3G時(shí)代通信芯片開(kāi)發(fā)趨勢(shì)探討

摘要：通信芯片作為半導(dǎo)體行業(yè)最為活躍的市場(chǎng)應(yīng)用之一，其發(fā)展趨勢(shì)一直備受矚目。本文分析了3G時(shí)期通信芯片的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：3G；通信芯片；應(yīng)用處理器；低功耗

　　隨著電信運(yùn)營(yíng)商重組的塵埃落定以及北京奧運(yùn)會(huì)的勝利召開(kāi)，中國(guó)3G的推進(jìn)過(guò)程終于在多年的期盼之后真正開(kāi)始加速，據(jù)悉，除了現(xiàn)有的10城市TD測(cè)試網(wǎng)之外，估計(jì)在2009年2季度，消費(fèi)者就可以享受到正式商用的3G服務(wù)。

　　雖然，中國(guó)3G演進(jìn)的過(guò)程有些拖沓冗長(zhǎng)，這其中也有一些企業(yè)的加入和離開(kāi)，不過(guò)，對(duì)于這個(gè)硬件總價(jià)值高達(dá)4000億美元的市場(chǎng)，前期大量的技術(shù)積累對(duì)任何企業(yè)來(lái)說(shuō)都是值得的。2008年下半年注定是3G相關(guān)硬件開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵時(shí)期，我們?cè)谶@里從基站設(shè)備和終端芯片角度與大家一起分享3G通信芯片開(kāi)發(fā)的技術(shù)需求和發(fā)展趨勢(shì)。

　　基站芯片

　　ABI Research表示，全球無(wú)線(xiàn)基站半導(dǎo)體市場(chǎng)2008年可以達(dá)到60億美元，2010年預(yù)計(jì)將接近75億美元，這其中中國(guó)為首的發(fā)展中國(guó)家3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是最主要的市場(chǎng)推動(dòng)力。

　　從技術(shù)特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，3G以提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為目的，語(yǔ)音是GSM的特長(zhǎng)，因此，3G基站的硬件必須在面向業(yè)務(wù)、性能提升、可靈活部署、可平滑演進(jìn)的要求基礎(chǔ)上，對(duì)語(yǔ)音業(yè)務(wù)進(jìn)行有效地優(yōu)化，從而保證3G網(wǎng)絡(luò)提供的語(yǔ)音業(yè)務(wù)質(zhì)量。同時(shí)，從2G到3G的演進(jìn)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，而且多種3G標(biāo)準(zhǔn)都將獲得商用，因此，支持多標(biāo)準(zhǔn)的基站產(chǎn)品將成為一個(gè)重要方向。3G基站除了要提供3G的功能外，還要在硬件、軟件方面考慮與2G的融合。另一個(gè)需求考慮的問(wèn)題是成本，包括基站建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本，這就要求基站設(shè)備盡可能同時(shí)支持多個(gè)網(wǎng)絡(luò)或者兼容提供2G服務(wù)，同時(shí)在網(wǎng)路升級(jí)頻率提升的同時(shí)要保證設(shè)備的使用期限，此外還要盡可能減小服務(wù)器提及和功耗，以降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

　　從這些要求可以初探對(duì)基站芯片的發(fā)展要求，首先是高性能的處理能力，作為以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的3G網(wǎng)絡(luò)，其單用戶(hù)的下行數(shù)據(jù)量提升為至少384kbit/s，數(shù)據(jù)處理能力比GSM時(shí)提升了至少3倍，如果考慮到HSPA，數(shù)據(jù)處理需求更為明顯。因此，基站處理器的處理能力必須得到大幅提升。其次，芯片靈活性的需求更為明顯，由于3G基站需要支持多種標(biāo)準(zhǔn)，以及與GSM兼容，這就要求基站設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)必須要盡可能靈活，能夠在支持多種標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，還要可以靈活的進(jìn)行升級(jí)。要實(shí)現(xiàn)這些要求，必須從芯片設(shè)計(jì)上入手，不僅要滿(mǎn)足對(duì)新業(yè)務(wù)的有效支持，還必須具有極大的靈活性，支持一定范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)。再次，由于3G頻譜變得更為珍貴，以及基站新站址投資將更加龐大，因此基站芯片要提供更好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和更好的功能支持，這對(duì)整個(gè)射頻發(fā)射部分和PA都提出更高的需求。最后，基站的功耗已經(jīng)成為運(yùn)營(yíng)商一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)，基站芯片可以說(shuō)是基站降耗的主力軍，如何在提升處理和發(fā)射性能的同時(shí)降低芯片工作的能耗，就成為基站芯片設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題。

