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FPGA与ASIC战火重燃

2020-6-18 13:15| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 17840| 评论: 0|原作者: 畅秋|来自: 半导体行业观察

摘要: 本周,诺基亚宣布与博通公司合作进行5G芯片的研发工作,为其5G产品打造包括处理器在内的定制芯片组,以使其供应链多元化。更重要的是,此项合作的主要原因在于:诺基亚希望加快其5G芯片从较昂贵的FPGA向定制ASIC转变 ...
本周,诺基亚宣布与博通公司合作进行5G芯片的研发工作,为其5G产品打造包括处理器在内的定制芯片组,以使其供应链多元化。更重要的是,此项合作的主要原因在于:诺基亚希望加快其5G芯片从较昂贵的FPGA向定制ASIC转变。在2019年第三季度财报电话会议上,诺基亚承认其“ ReefShark”芯片组的高成本削弱了5G电信设备的利润率。

2019年是5G商用元年,起初的基站数量还比较有限,特别是韩国作为全球第一个实现5G商用的地区,其国土和人口对5G的容纳量很有限。但没过多久,以中国为首的国家和地区也纷纷实现了商用落地,使得5G基站在相对短时间内出现了爆发式的增长,这种态势也在向产业链上游的芯片传导,其结果之一就是以上诺基亚的感受:FPGA似乎不那么好用了。

对于通信基站而言,通常由上百颗芯片构成,负责实现不同功能。简单来说,基站发射并回收信号,收回信号后首先要有芯片进行滤波、稳定信号,还要有芯片将这种小信号放大,再有芯片进行解析、处理,然后是传输、分发。

总体来讲,电信基站可分为基带处理单元(BBU)、射频单元(RRU),以及天线等几部分。BBU负责集中控制与管理整个基站系统,完成上下行基带处理功能,并提供与RRU及传输网络的物理接口,完成信息交互。

在5G时代,以华为为代表的电信设备商倡导的AAU(Active Antenna Unit,有源天线射频单元)正在成为行业趋势,其本质上是将RRU集成到天线中,从而提升通信设备的集成度,可大幅度减小体积。

5G基站对FPGA“爱恨交加”
相对于4G而言,为了增强信号覆盖及频谱效率,5G 引入了Massive MIMO技术,这样,收发通道数从16Tx16R提高到了64Tx64R,甚至128Tx128R,为了降低干扰并抑制噪音,需要对每个天线单元接收到的信号进行数字处理,这就在自适应波束成形中产生了大量的计算负载。

如果采用传统的CPU和DSP,将导致负载过重,FPGA在I/O 、运算速度及延迟上均具有优势。在多通道波束成形中,相对于ASIC方案,FPGA更具灵活性。另外,基站主要负责实现通信协议中物理层、逻辑链路层的协议部分,这部分内容每年都在升级,比较适合用FPGA来实现。

因此,在5G发展的早期阶段,也就是基站总体数量还不是很多的时候,FPGA可编程、灵活的优势很明显。

通过对FPGA编程,能够执行ASIC执行的任何逻辑功能。在技术还未成熟阶段,这种特性能够降低产品的成本和风险,在5G初期这种特性尤为重要。另外,FPGA编程后可直接使用,无需等待三个月至一年的芯片流片周期,为企业争取了产品上市时间。再者,ASIC有固定成本,而FPGA方案几乎没有,在使用量小的时候,FPGA方案由于无需支付一次性高达数百万美元的流片费用,也不用承担流片失败风险,此时,FPGA方案的成本低于ASIC,但随着使用量的增加,FPGA方案在成本上的优势逐渐缩小,超过某一使用量后,ASIC方案由于大量流片产生了规模经济效应,在成本上更有优势。

从2020年开始,特别是2021年,5G基站数量进入爆发阶段。由于FPGA主要用在收发器的基带中,5G时代,由于通道数的增加,计算复杂度随之增加,所用FPGA的规模也将增加,由于FPGA的定价与片上资源正相关,未来通信领域FPGA单颗成本也将上升,目前,基站收发器中的FPGA单价通常在几百元人民币的范围,未来有望进一步提高。收发器的主要成本和功耗由基带部分贡献,未来技术复杂度将再次推升收发器成本,这对FPGA似乎不是个好消息。

