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【COMPUTEX 2016】迈入 5G 时代,台厂如何在零组件佔据一席之地

2020-06-12

【COMPUTEX 2016】迈入 5G 时代,台厂如何在零组件佔据一席之地

随着科技创新,行动产业蓬勃发展,对资讯传递的效率与速度需求也不断提升。其中尤以 UHD 影像(Ultra High Denition)、智慧电动车与物联网的普及最为相关,促使行动宽频朝向 5G 迈进。

在 UHD 方面,依照目前趋势,人类对影像品质的要求仍毫无止境。现今 Full HD 不但普遍深入世界各国频道,4K UHD 电视亦常见于各大卖场,日本甚至规划在 2020 年东京奥运要以 8K 影像播送。纯以解析度对于影像频宽而言,一个 8K 画面高达 Full HD 的 16 倍。虽然电视影像播送有专门的数位电视标準,但生活上也已随处可见手机播放高画质影像档案,故未来对高速通讯需求可见一斑。

若要改善画质,除了提高解析度、将广色域 (Color Space)与色彩深度(Color Depth)提高到 10~12 bits 外,增加帧率(Frame Rate) 也是可行办法,国际电信联盟(ITU)定义在 UHD 播送的 ITU-R Rec. BT.2020 影像标準即纳入此改变。

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但无论是上述哪种方式,都会增加通讯频宽。因此即便高效率影片编码(High Eciency Video Coding,HEVC)较前代 H.264 约莫增加了两倍压缩率,但光只是解析度提高,就已导致影像传输对新一代通讯技术需求孔急。

其次,电动车近几年在 Tesla、Apple 或是 Google 相继发展无人驾驶的潮流下,早已成为 Computex、CeBIT、CES 等高科技展览注目焦点。智慧电动车在动力改由电力驱动外,车子与资通讯科技(ICT)、半导体的结合,都将带来车辆的全新革命。目前使用的先进驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistance Systems,ADAS), 就大量配合使用到相机镜头、影像讯号处理器 (Image Signal Processor,ISP)等 ICT 产品。此外,车用零组件厂商也可望蒙受其惠。

ICT 用于智慧车并不限于现行被动辅助,未来智慧车将会纳入主动式自动安全驾驶,藉由车与车(V2V)或是车与基础建设(V2I)间以远距通讯技术(Telematics)的交换即时资讯──内容包含本车所有装置的资讯(如胎压甚至驾驶习惯)与相关周边环境事务(行人与其他车辆) 等──以达到终极无人驾驶车的理想。为了实现此理想,新一代车用通讯系统将需要高频宽,以纳入低延迟(Low Latency)特性,保证接收到的资讯能即时反应为必要参数。

最后,建构未来智慧城市与智慧家庭的物联网(IoT)也正蓬勃发展中。一个智慧家庭将不只有电脑、个人行动装置,连冷气机、洗衣机等消 费型家电都可以连上网路。再从家庭扩及整个城市,纳入智慧电錶等智慧电网的应用,更加普及于人类生活当中。

目前提出可用于物联网的通讯技术相当多种,包含 LoRa 与 SigFox 在内等远距低功耗网路厂商正努力布建基地站,而 3GPP(3rd Generation Partnership Program,第三代合作伙伴计画)本身亦把物联网纳入网路架构规範的标準内,在 Release 12 当中制定了 CAT-M 之后,Release 13 又继续发展更节省成本与更低耗能的 NarrowBand-IoT(NB-IoT)技术。由于现行电信技术起源自语音通讯,虽然在 IMT-2000(3G)与 IMT-Advanced(4G)年代大幅增加传输速度,但通讯装置可连结基地台的数目毕竟以人类上网为基準设计,面对未来将有更多人类生活装置连结上电信网路,现行系统仍嫌不足,故需新一 代电信技术支援。

崭新应用,驱动 IMT-2020 标準诞生

面对前述 3 种未来主要趋势──UHD 影像、智慧电动车以及物联网皆需要新的通讯技术才可以支援,国际电信联盟提出制定新一代 IMT- 2020(俗称 5G)标準,目标订于在 2020 年东京奥运时可以实际运转此技术。2015 年起开始研究,2017 年起接受如 3GPP 组织提案,2018~2019 年间验证提案技术,图一则描述了 IMT- 2020 市场应用与相对应规格。

