De volgende generatie draadloze technologie zit vol uitdagingen, maar dat heeft het tempo niet vertraagd.
Deze technologie biedt zeer hoge datasnelheden, een veel lagere latentie dan 4G LTE en de mogelijkheid om een sterk verhoogde apparaatdichtheid per mobiele locatie aan te kunnen.Kortom, het is de beste technologie om de stroom gegevens aan te kunnen die wordt gegenereerd door autosensoren, IoT-apparaten en, in toenemende mate, elektronica van de volgende generatie.
De drijvende kracht achter deze technologie is een nieuwe luchtinterface waarmee mobiele netwerkoperators meer efficiëntie kunnen bereiken met een vergelijkbare spectrumtoewijzing.De nieuwe netwerkhiërarchie maakt het gemakkelijker om met gesegmenteerde 5G-netwerken te werken doordat u dynamisch meerdere soorten verkeer kunt toewijzen op basis van specifieke verkeersbehoeften.
"Het gaat om bandbreedte en latentie", zegt Michael Thompson, RF Solutions Architect bij Cadence's Custom ICs and PCBs Group.“Hoe snel kan ik een grote hoeveelheid data krijgen?Een ander voordeel is dat dit een dynamisch systeem is, dus het bespaart me de moeite om een heel kanaal of meerdere bandbreedtekanalen vast te leggen.Dit is vergelijkbaar met doorvoer op aanvraag, afhankelijk van de toepassing.Dit is wat.Het is dus flexibeler dan de standaard van de vorige generatie.Bovendien is de capaciteit veel hoger.”
Dit opent nieuwe toepassingsmogelijkheden in het dagelijks leven, bij sportevenementen, in de industrie en in het transport."Als ik genoeg sensoren in het vliegtuig plaats, kan ik het besturen, en met een toepassing als machine learning begint het te begrijpen wanneer een onderdeel, systeem of proces moet worden gerepareerd of vervangen", zei Thompson.“Er vliegt dus een vliegtuig door het land en het gaat landen in LaGuardia.Wacht, iemand zal het komen vervangen.Dit geldt voor zeer groot grondverzetmaterieel en mijnbouwmaterieel waarbij het systeem voor zichzelf zorgt.U wilt voorkomen dat deze apparatuur van meerdere miljoenen dollars crasht, zodat ze daar niet blijven wachten tot de onderdelen worden opgestuurd. U ontvangt tegelijkertijd gegevens van duizenden van deze apparaten. Het kost veel bandbreedte en lage latentie om snel informatie te krijgen. Als u zich moet omdraaien en iets terug moet sturen, kunt u het ook heel snel verzenden.
Eén technologie, meerdere implementaties De term 5G wordt tegenwoordig op verschillende manieren gebruikt.In zijn meest algemene vorm is dit een evolutie van cellulaire draadloze technologie waarmee nieuwe diensten kunnen worden beheerd via een standaard luchtinterface, legt Colin Alexander uit, directeur draadloze marketing voor Arm's infrastructuuractiviteiten."Verschillende bestaande en nieuwe frequenties zullen worden toegewezen om verkeer van minder dan 1 GHz over lange afstanden, voorstedelijke en bredere dekking, en millimetergolfverkeer van 26 tot 60 GHz te transporteren voor nieuwe toepassingen met hoge capaciteit en lage latentie."
De Next Generation Mobile Network Alliance (NGMN) en anderen hebben een notatie ontwikkeld die use cases weergeeft op de drie punten van een driehoek: een hoek voor verbeterd mobiel breedband, de andere voor ultrabetrouwbare communicatie met lage latentie (URLLC).Type communicatiemachine.Elk van hen heeft een heel ander type netwerk nodig voor hun behoeften.
"Dit leidt tot een andere vereiste voor 5G, de vereiste om een kernnetwerk te definiëren", zei Alexander."Het kernnetwerk zal al deze verschillende soorten verkeer effectief schalen."
Hij merkte op dat mobiele netwerkoperators werken aan de meest flexibele upgrade en uitbreiding van hun netwerken, met behulp van gevirtualiseerde en gecontaineriseerde software-implementaties die draaien op standaard computerhardware in de cloud.
In termen van URLLC-verkeerstypen kunnen deze applicaties nu vanuit de cloud worden beheerd.Maar dit vereist dat sommige bedieningselementen en gebruikersfuncties dichter bij de rand van het netwerk worden geplaatst, naar de luchtinterface.Denk bijvoorbeeld aan intelligente robots in fabrieken die om veiligheids- en efficiëntieredenen netwerken met lage latentie nodig hebben.Dit vereist edge computing-blokken, elk met reken-, opslag-, versnellings- en machine learning-mogelijkheden, en dat sommige, maar niet alle V2X- en automotive-applicatieservices vergelijkbare vereisten zullen hebben, zegt Alexander.
