【COMPUTEX 2016】邁入 5G 時代,台廠如何在零組件佔據一席之地

作者 | 發布日期 2016 年 06 月 02 日 12:00 | 分類 網路 , 零組件 follow us in feedly
特刊

隨著科技創新,行動產業蓬勃發展,對資訊傳遞的效率與速度需求也不斷提升。其中尤以 UHD 影像(Ultra High Denition)、智慧電動車與物聯網的普及最為相關,促使行動寬頻朝向 5G 邁進。



在 UHD 方面,依照目前趨勢,人類對影像品質的要求仍毫無止境。現今 Full HD 不但普遍深入世界各國頻道,4K UHD 電視亦常見於各大賣場,日本甚至規劃在 2020 年東京奧運要以 8K 影像播送。純以解析度對於影像頻寬而言,一個 8K 畫面高達 Full HD 的 16 倍。雖然電視影像播送有專門的數位電視標準,但生活上也已隨處可見手機播放高畫質影像檔案,故未來對高速通訊需求可見一斑。

若要改善畫質,除了提高解析度、將廣色域 (Color Space)與色彩深度(Color Depth)提高到 10~12 bits 外,增加幀率(Frame Rate) 也是可行辦法,國際電信聯盟(ITU)定義在 UHD 播送的 ITU-R Rec. BT.2020 影像標準即納入此改變。

特刊

但無論是上述哪種方式,都會增加通訊頻寬。因此即便高效率影片編碼(High Eciency Video Coding,HEVC)較前代 H.264 約莫增加了兩倍壓縮率,但光只是解析度提高,就已導致影像傳輸對新一代通訊技術需求孔急。

其次,電動車近幾年在 Tesla、Apple 或是 Google 相繼發展無人駕駛的潮流下,早已成為 Computex、CeBIT、CES 等高科技展覽注目焦點。智慧電動車在動力改由電力驅動外,車子與資通訊科技(ICT)、半導體的結合,都將帶來車輛的全新革命。目前使用的先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance Systems,ADAS), 就大量配合使用到相機鏡頭、影像訊號處理器 (Image Signal Processor,ISP)等 ICT 產品。此外,車用零組件廠商也可望蒙受其惠。

ICT 用於智慧車並不限於現行被動輔助,未來智慧車將會納入主動式自動安全駕駛,藉由車與車(V2V)或是車與基礎建設(V2I)間以遠距通訊技術(Telematics)的交換即時資訊──內容包含本車所有裝置的資訊(如胎壓甚至駕駛習慣)與相關周邊環境事務(行人與其他車輛) 等──以達到終極無人駕駛車的理想。為了實現此理想,新一代車用通訊系統將需要高頻寬,以納入低延遲(Low Latency)特性,保證接收到的資訊能即時反應為必要參數。

最後,建構未來智慧城市與智慧家庭的物聯網(IoT)也正蓬勃發展中。一個智慧家庭將不只有電腦、個人行動裝置,連冷氣機、洗衣機等消 費型家電都可以連上網路。再從家庭擴及整個城市,納入智慧電錶等智慧電網的應用,更加普及於人類生活當中。

目前提出可用於物聯網的通訊技術相當多種,包含 LoRa 與 SigFox 在內等遠距低功耗網路廠商正努力布建基地站,而 3GPP(3rd Generation Partnership Program,第三代合作夥伴計畫)本身亦把物聯網納入網路架構規範的標準內,在 Release 12 當中制定了 CAT-M 之後,Release 13 又繼續發展更節省成本與更低耗能的 NarrowBand-IoT(NB-IoT)技術。由於現行電信技術起源自語音通訊,雖然在 IMT-2000(3G)與 IMT-Advanced(4G)年代大幅增加傳輸速度,但通訊裝置可連結基地台的數目畢竟以人類上網為基準設計,面對未來將有更多人類生活裝置連結上電信網路,現行系統仍嫌不足,故需新一 代電信技術支援。

 

嶄新應用,驅動 IMT-2020 標準誕生

面對前述 3 種未來主要趨勢──UHD 影像、智慧電動車以及物聯網皆需要新的通訊技術才可以支援,國際電信聯盟提出制定新一代 IMT- 2020(俗稱 5G)標準,目標訂於在 2020 年東京奧運時可以實際運轉此技術。2015 年起開始研究,2017 年起接受如 3GPP 組織提案,2018~2019 年間驗證提案技術,圖一則描述了 IMT- 2020 市場應用與相對應規格。