【COMPUTEX 2016】迈入 5G 时代,台厂如何在零组件佔据一席之地 图一:IMT-2020 市场应用与相对应规格。【COMPUTEX 2016】迈入 5G 时代,台厂如何在零组件佔据一席之地 补充之夏农(Shannon)公式。

为了能够传输超过 UHD 的影像,理论尖峰传输率(Peak Data Rate)需要较 4G(只有 1Gbps) 增加,达到 20Gbps 之外,对消费者而言,无论在家中卧房还是在移动高铁上,使用者体验至关重要,因此也必须兼顾使用者体验传输率(User Experienced Data Rate),至少达到 100Mbps。

IMT-2020 针对未来智慧车的应用,不但强调移动时的传输能力,对于车辆通讯特别需要的低延迟能力也特别着墨。低延迟代表车辆本身可以更即时(Real time)去处理瞬息万变的交通状况, 为了充分掌握周边交通(车子与可能任何影响安全的装置)与相互流动的资讯,处理区域资讯流量(Area Trac Capacity)当然也得一併考虑。

至于针对物联网多种类上网的需要,IMT- 2020 也跳脱传统 2/3/4G 只传送语音与资料的特性,重新定义一个能够容纳更多联网密度装置(Connection Density)的系统,并强调其具有低功耗(Low Power)的网路能源效率(Network Energy Eciency),以达成节能减碳的绿能环境, 同时也节省了更换电池与人工布线的成本。

【COMPUTEX 2016】迈入 5G 时代,台厂如何在零组件佔据一席之地技术突破,迎向 IMT-2020 目标

为了达成 IMT-2020 标準所设定的目标,世界各国电信营运商、终端商与元件商均致力研发各种技术。包括调变波形(Modulation Waveform) 与多工技术(Multiplex)、多重无线存取技术 (Multi-RAT)、毫米波(Millimeter Wave)与大规模阵列天线(Massive Antenna)、软体定义网路(Soware Dened Network,SDN)与网路功能虚拟化(Network Function Visualization, NFV)等。

传统夏农公式至今仍适用,只是许多新技术开发出来,补充了此公式。传统杂讯(Noise)可细分为已知干扰与纯杂讯,而在 3GPP Release 10 之后所採用的载波聚合(Carrier Aggregation) 技术,在 5G 时代将因为有更广的频宽,能够产生更高传输容量。

1. 调变波型与多工技术

目前在 IMT-2020 候选的新一代调变波形都是奠基在 LTE 所使用的正交分频多工技术 OFDM 改良而来,包括 Filter Bank Multi-Carrier(FBMC)与 Generalized Frequency Division Multiplexing(GFDM)等,其中的差异为在成本与频谱效益(Spectrum Eciency)之间的取捨,另外也考虑以传送讯号消除技术,实现全多工(Full Duplex)传输。目的为了满足 IMT-2020 目标的 3 倍频谱效益以及 500KM/h 移动率,如图一。

2. 多重无线存取技术

使用不同的基地台同时对手机传输。例如透过上传或是下载的不同特性,双连结(Dual Connection)到不同基地台;亦或者利用手机多根天线的特性,在加强下载传输状况下,不同天线连结到不同基地台。早在 3GPP Release 11 时就已经开始规範此协调多点传输(Coordinated Multipoint,CoMP)在同质性网路(Homogeneous Network)的传输模式。

除了大型基地台与小型基地台之间的协调多点传输外,目前 3GPP 正在讨论不同网路系统,即异质网路(Heterogeneous Network)间的合作传输,其中以 Wi-Fi 与 LTE 间的连结(LTE WiFi Aggregation,LWA)为众所瞩目的焦点,可透过现行已经布建完整的 Wi-Fi Access Point、LTE 基地台与终端手机同时连结传输。在 IMT-2020 规划的网路建设蓝图中,大量小基地台或是与其他网路系统的合作,将会扮演非常重要的角色。

3. 毫米波与大规模阵列天线

5G 标準虽然还在研究当中,但目前各国组织或是厂商都常会达成共识,就是使用频谱 5GHz 以上,甚至到 70GHz 左右,以毫米波传送,高频载波带来高电路频宽的效益,同步降低接收天线的大小,也有助于使用大规模阵列天线 (Massive Antenna)。提高多输出输入(Multiple Input Multiple Output,MIMO)的导入,是倍增夏农新补充的公式因素之一,虽然较高的载波频率不利于远距传输,但由于未来基地台设置将如前段所述,使用布建密度高的小型基地台, 手机与基地台的距离较现行为近,可克服此不利因素。