圖1  一種典型的網(wǎng)絡(luò)多核處理器架構(gòu)示意


　　通過(guò)這些需求，我們不難發(fā)現(xiàn)，原有的ASIC已經(jīng)不再成為通信設(shè)備處理單元的首選，一方面由于其不夠靈活的硬件結(jié)構(gòu)，另一方面也不適合低功耗和低成本的發(fā)展需求。因此，F(xiàn)PGA和多核DSP就成為基站處理的首選，3G基站主要包括接入控制單元、基帶、射頻單元和功放單元，一般采用DSP、FPGA及通用控制器的混合架構(gòu)體系。在無(wú)線(xiàn)基站網(wǎng)絡(luò)中采用了可編程器件可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程基站升級(jí)，大幅提升設(shè)備靈活性和基站設(shè)備壽命，同時(shí)避免高昂的運(yùn)輸費(fèi)用和硬件開(kāi)發(fā)費(fèi)用。另外，F(xiàn)PGA的制程一直處于半導(dǎo)體領(lǐng)先行列，可以有效降低設(shè)備的整體功耗。如今語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)服務(wù)成為業(yè)界潮流，下一代有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)DSP的處理能力要求越來(lái)越高，一般通過(guò)增加DSP數(shù)量和提高DSP頻率來(lái)滿(mǎn)足大量并行處理能力需求，通信DSP的龍頭廠商飛思卡爾、德州儀器等相繼推出多核DSP.多核DSP可以滿(mǎn)足3G服務(wù)器的多個(gè)特有需求，一是增加對(duì)多媒體和數(shù)據(jù)功能業(yè)務(wù)的支持，這是DSP的存在原因所在，二是在提升處理能力的同時(shí)又可以保持較低的功耗和系統(tǒng)的穩(wěn)定，處理器能力的提升，需求增加芯片的處理能力，而如果增加處理器的主頻需要增大功耗，采用多核處理器可以避免這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)增加核的數(shù)量提升處理能力又不增加功耗，特別的，多核處理器可以通過(guò)并行編程實(shí)現(xiàn)不同的功能，從而減少基站芯片的采用數(shù)量，降低成本和功耗。

　　終端芯片

　　相比較2G而言，由于3G網(wǎng)絡(luò)能夠提供更大的傳輸速度，使消費(fèi)者得以擁有更流暢完整的用戶(hù)經(jīng)驗(yàn)，包括游戲、用戶(hù)界面等方面，除了手機(jī)的運(yùn)算能力以外，手機(jī)服務(wù)內(nèi)容供應(yīng)商所能提供的服務(wù)內(nèi)容將會(huì)3G發(fā)展的重要推力之一。

　　3G終端芯片將以高集成度、高性能、低功耗為特點(diǎn)，芯片數(shù)據(jù)處理速度大幅提升，手機(jī)芯片追求更快的數(shù)據(jù)處理速度，以實(shí)現(xiàn)手機(jī)多種功能，以及更高的頻率以實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)各種應(yīng)用的整合，手機(jī)芯片還必須具備強(qiáng)大的多媒體功能。多媒體應(yīng)用芯片的研發(fā)，已成為3G手機(jī)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)和競(jìng)爭(zhēng)制勝的利器。除此之外，3G應(yīng)用還會(huì)拉動(dòng)手機(jī)基礎(chǔ)芯片的升級(jí)，比如：電源管理、存儲(chǔ)器等。此外，芯片將繼續(xù)低成本趨勢(shì)，為加速3G終端的普及，3G終端成本持續(xù)下降也成為業(yè)界另一個(gè)焦點(diǎn)和趨勢(shì)。

　　在3G終端中，多模是一個(gè)必不可少的趨勢(shì)，而多模單芯片就成為手機(jī)終端芯片發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的突破與手機(jī)BOM成本的持續(xù)下降，外型上輕薄短小的挑戰(zhàn)促使手機(jī)芯片向高度集成化發(fā)展。3G手機(jī)不僅需要兼容2G網(wǎng)絡(luò)，Wi-Fi、WiMAX、藍(lán)牙與GPS等功能，甚至是接下來(lái)的4G，都必須在單一裝置里能夠支持。WiMAX Forum研究報(bào)告指出，未來(lái)雙模芯片將可能取代傳統(tǒng)的Wi-Fi芯片，成為無(wú)線(xiàn)寬帶接取市場(chǎng)上的主要芯片技術(shù)。雙模芯片設(shè)計(jì)還會(huì)整合多媒體編譯碼器如JPEG、MP3、MPEG4／H.263等，以支持各種的多媒體應(yīng)用；同時(shí)還會(huì)整合USB收發(fā)器、相機(jī)影像處理等功能，也提供接口支持WLAN、IrDA、Bluetooth、USB OTG2.0等。