”In gevallen waarin een lage latentie vereist is, kan de verwerking opnieuw naar de edge worden verplaatst om V2X-oplossingen te berekenen en te communiceren.Als de applicatie meer gaat over resource management, zoals parkeren of het volgen van de fabrikant, kan de computing bulk cloud computing zijn.”op het apparaat “, – zei hij.
Ontwerpen voor 5G Voor ontwerpingenieurs die belast zijn met het ontwerpen van 5G-chips, zijn er veel bewegende stukjes in de puzzel, elk met zijn eigen overwegingen.Bij basisstations is bijvoorbeeld het stroomverbruik een van de grootste problemen.
"De meeste basisstations zijn ontworpen met geavanceerde ASIC- en FPGA-technologieknooppunten", zegt Geoff Tate, CEO van Flex Logix.“Momenteel zijn ze ontworpen met behulp van SerDes, die veel stroom verbruiken en veel ruimte innemen.Als je programmeerbaarheid in de ASIC kunt inbouwen, kun je het stroomverbruik en de voetafdruk verminderen, omdat je geen SerDes nodig hebt om off-chip snel te werken en je meer bandbreedte hebt tussen programmeerbare logica en ASIC's. Intel doet dit door hun Xeons en Altera FPGA in de hetzelfde pakket Dus je krijgt 100 keer meer bandbreedte Interessante dingen over basisstations Eerst ontwikkel je de technologie en dan kun je het verkopen en gebruiken over de hele wereld.Met een mobiele telefoon kun je voor verschillende landen verschillende versies maken.”
De vereisten zijn verschillend voor apparaten die zijn geïmplementeerd in het kernnetwerk en in de cloud.Een van de belangrijkste overwegingen is een architectuur die het gemakkelijk maakt om software te beheren en gebruiksscenario's eenvoudig naar apparaten over te zetten.
"Het ecosysteem van standaarden voor het omgaan met gevirtualiseerde containerservices zoals OPNFV (Open Platform for Network Function Virtualization) is erg belangrijk", zegt Arm's Alexander.“Het beheer van de interactie tussen netwerkelementen en verkeer tussen apparaten door middel van service-orkestratie zal ook van cruciaal belang zijn.ONAP (Open Network Automation Platform) is een voorbeeld.Stroomverbruik en apparaatefficiëntie zijn ook belangrijke ontwerpkeuzes.”
Aan de rand van het netwerk zijn vereisten onder meer een lage latentie, een hoge bandbreedte op gebruikersniveau en een laag stroomverbruik.
"Versnellers moeten gemakkelijk veel verschillende rekenvereisten kunnen ondersteunen die niet altijd het beste kunnen worden afgehandeld door een algemene CPU", aldus Alexander.Schaalbaarheid is erg belangrijk.Ondersteuning voor een architectuur die gemakkelijk kan worden geschaald tussen ASIC's, ASSP's en FPGA's is ook belangrijk, aangezien edge computing zal worden gedistribueerd over netwerken van elke grootte en op elk apparaat.Ook de schaalbaarheid van software is belangrijk.”
5G kan ook veranderingen in de chipsetarchitectuur veroorzaken, vooral waar de radio's zich bevinden.Ron Lowman zei dat terwijl de analoge front-ends van LTE-oplossingen op de radio, de processor of volledig geïntegreerd worden geplaatst, wanneer ontwerpteams migreren naar nieuwe technologieën, die front-ends meestal eerst uit de chip komen en daarna weer erop. .naarmate de technologie vordert Hij, Synopsys IoT Strategic Marketing Manager.
"Met de komst van 5G wordt verwacht dat meerdere radio's, meer geavanceerde technologieën en snellere, meer geavanceerde technologieknooppunten zoals 12nm en hoger een belangrijke rol zullen spelen in geïntegreerde componenten", aldus Lowman.“Dit vereist dat de dataconverters die in de analoge interface gaan gigasamples per seconde kunnen verwerken.Hoge betrouwbaarheid is ook altijd belangrijk.Factoren als open spectrum en Wi-Fi-gebruik maken het een stuk moeilijker dan in het verleden.Proberen om daarmee om te gaan is geen gemakkelijke taak, en machine learning en kunstmatige intelligentie kunnen heel geschikt zijn om een deel van het harde werk te doen.Dit heeft op zijn beurt weer invloed op de architectuur, omdat deze niet alleen de verwerking, maar ook het geheugen laadt.”
