3G時代通信芯片開發(fā)趨勢探討

摘要：通信芯片作為半導體行業(yè)最為活躍的市場應用之一，其發(fā)展趨勢一直備受矚目。本文分析了3G時期通信芯片的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：3G；通信芯片；應用處理器；低功耗

　　隨著電信運營商重組的塵埃落定以及北京奧運會的勝利召開，中國3G的推進過程終于在多年的期盼之后真正開始加速，據(jù)悉，除了現(xiàn)有的10城市TD測試網之外，估計在2009年2季度，消費者就可以享受到正式商用的3G服務。

　　雖然，中國3G演進的過程有些拖沓冗長，這其中也有一些企業(yè)的加入和離開，不過，對于這個硬件總價值高達4000億美元的市場，前期大量的技術積累對任何企業(yè)來說都是值得的。2008年下半年注定是3G相關硬件開發(fā)的關鍵時期，我們在這里從基站設備和終端芯片角度與大家一起分享3G通信芯片開發(fā)的技術需求和發(fā)展趨勢。

　　基站芯片

　　ABI Research表示，全球無線基站半導體市場2008年可以達到60億美元，2010年預計將接近75億美元，這其中中國為首的發(fā)展中國家3G網絡建設是最主要的市場推動力。

　　從技術特點來說，3G以提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務為目的，語音是GSM的特長，因此，3G基站的硬件必須在面向業(yè)務、性能提升、可靈活部署、可平滑演進的要求基礎上，對語音業(yè)務進行有效地優(yōu)化，從而保證3G網絡提供的語音業(yè)務質量。同時，從2G到3G的演進是一個長期的過程，而且多種3G標準都將獲得商用，因此，支持多標準的基站產品將成為一個重要方向。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。另一個需求考慮的問題是成本，包括基站建設成本和運營成本，這就要求基站設備盡可能同時支持多個網絡或者兼容提供2G服務，同時在網路升級頻率提升的同時要保證設備的使用期限，此外還要盡可能減小服務器提及和功耗，以降低運營費用。

　　從這些要求可以初探對基站芯片的發(fā)展要求，首先是高性能的處理能力，作為以數(shù)據(jù)業(yè)務為主的3G網絡，其單用戶的下行數(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準，以及與GSM兼容，這就要求基站設計結構必須要盡可能靈活，能夠在支持多種標準的同時，還要可以靈活的進行升級。要實現(xiàn)這些要求，必須從芯片設計上入手，不僅要滿足對新業(yè)務的有效支持，還必須具有極大的靈活性，支持一定范圍內的網絡升級。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絡覆蓋和更好的功能支持，這對整個射頻發(fā)射部分和PA都提出更高的需求。最后，基站的功耗已經成為運營商一個沉重的負擔，基站芯片可以說是基站降耗的主力軍，如何在提升處理和發(fā)射性能的同時降低芯片工作的能耗，就成為基站芯片設計必須考慮的問題。

圖1  一種典型的網絡多核處理器架構示意


　　通過這些需求，我們不難發(fā)現(xiàn)，原有的ASIC已經不再成為通信設備處理單元的首選，一方面由于其不夠靈活的硬件結構，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體系。在無線基站網絡中采用了可編程器件可以實現(xiàn)遠程基站升級，大幅提升設備靈活性和基站設備壽命，同時避免高昂的運輸費用和硬件開發(fā)費用。另外，F(xiàn)PGA的制程一直處于半導體領先行列，可以有效降低設備的整體功耗。如今語音、視頻和數(shù)據(jù)服務成為業(yè)界潮流，下一代有線和無線基礎設施對DSP的處理能力要求越來越高，一般通過增加DSP數(shù)量和提高DSP頻率來滿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可以滿足3G服務器的多個特有需求，一是增加對多媒體和數(shù)據(jù)功能業(yè)務的支持，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問題，通過增加核的數(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并行編程實現(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網絡能夠提供更大的傳輸速度，使消費者得以擁有更流暢完整的用戶經驗，包括游戲、用戶界面等方面，除了手機的運算能力以外，手機服務內容供應商所能提供的服務內容將會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，芯片數(shù)據(jù)處理速度大幅提升，手機芯片追求更快的數(shù)據(jù)處理速度，以實現(xiàn)手機多種功能，以及更高的頻率以實現(xiàn)手機對各種應用的整合，手機芯片還必須具備強大的多媒體功能。多媒體應用芯片的研發(fā)，已成為3G手機產業(yè)的核心技術和競爭制勝的利器。除此之外，3G應用還會拉動手機基礎芯片的升級，比如：電源管理、存儲器等。此外，芯片將繼續(xù)低成本趨勢，為加速3G終端的普及，3G終端成本持續(xù)下降也成為業(yè)界另一個焦點和趨勢。