　　當(dāng)然，多模化趨勢(shì)需要芯片設(shè)計(jì)者解決許多問(wèn)題，首先是射頻（RF）部分如何進(jìn)行整合，通常是先從相同頻段、相近頻段開(kāi)始整合，或從應(yīng)用相近開(kāi)始整合，藍(lán)牙與Wi-Fi整合為一因?yàn)槎际褂?.4GHz頻段，射頻及相關(guān)模擬前端電路有很大程度可以共享，甚至是共享同1支收發(fā)天線(xiàn)。進(jìn)一步的，芯片業(yè)者為了達(dá)到更高的整合度，會(huì)嘗試將原有各自獨(dú)立設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、封裝的MAC芯片、RF芯片合并為一，而MAC（媒體存儲(chǔ)控制器）部分已屬數(shù)字化，因此多是使用半導(dǎo)體最普遍、最標(biāo)準(zhǔn)的“硅CMOS結(jié)構(gòu)”制程。不過(guò)RF方面為了追求無(wú)線(xiàn)通訊時(shí)的收發(fā)性能表現(xiàn)，使用砷化鎵（GaAs）、鍺化硅（SiGe）等材料反而較硅為佳，同時(shí)BiCMOS結(jié)構(gòu)也比CMOS結(jié)構(gòu)理想，但這些材料與結(jié)構(gòu)并不如硅CMOS結(jié)構(gòu)的技術(shù)普及低廉，也不易與純數(shù)字的MAC芯片整合。所以，將RF芯片電路改以標(biāo)準(zhǔn)CMOS方式實(shí)現(xiàn)，才便于與MAC整合，TI的數(shù)字射頻處理器（DRP）即是此種作法，將射頻電路盡可能數(shù)字化，并使用硅CMOS結(jié)構(gòu)制造，如此不僅可與MAC芯片整合為一，進(jìn)一步還能實(shí)現(xiàn)手機(jī)單芯片，甚至是低成本、超低成本的手機(jī)單芯片。

　　多模化要求芯片集成更高的運(yùn)算能力，具體表現(xiàn)在MAC的硬件化程度和基帶處理器的效能要求比以前更重要。與單模相比，多模時(shí)MAC不能將工作交給基帶處理器，這就要求MAC盡可能用硬件進(jìn)行處理。如果MAC工作交給軟件實(shí)現(xiàn)，則會(huì)增加處理器的功耗和降低處理器對(duì)其他工作執(zhí)行時(shí)間的反應(yīng)速度。不過(guò)，提升MAC硬件化需要增加電路面積，同時(shí)需要較長(zhǎng)的驗(yàn)證時(shí)間且錯(cuò)誤難以修正，生產(chǎn)成本高但好處是功耗較低；提升基帶處理器效能則要增加處理器頻率，雖然避免前面的這幾個(gè)問(wèn)題而且成本低但功耗較高。同時(shí)，多?；惨蟾啻鎯?chǔ)容量，以存儲(chǔ)更多的協(xié)議和各種軟件，這就要求對(duì)閃存的結(jié)構(gòu)從單層（SLC）變?yōu)槎鄬樱∕LC）來(lái)增加存儲(chǔ)空間，好點(diǎn)的4T SRAM也換成DRAM結(jié)構(gòu)的1T SRAM，以增加軟件的執(zhí)行空間。

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2010年，全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的35%將屬于通信半導(dǎo)體，市場(chǎng)規(guī)模接近350億美元，這得益于3G網(wǎng)絡(luò)在全球的大范圍布設(shè)，因此，把握通信半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，不僅對(duì)通信設(shè)備制造商非常重要，更是半導(dǎo)體廠商競(jìng)爭(zhēng)中決勝的主戰(zhàn)場(chǎng)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1 陸向陽(yáng)，多模單芯片系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，零組件，2008.6 
　　2 李健，2G與3G并存時(shí)期的手機(jī)芯片發(fā)展趨勢(shì)和挑戰(zhàn)，電子產(chǎn)品世界，2008.6