例如,要开发一个16nm FinFET制程ASIC的NRE成本(包括IP许可、开发和产品化)约为1800万美元,单位成本(基于芯片尺寸、封装、测试时间)大约为6.20美元。而开发22nm/28nm制程ASIC的NRE成本约为1400万~1500万美元,单位成本约为9.50美元。

若采用FPGA方案,例如Xilinx公司的UltraScale +(在Digi-Key上单个单元的价格为975美元),该解决方案没有NRE,并且预期的批量成本约为30~50美元。假设每年生产100万个器件,则16nm FinFET器件在13个月后最具成本效益。

随着转向更先进的制程工艺(例如10nm),PHY、ADC、DAC的NRE成本将发生巨大变化。如果使用7nm,成本还会更高。尽管5G用的数字芯片需要7nm到40nm的制程,但值得注意的是,ASIC的性能与缩小一到两个制程节点的FPGA的性能大致相同。考虑到这一点,22nm /28nm ASIC将提供与16nm FinFET FPGA相似的逻辑性能,从而降低了成本和5G应用的功耗。

因此,诺基亚就出现了前文所述的转变。

定制化处理器开始吃香
此次,诺基亚宣布与博通合作开发5G基站ASIC,无疑给出了一个更加明确的信号:专用芯片依然前途无量。

在这之前,诺基亚还与Intel和Marvell有深度合作,采用的也都是非FPGA方案。

就在今年3月,Intel强势杀入5G基站芯片市场,发布了10nm制程的5G基站芯片凌动P5900,这是为基站定制的一款通用CPU。凌动P5900采用了SoC方式,提供打通硬件、芯片和软件的标准技术平台。Intel为P5900匹配了新一代结构化ASIC加速芯片,更利于发挥高速处理器的优势。除了5G基站芯片,Intel还推出了面向5G网络加速、边缘优化以及虚拟化的5G产品,涉及5G核心网、接入网、边缘和基站。

Marvell方面,则推出了以OCTEON Fusion系列处理器为代表的产品,适用于宏基站、微基站以及分体式无线电装置和分布式单元解决方案。该系列处理器面向2G、3G、4G和5G NR无线网络。

至于博通,由于其在网通处理器方面有多年的技术积累和优势,而且该公司还是RF芯片的主要供应商,因此,该公司在对集成度要求越来越高的未来5G设备方面,具有一定优势。

另外,华为海思也在自研5G基站芯片,特别是华为天罡芯片,可为AAU性能带来极大的提升,可实现基站部署轻便化,设备尺寸缩小率超50%;而重量减轻23%,且功耗降低21%。

诺基亚的烦恼与紧迫
上述是5G基站市场大环境变化对FPGA和ASIC的影响。此外,诺基亚公司的行业地位也促使其想尽办法提升竞争力。

来自于Dell'Oro的统计数据显示,2020年第一季度,全球通信设备市场份额排名为:华为(28%)、诺基亚(15%)、爱立信(14%)、中兴通讯(11%)、思科(6%)。


与2019年相比,华为、诺基亚和思科均下降了1个百分点,爱立信持平,中兴通讯增长了1%。另外,今年第一季度,移动核心网络设备市场与去年同期相比增长了10%。

可见,诺基亚虽然排在第二位,但其市场份额处于下降态势(如上图所示),且市占率只比爱立信高一个百分点,而排在第四的中兴上升态势迅猛。这些都给诺基亚带来了很大压力。

要提升竞争力,降低芯片成本对于当下的诺基亚非常重要。该公司2020年Q1财报显示,降低芯片成本是其重点跟踪的KPI。在2020年第一季度,诺基亚出货的5G设备中有17%采用定制化芯片。该公司计划在2020年底将这一比例提升至35%以上,到2022年底最终实现100%的5G产品采用定制化芯片。

结语
虽然5G的发展使得ASIC地位提升了,但并不等于FPGA就退出了基站的历史舞台,在纷繁复杂的应用和市场需求下,各种芯片都有其存在和应用的价值。

以华为为例,该公司的户外无线基站RRU3908,其中央处理单元的ADC和DAC单比特流解码和编码依然由Altera Cyclone III FPGA,以及定制的华为SD6151RBI控制器处理实现。

另外,来自Achronix、Flex Logic等公司的新一代eFPGA(嵌入式FPGA)架构为在定制ASIC中实现FPGA逻辑的灵活性提供了第三条途径,通常情况下,这些方案每平方毫米的硅仅提供数千个逻辑元件,因此使用它们可以实现部分ASIC的省电和节省成本的优势。

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