特刊

▲ 圖一:IMT-2020 市場應用與相對應規格。

特刊

▲ 補充之夏農(Shannon)公式。

為了能夠傳輸超過 UHD 的影像,理論尖峰傳輸率(Peak Data Rate)需要較 4G(只有 1Gbps) 增加,達到 20Gbps 之外,對消費者而言,無論在家中臥房還是在移動高鐵上,使用者體驗至關重要,因此也必須兼顧使用者體驗傳輸率(User Experienced Data Rate),至少達到 100Mbps。

IMT-2020 針對未來智慧車的應用,不但強調移動時的傳輸能力,對於車輛通訊特別需要的低延遲能力也特別著墨。低延遲代表車輛本身可以更即時(Real time)去處理瞬息萬變的交通狀況, 為了充分掌握周邊交通(車子與可能任何影響安全的裝置)與相互流動的資訊,處理區域資訊流量(Area Trac Capacity)當然也得一併考慮。

至於針對物聯網多種類上網的需要,IMT- 2020 也跳脫傳統 2/3/4G 只傳送語音與資料的特性,重新定義一個能夠容納更多聯網密度裝置(Connection Density)的系統,並強調其具有低功耗(Low Power)的網路能源效率(Network Energy Eciency),以達成節能減碳的綠能環境, 同時也節省了更換電池與人工布線的成本。

特刊

(Source:Qualcomm)

技術突破,迎向 IMT-2020 目標

為了達成 IMT-2020 標準所設定的目標,世界各國電信營運商、終端商與元件商均致力研發各種技術。包括調變波形(Modulation Waveform) 與多工技術(Multiplex)、多重無線存取技術 (Multi-RAT)、毫米波(Millimeter Wave)與大規模陣列天線(Massive Antenna)、軟體定義網路(Soware Dened Network,SDN)與網路功能虛擬化(Network Function Visualization, NFV)等。

傳統夏農公式至今仍適用,只是許多新技術開發出來,補充了此公式。傳統雜訊(Noise)可細分為已知干擾與純雜訊,而在 3GPP Release 10 之後所採用的載波聚合(Carrier Aggregation) 技術,在 5G 時代將因為有更廣的頻寬,能夠產生更高傳輸容量。

1. 調變波型與多工技術

目前在 IMT-2020 候選的新一代調變波形都是奠基在 LTE 所使用的正交分頻多工技術 OFDM 改良而來,包括 Filter Bank Multi-Carrier(FBMC)與 Generalized Frequency Division Multiplexing(GFDM)等,其中的差異為在成本與頻譜效益(Spectrum Eciency)之間的取捨,另外也考慮以傳送訊號消除技術,實現全多工(Full Duplex)傳輸。目的為了滿足 IMT-2020 目標的 3 倍頻譜效益以及 500KM/h 移動率,如圖一。

2. 多重無線存取技術

使用不同的基地台同時對手機傳輸。例如透過上傳或是下載的不同特性,雙連結(Dual Connection)到不同基地台;亦或者利用手機多根天線的特性,在加強下載傳輸狀況下,不同天線連結到不同基地台。早在 3GPP Release 11 時就已經開始規範此協調多點傳輸(Coordinated Multipoint,CoMP)在同質性網路(Homogeneous Network)的傳輸模式。

除了大型基地台與小型基地台之間的協調多點傳輸外,目前 3GPP 正在討論不同網路系統,即異質網路(Heterogeneous Network)間的合作傳輸,其中以 Wi-Fi 與 LTE 間的連結(LTE WiFi Aggregation,LWA)為眾所矚目的焦點,可透過現行已經布建完整的 Wi-Fi Access Point、LTE 基地台與終端手機同時連結傳輸。在 IMT-2020 規劃的網路建設藍圖中,大量小基地台或是與其他網路系統的合作,將會扮演非常重要的角色。