4. 软体定义网路与网路功能虚拟化

从 2G 来到现行 LTE 网路,基地台所扮演的角色愈显重要,在通用行动通讯系统 UMTS 的 Node B 开始将原本集中管理资源下放,例如手机转移功能(Handover)的切换,Node B 在 LTE 时代负担更重的管理量,故整合更高层协定至进化版 Evolved Node B 内。

由于未来无线传输速度倍增,与多个基地台相互连结的複杂合作下,整体电信网路架构也将遭遇前所未见的挑战。包含管理传输资料流动、智慧车用所需的低延迟网路系统反应与多种连网装置产生的物联网连结任务,亦即实现 IMT-2020 目标提升 100 倍的网路能源效率、延迟低于1ms、每平方公里 100 万的联网密度装置,以及处理每平方公尺 10Mbps 的区域资讯流量。如何在合理的成本增加下完成上述任务,导入 SDN 与 NFV 将是电信设备商与电信营运商针对的方向。

实现 IMT-2020 的关键零组件

为了研发通讯技术,从负责运算的 CPU 到实体层的 Modem 等元件,都必须能实际发挥应用, 才构成改变的可能性。

1. CPU 处理更複杂高于 Layer 2 的讯号流程

现行个人行动装置通常使用 CPU 做为处理 Layer2/Layer3 的协定讯号。传统面临对抗不同状况的传输通道,Layer 1 会考虑调整调变(Modulation)与错误更正码(Error Control Coding)机制,以符合即时通道估测(Estimation) 的结果。但在 IMT-2020 后,此调整机制将拉高至 Layer 2 以上,使用不同的基地台或是 RAT 传输以配合现行通道状态。

由于 5G 将使用 Multi-RAT 传输,一支手机很可能同时会与多个不同基地台,甚至周边手机连结(Device to Device,D2D)、转移与传送资料将需要更複杂、更即时的处理,一个高速的 CPU,甚至效能媲美应用处理器(Application Processor,AP)之内的 CPU 将势不可免。

目前基频装置所使用的 CPU,通常为 ARM 之 R 系列处理器,其最近推出 Cortex-R8 具有 4 核心之非循序(Out of Order,OoO)处理功能,此运算架构已经非常接近手机应用处理器的 CPU,甚至传统电脑的 CPU,此效能的强化方足以应用在 5G 複杂的网路协定。

2. 次世代行动记忆体(LPDDR4X/LPDDR5)

除了强化 CPU 之外,与 CPU 配合的记忆体也须同时配合 5G 特性。目前手机内 AP 均使用行动记忆体,可能为 LPDDR3 或是 LPDDR4。对于像 iPhone 这种 Modem 仍然独立于 AP 之外的手机架构而言,配合 Modem 使用的 DRAM 目前还是以 LPDDR/LPDDR2 居多,但随着支援 3GPP Release 12 高速 Category 手机晶片陆续问世,更高速的 LPDDR4 可预期被广泛使用。

在 IMT-2020 的规格中,配合 CPU 高速处理与增加通话/上网时间的特性,降低在高速传输时产生的功耗,LPDDR4X 技术已经被 JEDEC 组织所定义,并由联发科实作产生。其主要特性为降低记忆体输出入周边电压至 0.6V,让每个输出入以 3200Mbps 以上高速传输,此标準也将同时纳为下一代 LPDDR5 的标準,以因应 5G 所需要的高速存取频宽。预计在 2020 年 5G 上路时,高阶机种将会使用 LPDDR5,主流机种则使用 LPDDR4X。

3. 新一代的实体层电路

IMT-2020 候选的多项技术中,在传送端(Tx) 新的改变包含调变波形如 FBMC、GFDM 等。 接收端(Rx)则佔 Modem 主要运算处理部分,其中现行 LTE 标準内的 LDPC、Turbo Code 将与新的 Polar Code 共同候选通道编解码的角色。Massive MIMO 所需要处理天线以及不同载波之间的互相干扰,都将加深数位讯号处理器 (Digital Signal Processor,DSP)解调的複杂度。

由于 5G 将使用如上所述多种新的通讯技术,实际负责传输讯号的实体层将会迥异于现行架构,更强大的 DSP 将扮演重要角色。手机晶片业者通常以自行开发或者向外购买 DSP,如高通採自行开发,而其他手机晶片业者则倾向使用 CEVA 提供的 DSP。