Thompson van Cadence is het daarmee eens.“Terwijl we 5G of IoT ontwikkelen voor hogere 802.11-standaarden en zelfs enkele ADAS-overwegingen, proberen we het stroomverbruik te verminderen, goedkoper te zijn, kleiner te zijn en de prestaties te verbeteren door naar kleinere knooppunten te verhuizen.Vergelijk dat eens met uw mix van zorgen, waargenomen in de Russische Federatie, 'zei hij.“Naarmate nodes kleiner worden, worden IC's kleiner.Om ervoor te zorgen dat een IC ten volle kan profiteren van zijn kleinere formaat, moet het in een kleiner pakket zitten.Er is een drang om dingen kleiner en compacter te maken, maar dat is geen goede zaak.”voor RF-ontwerp”.“...bij simulatie maak ik me niet al te veel zorgen over het effect van het circuit op de verdeling.Als ik een stuk metaal heb, lijkt het misschien een beetje op een weerstand, maar het lijkt op alle frequenties op een weerstand.Als het een RF-effect is, dan is het een transmissielijn, het zal er anders uitzien, afhankelijk van de frequentie die ik eroverheen zend. Deze velden worden geactiveerd in andere delen van de keten. Nu heb ik alles dichter bij elkaar verzameld en wanneer het doet, neemt de verbindingsgraad exponentieel toe. Wanneer ik bij de kleinere knooppunten kom, worden deze koppelingseffecten meer uitgesproken, wat ook betekent dat de voorspanning kleiner is. De ruis is dus een groot effect omdat ik het apparaat niet voorinstel. lagere spanning, hetzelfde geluidsniveau heeft meer effect. Veel van deze problemen zijn aanwezig op systeemniveau in 5G.”
Nieuwe focus op betrouwbaarheid Betrouwbaarheid heeft een nieuwe betekenis gekregen in draadloze communicatie aangezien deze chips worden gebruikt in automotive, industriële en medische toepassingen.Dit is over het algemeen niet gerelateerd aan draadloze communicatie, waarbij verbindingsfouten, verminderde prestaties of andere problemen die de service kunnen verstoren, over het algemeen als een ongemak worden gezien in plaats van als een beveiligingsprobleem.
"We moeten nieuwe manieren vinden om te verifiëren dat functionele veiligheidschips betrouwbaar werken", zegt Roland Jahnke, Head of Design Methods bij Fraunhofer EAS.“Als branche zijn we er nog niet.We proberen nu het ontwikkelingsproces te structureren.We moeten kijken hoe onderdelen en gereedschappen op elkaar inwerken, en we hebben veel werk om de consistentie te waarborgen.”
Jahnke merkte op dat tot nu toe de meeste problemen te wijten waren aan een enkele ontwerpfout.“Wat als er twee of drie bugs zijn?De verificateur moet de ontwerper vertellen wat er fout kan gaan en waar de bugs zitten, en deze tijdens het ontwerpproces terugdraaien.”
Dit is een groot probleem geworden in veel veiligheidskritische markten, en het grote probleem met draadloze en automotive is het steeds groter wordende aantal variabelen aan beide kanten."Sommige moeten ontworpen zijn om altijd aan te staan", zegt Oliver King, CTO van Moortec.“Vooraf modelleren kan voorspellen hoe dingen zullen worden gebruikt.Het is moeilijk te voorspellen.Het zal tijd kosten om te zien hoe de dingen werken.
Dorpsnetwerk vereist.Genoeg bedrijven zijn echter van mening dat 5G voldoende voordelen biedt om de inspanning te rechtvaardigen om de infrastructuur te bouwen die nodig is om alles te laten werken.
Magdi Abadir, vice-president marketing bij Helic, zei dat het grootste verschil met 5G de aangeboden datasnelheden zullen zijn.“5G kan werken met snelheden van 10 tot 20 gigabit per seconde.De infrastructuur moet het type gegevensoverdrachtsnelheid ondersteunen en de chips moeten deze binnenkomende gegevens verwerken.Voor ontvangers en zenders in banden boven de 100 GB moet ook rekening worden gehouden met de frequentie.In de Russische Federatie zijn ze voor radars en dergelijke een frequentie van 70 GHz gewend.”
Het creëren van deze infrastructuur is een complexe taak die verschillende schakels in de toeleveringsketen van elektronica omvat.
"De magie waarover wordt gesproken om dit mogelijk te maken, is proberen meer integratie te bewerkstelligen aan de RF-kant van de SoC," zei Abadir.Integratie met analoge ADC- en DAC-componenten met zeer hoge sampling rate.Alles moet in dezelfde SoC worden geïntegreerd.We hebben integratie gezien en integratieproblemen besproken, maar dit overdrijft alles omdat het een hoog doel stelt en ontwikkelaars dwingt om nog meer te integreren dan eerder werd gedacht.Het is erg moeilijk om alles te isoleren en geen invloed te hebben op naburige circuits.”