　　在3G終端中，多模是一個必不可少的趨勢，而多模單芯片就成為手機終端芯片發(fā)展的必然趨勢。隨著半導體技術的突破與手機BOM成本的持續(xù)下降，外型上輕薄短小的挑戰(zhàn)促使手機芯片向高度集成化發(fā)展。3G手機不僅需要兼容2G網絡，Wi-Fi、WiMAX、藍牙與GPS等功能，甚至是接下來的4G，都必須在單一裝置里能夠支持。WiMAX Forum研究報告指出，未來雙模芯片將可能取代傳統(tǒng)的Wi-Fi芯片，成為無線寬帶接取市場上的主要芯片技術。雙模芯片設計還會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用；同時還會整合USB收發(fā)器、相機影像處理等功能，也提供接口支持WLAN、IrDA、Bluetooth、USB OTG2.0等。

　　當然，多?；厔菪枰酒O計者解決許多問題，首先是射頻（RF）部分如何進行整合，通常是先從相同頻段、相近頻段開始整合，或從應用相近開始整合，藍牙與Wi-Fi整合為一因為都使用2.4GHz頻段，射頻及相關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。進一步的，芯片業(yè)者為了達到更高的整合度，會嘗試將原有各自獨立設計、生產、封裝的MAC芯片、RF芯片合并為一，而MAC（媒體存儲控制器）部分已屬數(shù)字化，因此多是使用半導體最普遍、最標準的“硅CMOS結構”制程。不過RF方面為了追求無線通訊時的收發(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BiCMOS結構也比CMOS結構理想，但這些材料與結構并不如硅CMOS結構的技術普及低廉，也不易與純數(shù)字的MAC芯片整合。所以，將RF芯片電路改以標準CMOS方式實現(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結構制造，如此不僅可與MAC芯片整合為一，進一步還能實現(xiàn)手機單芯片，甚至是低成本、超低成本的手機單芯片。

　　多?；笮酒筛叩倪\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盡可能用硬件進行處理。如果MAC工作交給軟件實現(xiàn)，則會增加處理器的功耗和降低處理器對其他工作執(zhí)行時間的反應速度。不過，提升MAC硬件化需要增加電路面積，同時需要較長的驗證時間且錯誤難以修正，生產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問題而且成本低但功耗較高。同時，多?；惨蟾啻鎯θ萘?，以存儲更多的協(xié)議和各種軟件，這就要求對閃存的結構從單層（SLC）變?yōu)槎鄬樱∕LC）來增加存儲空間，好點的4T SRAM也換成DRAM結構的1T SRAM，以增加軟件的執(zhí)行空間。

　　據(jù)統(tǒng)計，到2010年，全球半導體市場的35%將屬于通信半導體，市場規(guī)模接近350億美元，這得益于3G網絡在全球的大范圍布設，因此，把握通信半導體技術的發(fā)展趨勢，不僅對通信設備制造商非常重要，更是半導體廠商競爭中決勝的主戰(zhàn)場。

　　參考文獻：

　　1 陸向陽，多模單芯片系統(tǒng)應用設計環(huán)節(jié)，零組件，2008.6 
　　2 李健，2G與3G并存時期的手機芯片發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)，電子產品世界，2008.6