3. 毫米波與大規模陣列天線

5G 標準雖然還在研究當中,但目前各國組織或是廠商都常會達成共識,就是使用頻譜 5GHz 以上,甚至到 70GHz 左右,以毫米波傳送,高頻載波帶來高電路頻寬的效益,同步降低接收天線的大小,也有助於使用大規模陣列天線 (Massive Antenna)。提高多輸出輸入(Multiple Input Multiple Output,MIMO)的導入,是倍增夏農新補充的公式因素之一,雖然較高的載波頻率不利於遠距傳輸,但由於未來基地台設置將如前段所述,使用布建密度高的小型基地台, 手機與基地台的距離較現行為近,可克服此不利因素。

4. 軟體定義網路與網路功能虛擬化

從 2G 來到現行 LTE 網路,基地台所扮演的角色愈顯重要,在通用行動通訊系統 UMTS 的 Node B 開始將原本集中管理資源下放,例如手機轉移功能(Handover)的切換,Node B 在 LTE 時代負擔更重的管理量,故整合更高層協定至進化版 Evolved Node B 內。

由於未來無線傳輸速度倍增,與多個基地台相互連結的複雜合作下,整體電信網路架構也將遭遇前所未見的挑戰。包含管理傳輸資料流動、智慧車用所需的低延遲網路系統反應與多種連網裝置產生的物聯網連結任務,亦即實現 IMT-2020 目標提升 100 倍的網路能源效率、延遲低於1ms、每平方公里 100 萬的聯網密度裝置,以及處理每平方公尺 10Mbps 的區域資訊流量。如何在合理的成本增加下完成上述任務,導入 SDN 與 NFV 將是電信設備商與電信營運商針對的方向。

 

實現 IMT-2020 的關鍵零組件

為了研發通訊技術,從負責運算的 CPU 到實體層的 Modem 等元件,都必須能實際發揮應用, 才構成改變的可能性。

1. CPU 處理更複雜高於 Layer 2 的訊號流程

現行個人行動裝置通常使用 CPU 做為處理 Layer2/Layer3 的協定訊號。傳統面臨對抗不同狀況的傳輸通道,Layer 1 會考慮調整調變(Modulation)與錯誤更正碼(Error Control Coding)機制,以符合即時通道估測(Estimation) 的結果。但在 IMT-2020 後,此調整機制將拉高至 Layer 2 以上,使用不同的基地台或是 RAT 傳輸以配合現行通道狀態。

由於 5G 將使用 Multi-RAT 傳輸,一支手機很可能同時會與多個不同基地台,甚至周邊手機連結(Device to Device,D2D)、轉移與傳送資料將需要更複雜、更即時的處理,一個高速的 CPU,甚至效能媲美應用處理器(Application Processor,AP)之內的 CPU 將勢不可免。

目前基頻裝置所使用的 CPU,通常為 ARM 之 R 系列處理器,其最近推出 Cortex-R8 具有 4 核心之非循序(Out of Order,OoO)處理功能,此運算架構已經非常接近手機應用處理器的 CPU,甚至傳統電腦的 CPU,此效能的強化方足以應用在 5G 複雜的網路協定。

2. 次世代行動記憶體(LPDDR4X/LPDDR5)

除了強化 CPU 之外,與 CPU 配合的記憶體也須同時配合 5G 特性。目前手機內 AP 均使用行動記憶體,可能為 LPDDR3 或是 LPDDR4。對於像 iPhone 這種 Modem 仍然獨立於 AP 之外的手機架構而言,配合 Modem 使用的 DRAM 目前還是以 LPDDR/LPDDR2 居多,但隨著支援 3GPP Release 12 高速 Category 手機晶片陸續問世,更高速的 LPDDR4 可預期被廣泛使用。

在 IMT-2020 的規格中,配合 CPU 高速處理與增加通話/上網時間的特性,降低在高速傳輸時產生的功耗,LPDDR4X 技術已經被 JEDEC 組織所定義,並由聯發科實作產生。其主要特性為降低記憶體輸出入周邊電壓至 0.6V,讓每個輸出入以 3200Mbps 以上高速傳輸,此標準也將同時納為下一代 LPDDR5 的標準,以因應 5G 所需要的高速存取頻寬。預計在 2020 年 5G 上路時,高階機種將會使用 LPDDR5,主流機種則使用 LPDDR4X。