Vanuit dit oogpunt is 2G voornamelijk spraaktransmissie, terwijl 3G en 4G meer datatransmissie en efficiëntere ondersteuning zijn.Integendeel, 5G vertegenwoordigt de proliferatie van verschillende apparaten, verschillende diensten en toegenomen bandbreedte.
"Nieuwe gebruiksmodellen zoals verbeterd mobiel breedband en connectiviteit met lage latentie vereisen een 10x grotere bandbreedte", zegt Mike Fitton, Strategic Planner en Business Development Specialist bij Achronix.“Daarnaast zal 5G naar verwachting erg belangrijk worden voor V2X, zeker voor de volgende generatie 5G.5G Release 16 heeft URLLC, wat erg belangrijk is voor V2X-toepassingen.Applicatie van het netwerktype.
Planning voor de onzekere toekomst van 5G wordt vaak gezien als een reeks superlatieven met 10x meer bandbreedte, 5x latentie en 5-10x meer apparaten.Dit wordt bemoeilijkt door het feit dat de inkt in de 5G-specificaties niet erg droog is.Er zijn altijd late toevoegingen die flexibiliteit vereisen en programmeerbaarheid worden.
“Als je rekening houdt met de twee grote behoeften van een hardware-datalink vanwege de hoge bandbreedte en de behoefte aan flexibiliteit, betekent dit dat je waarschijnlijk een soort speciale SoC of ASIC nodig hebt met meer programmeerbaarheid tussen hardware en software.…als je vandaag naar elk 5G-platform kijkt, zijn ze allemaal gebaseerd op FPGA's omdat je de doorvoer gewoon niet ziet.Op een gegeven moment zullen alle grote draadloze OEM's waarschijnlijk overstappen op zuinigere en geoptimaliseerde software-ASIC-kracht, maar dit vereist flexibiliteit en gedrevenheid om de kosten en het stroomverbruik te verminderen.Het gaat erom de flexibiliteit te behouden waar je die nodig hebt (in FPGA's of embedded FPGA's) en vervolgens waar mogelijk functionaliteit toe te voegen om de laagste kosten en het laagste energieverbruik te bereiken.”
Tate of Flex Logix is het daarmee eens.“In dit gebied zijn meer dan 100 bedrijven actief.Het spectrum is anders, het protocol is anders en de gebruikte chips zijn anders.De repeater-chip zal beperkter in kracht zijn op de muren van een gebouw, waar een plek kan zijn waar een eFPGA waardevoller is.”
Verwante verhalen De hobbelige weg naar 5G Hoe ver zal deze nieuwe draadloze technologie gaan en welke uitdagingen moeten nog worden overwonnen?Draadloos testen staat voor nieuwe uitdagingen De komst van 5G en andere nieuwe draadloze technologieën maakt testen nog moeilijker.Draadloos testen is een mogelijke oplossing.Tech Talk: wat 5G, de nieuwe draadloze standaard, betekent voor de technische industrie en welke uitdagingen er in het verschiet liggen.Race voor 5G-testapparatuur begint De volgende generatie draadloze technologie is nog in ontwikkeling, maar leveranciers van apparatuur zijn klaar om 5G te testen in proefimplementaties.
De industrie heeft vooruitgang geboekt in het begrijpen hoe veroudering de betrouwbaarheid beïnvloedt, maar meer variabelen maken het moeilijker om dit op te lossen.
De groep onderzoekt het potentieel van 2D-materialen, 1000-laags NAND-geheugen en nieuwe manieren om talent aan te nemen.
Heterogene integratie en toenemende dichtheid in front-end-knooppunten vormen een aantal uitdagende en ontmoedigende uitdagingen voor de fabricage en verpakking van IC's.
Processorvalidatie is veel moeilijker dan een ASIC van vergelijkbare grootte, en RISC-V-processors voegen nog een laag complexiteit toe.
127 startups haalden 2,6 miljard dollar op, waarbij aanzienlijke bedragen werden opgehaald door datacenterconnectiviteit, kwantumcomputing en batterijen.
De industrie heeft vooruitgang geboekt in het begrijpen hoe veroudering de betrouwbaarheid beïnvloedt, maar meer variabelen maken het moeilijker om dit op te lossen.
Heterogene ontwerpen, thermische mismatch in verschillende gebruikssituaties kunnen van invloed zijn op alles, van versnelde veroudering tot kromtrekken en systeemstoringen.
De nieuwe geheugenstandaard voegt aanzienlijke voordelen toe, maar is nog steeds duur en moeilijk te gebruiken.Dit kan veranderen.
Posttijd: 16 maart 2023