4. DSP 与 CPU 在 IMT-2020 间的竞合

现行 DSP 负责 Layer 1 运算,而 CPU 负责 Layer 2 以上一直是长期以来在通讯架构的常态,但在新一代 IMT-2020 对于可调式(Adaptive) 传输的处理改採跨阶层运算,甚至不同 RAT 共同传输必须面对不同特性的应用加以取捨,如电动车通讯强调即时反应,但多数物联网应用却不用强调即时反应。传统的现行电路架构势必遭遇挑战,目前在对于高通、ARM、CEVA 等常见厂商则可预见将採不同做法以因应 5G 所带来的全新体验。

5. 多模多频之射频模组与多根天线

自从多种无线通讯技术与 MIMO 技术相继问世,目前手机已有多种通讯技术并存,例如 LTE、WiFi/BT、NFC 等,不只一支天线存在现行的手机内。在 5G 的年代,多频段的功率放大器(Power Amplier)以及毫米波频段多重 MIMO 将会带给射频工程师在体积无法成长的手机内更大的挑战。

【COMPUTEX 2016】迈入 5G 时代,台厂如何在零组件佔据一席之地 联发科 Mediatek helio P20 採用 16 奈米製程,是全球首款支持 LPDDR4X(低功耗双倍数据速率随机储存)的 SoC。集合上下游,零组件台厂跃居要角

台湾目前在全球晶圆代工与封测产值都居全球第一,IC 设计产值则居于全球第二,在全球半导体产业可谓举足轻重,面对未来 IMT-2020 预定目标,台厂可持续提供完整解决方案。

面对 IM-2020 规格所要求高达 20Gbps 尖峰传输率与 100 倍网路能源效率,台湾半导体代工实作电路需要最先进的製程,透过拥有高速运作速度,与较少漏电流的电晶体架构(FinFET),以符合 5G 的尖峰传输率及网路能源效率需求。台积电目前规划 10 奈米于 2016 年进入量产,到 2018 年则可量产 7 奈米。

分居全球封测产值第一与第三名的日月光及硅 品,基于过去 Package on Package(PoP)与 Silicon in Package(SiP)的整合经验,将有助于改善未来晶片散热与电性特性,达到 IMT-2020 所制定的高标準。

此外,联发科奠基于过去多媒体(Multi-Media) 应用与 2/3/4G 电信技术开发的经验,同时也与日本 NTT docomo 合作共同开发下一代电信技术,预期能在 2020 年準时推出符合标準之通讯 晶片。

IMT-2020 的驱动力来自生活多项影音、车辆与物联网应用。因此,如全球仅次于美光唯一同时生产 DRAM、NAND、NOR 且自有记忆体工厂的厂商华邦,便在重视节能的物联网与需长期供应的车规应用中,具有关键地位。

综观全球,除了美国之外,只有台湾是唯一可以提供整个半导体产业从上下游到终端解决方案的国家,从 IC 设计、晶圆代工、封测、周边记忆体供应乃至 ICT 终端产品,对于上下游供应具有群聚效应,可大幅减少营运成本。例如一个提供 5G 周边应用的 IC 设计厂商可以直接同时在台积电、华邦以及日月光下单,台积电晶片与 华邦提供之记忆体可直接载运送日月光 SIP 封 测,下单客户只需专注设计研发,在未来重视 3D IC 或是物联网多类型应用可提供更佳的服务。

【COMPUTEX 2016】迈入 5G 时代,台厂如何在零组件佔据一席之地ICT 厂商,Computex 大集合

今年的台北国际电脑展 Computex 即将盛大展开,每年孵育无数优秀设计产品的「台北国际电脑展创新设计奖」(COMPUTEX d&i awards) 也迈入第九届,呼应产业趋势扩大徵件类别,朝物联网及智慧科技发展。除了 Acer(宏碁)、ASUS (华硕)、Avision(虹光精密)、Cooler Master(讯凯国际)、Dell(戴尔)、Delta(台达电)、Edimax(讯舟科技)、GIGABYTE(技嘉)、HTC(宏达电)、 MSI(微星)、ermaltake(曜越)、TPV (冠捷科技)、ZOTAC(索泰)等得奖大厂外,更集合台湾诸多 ICT 厂商,预期将运用完整产业供应链优势,呈现工业製造及商业软硬整合解决方案, 目标朝「建构全球科技生态系」更迈进一步,同 时也蓄势待发,迎接 5G 时代的到来。

以下概列本届 Computex 各领域参展厂商:

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