動設備有 100 Mbps 的峰值流量，對筆記型電腦等遊牧（nomadic）設備有 1 Gbps 的峰值。”每種觀點都對實現 4G 手機的基頻 SoC 提出了不同期望的組合。
發展基頻 SoC
從最簡單的期望組合開始（即 LTE 的展望），行動設備將以某種方式實現至少 100 Mbps 的下行鏈路峰值數據速率。飛思卡爾半導體公司副總裁兼高級院士（Senior Fellow） Ken Hansen 說：“在功能上，它要求的基頻與我們今天用於全球行動電信系統（Universal Mobile Telecommunications System ，UMTS）的沒有區別。”功能區塊包括用來執行採樣率功能的硬體加速器、執行介質存取控制（MAC）的 CPU 核心、一個安全引擎，以及一個主控介面。
來自射頻、並以採樣速率行進的數據，會經過類比數位的轉換、經過一些前端數位處理，然後進入一個快速傅利葉轉換（fast-Fourier-transform，FFT）引擎，此一引擎將正交頻分多工（orthogonal-frequency- division-multiplexed ，OFDM）信號分離成其許多的組成頻率段（constituent frequency band）。然後頻域信號經過進一步的數位調整，進入一個檢波器（detector），不是不像（not unlike）硬碟中的讀取通道，該檢波器會對每一載波上的 64 QAM（正交振幅調幅法）信號進行解碼，從每個有效載波產生一個符號。這些符號經由加速的（turbo）解碼來進行解壓縮。
在這種架構中，3G 與 4G 之間的區別在於量的差異，而不是種類。Qualcomm CDMA Technologies的產品管理高級總監 Peter Carson 指出：“在 3G 時，我們在每一赫茲頻寬提取出大約 1 bps。要實現 100Mbps 的流量，4G 基頻必須要遠多於此一數字：在更寬的頻段上，每赫茲至少是 3 或 4 bps。”
實際應用中，這種情況與 UMTS 900 使用者的 5 MHz 通道相比，意味著要在一個 20 MHz 通道上分佈更多的載波頻率。這也可能意味著要用多輸入/多輸出（multiple-input/multiple-output ，MIMO）結構的多支天線。今天，MIMO 配置通常用於通道均衡：找出一種將兩支天線信號組合在一起的方法，以獲得最好的接收效果。但 4G 還有一些其他東西：用波束成形（beam-forming）演算法，使每對基地台的天線和接收機天線成為一個獨立的通道，從而使有效頻寬倍增。 Hansen 說：“研究顯示，在多接收機的情況下，可以用兩根天線獲得 1.75 倍的資料速率。”
所有這些功能都需要矽晶片。較高的採樣率和更寬的通道意味著需要一個更大、更耗電的 ADC，以及一個更快、更寬的 FFT 引擎。但最大的問題是來自於提供一個 100 Mbps 峰值流量的要求，這意味著要有更快的符號速率（symbol-rate）處理器、大量的記憶體，以及一個用於 MAC 的更快處理器。Hansen 說：“我們看到進入 MAC 的 10 倍數據速率，而某些交易（transaction）所允許的延遲只有 1/10。但考慮功率的因素，MAC的運行頻率必須要遠低於位元率（bit rate）。這個問題很有意思。”
Qualcomm的 Carson 對此也表示同意。他說，“峰值資料速率直接轉化為晶粒（die）尺寸。架構師必須自問的一件事是：設定的峰值資料速率與所需晶粒尺寸是否與網路實際提供的平均數據速率相適應。”
如果對晶片成本的敏感性很低，則這種速率的基頻架構可以有所改進。Carson 說，Qualcomm當前的 Snapdragon 架構對擴充至 30 到 40 Mbps的峰值資料速率仍然有充分的因應能力。這個速度並沒峟滿足 LTE 規範，但 LTE 稍後才會出現，有些人稱它為後期的演進（late-term evolution），這可能使 32 nm CMOS 製程有時間擺脫此一架構。
非演進式設計
演進式架構（evolutionary architecture）的第一個挑戰是來自於 MIMO。Infineon Technologies AG 通信服務事業群的功能電話業務單位的 Thuyen Le 博士解釋說：“MIMO 是用來提高無線鏈路的品質。一種構想是把它當作發射機和接收機的分集（diversity），以對抗衰減（fading）。另一種構想是將衰減用於空間多工，這樣就可以在多個發射天線上，同時傳輸獨立的資料串流，從而增加了使用者的資料速率。不過這種方法取決於通道矩陣安排的情況有多好而定。因此，根據這兩種想法，我認為實現高資料速率必須使用 MIMO。”
過去空中介面設計者要採用一對接收天線來改善通道均衡，現在他們轉而採用分域多工（spatial-division multiplexing）來建立多個實際通道，這樣，射頻部分重複的硬體數量就會大幅增加。每一天線都需要自己的類比前端和數位前端，而射頻也需要為多數的數位基頻複製或增加流量（圖 1）。這種要求本身並不會強制要求架構的創新（只是非常類似），但還有功耗的問題。
圖 1 Infineon對 LTE 下行鏈路接收器的觀點顯示，哪怕處理雙天線 MIMO 也很複雜。
所有 4G 架構都有一個限制因素，即射頻部分必須以當前功耗的一小部份來處理 10 倍的峰值資料速率，以便騰出電量用於能耗大幅增加的應用級處理。市場調查公司 Forward Concepts 總裁 Will Strauss 估計，一款 4G 手機的計算功率最終將是當前 3G 手機的 100 倍。Strauss 認為：“所有人的最大希望都在 32 nm 製程，但現實是新製程的能耗並沒有下降這麼多。你在動態功耗上所獲得效益，洩漏功耗可能會讓你賠回去。這可能歸結為尋找新穎的架構和電源管理方法，否則就要隨身帶著一個手機電池。”
還有其他的因素也在讓人們思考新穎的架構。這就是前面所提到的，一是簡單表述一個峰值資料速率（如 LTE 規範），另外則是想像一種新的手機使用方法（例如很多正在對投資者宣講4G 未來的很多空想家），它們之間是不同的。
想像未來
大學校際微電子中心（Interuniversity Microelectronics Center，IMEC）科學總監 Liesbet Van der Perre 表示：“4G現在沒有明確的定義是真的。但我相信，我們應該是在談論一個異質網路（heterogeneous network），它可以比現有網路支援更高的行動性和資料速率。今天，如果是真正的行動應用，速度不會超過 2 Mbps，但 4G 應意味著 10 至 20 Mbps 的實際流量。對良好的視頻應用，至少要有穩定的 10 Mbit，而不是峰值，例如，3G 的缺點之一就是它無法為良好的視頻應用提供穩定的資料速率。”
Van der Perre 及其它研究人員描述了一種環境，它比今天無線網路可以實現的任何事情都更有活力。她說：“今天，一家手機矽晶片供應商面臨的情況是 30 個空中介面、多個非連續的通道，以及很多同時運行、差異很大的服務。”但一家供應商的手機只支援這種複雜現象中的其中一個小子集，這就大幅簡化了複雜性。
今後，為同時確保有足夠的連續頻寬（想像一下跟隨行動手機的位置與方向而調整的即時視頻）和能效（總是選擇正好夠用的頻寬和和用於當前混合任務的編碼長度），一種行動設備可能要與多個供應商進行連續協商，所有這些都要一次同時使用多個基地台的許多空中介面（圖 2）。突發資料、視頻串流、控制資訊和鍵盤與攝影鏡頭的返回通道都可能即時地在不同的服務上傳送並切換。例如，保持攝影鏡頭靜止，可以用 H.264 來進行運動補償，從而大幅減少將其連接到遊戲伺服器農場（game-server farm）所需的位元率。因此，這個動作可以讓射頻控制器選擇一個有較低位元率的空中介面。
圖 2 IMEC 研究人員想像一種可即時重新配置的資源陣列，當頻寬需求改變時，它能立即在空中介面和通道條件之間進行轉移。
Van der Perre 表示，從這種世界的觀點來看，用今天的硬體處理流水線結合專用的區塊，就是一種中間的選擇。她發現了可以設定的相似處理器之模組化、異質簇（heterogeneous cluster），以及一個可配置的互連網路，它能實現即時動態處理器配置以及任務映射。在此一架構中，積極的能量管理技術也成為可能，包括快速的電壓- 頻率調節、空閒單元的適度細粒度（fine-grained）之電源閘控，以及演算法在軟體與硬體之間的敏捷行動。確實，儘管採用了 32 nm CMOS 製程，這種方案可能是唯一一種滿足真正 4G 終端能效需求的方法。
所有這些元素都在 IMEC 的各種研究計畫中逐漸成形，也許這解釋了 Van der Perre 的世界觀。但這絕不是一種孤立的觀點，至少在私底下是這樣的。各家公司都公開表示自己專注基於流水線的硬體架構，但只有一個頗有地位的業內消息人士表示，一些主要矽晶片供應商都有深度介入、大規模投資的研究小組正在探索 4G 平臺的大型多核心架構。
多數大型多核心架構的一個重要挑戰在這裡卻不是問題：高位元率基頻處理中的大多數負荷正是業界感覺為難的並行處理。僅靠分割資料方法難以分配任務。但設計成功的關鍵是系統控制、動態負載均衡，以及（也許是最重要的）能量管理工作，它們新穎而複雜。從這點看，4G 其實並不是革命性的，而是穩步的前進，在這個過程中，設計者要將全新的即時嵌入式處理塑造成形。
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