3. 新一代的實體層電路

IMT-2020 候選的多項技術中,在傳送端(Tx) 新的改變包含調變波形如 FBMC、GFDM 等。 接收端(Rx)則佔 Modem 主要運算處理部分,其中現行 LTE 標準內的 LDPC、Turbo Code 將與新的 Polar Code 共同候選通道編解碼的角色。Massive MIMO 所需要處理天線以及不同載波之間的互相干擾,都將加深數位訊號處理器 (Digital Signal Processor,DSP)解調的複雜度。

由於 5G 將使用如上所述多種新的通訊技術,實際負責傳輸訊號的實體層將會迥異於現行架構,更強大的 DSP 將扮演重要角色。手機晶片業者通常以自行開發或者向外購買 DSP,如高通採自行開發,而其他手機晶片業者則傾向使用 CEVA 提供的 DSP。

4. DSP 與 CPU 在 IMT-2020 間的競合

現行 DSP 負責 Layer 1 運算,而 CPU 負責 Layer 2 以上一直是長期以來在通訊架構的常態,但在新一代 IMT-2020 對於可調式(Adaptive) 傳輸的處理改採跨階層運算,甚至不同 RAT 共同傳輸必須面對不同特性的應用加以取捨,如電動車通訊強調即時反應,但多數物聯網應用卻不用強調即時反應。傳統的現行電路架構勢必遭遇挑戰,目前在對於高通、ARM、CEVA 等常見廠商則可預見將採不同做法以因應 5G 所帶來的全新體驗。

5. 多模多頻之射頻模組與多根天線

自從多種無線通訊技術與 MIMO 技術相繼問世,目前手機已有多種通訊技術並存,例如 LTE、WiFi/BT、NFC 等,不只一支天線存在現行的手機內。在 5G 的年代,多頻段的功率放大器(Power Amplier)以及毫米波頻段多重 MIMO 將會帶給射頻工程師在體積無法成長的手機內更大的挑戰。

mediatek

▲ 聯發科 Mediatek helio P20 採用 16 奈米製程,是全球首款支持 LPDDR4X(低功耗雙倍數據速率隨機儲存)的 SoC。(Source:聯發科)

集合上下游,零組件台廠躍居要角

台灣目前在全球晶圓代工與封測產值都居全球第一,IC 設計產值則居於全球第二,在全球半導體產業可謂舉足輕重,面對未來 IMT-2020 預定目標,台廠可持續提供完整解決方案。

面對 IM-2020 規格所要求高達 20Gbps 尖峰傳輸率與 100 倍網路能源效率,台灣半導體代工實作電路需要最先進的製程,透過擁有高速運作速度,與較少漏電流的電晶體架構(FinFET),以符合 5G 的尖峰傳輸率及網路能源效率需求。台積電目前規劃 10 奈米於 2016 年進入量產,到 2018 年則可量產 7 奈米。

分居全球封測產值第一與第三名的日月光及矽 品,基於過去 Package on Package(PoP)與 Silicon in Package(SiP)的整合經驗,將有助於改善未來晶片散熱與電性特性,達到 IMT-2020 所制定的高標準。

此外,聯發科奠基於過去多媒體(Multi-Media) 應用與 2/3/4G 電信技術開發的經驗,同時也與日本 NTT docomo 合作共同開發下一代電信技術,預期能在 2020 年準時推出符合標準之通訊 晶片。

IMT-2020 的驅動力來自生活多項影音、車輛與物聯網應用。因此,如全球僅次於美光唯一同時生產 DRAM、NAND、NOR 且自有記憶體工廠的廠商華邦,便在重視節能的物聯網與需長期供應的車規應用中,具有關鍵地位。

綜觀全球,除了美國之外,只有台灣是唯一可以提供整個半導體產業從上下游到終端解決方案的國家,從 IC 設計、晶圓代工、封測、周邊記憶體供應乃至 ICT 終端產品,對於上下游供應具有群聚效應,可大幅減少營運成本。例如一個提供 5G 周邊應用的 IC 設計廠商可以直接同時在台積電、華邦以及日月光下單,台積電晶片與 華邦提供之記憶體可直接載運送日月光 SIP 封 測,下單客戶只需專注設計研發,在未來重視 3D IC 或是物聯網多類型應用可提供更佳的服務。

特刊

ICT 廠商,Computex 大集合

今年的台北國際電腦展 Computex 即將盛大展開,每年孵育無數優秀設計產品的「台北國際電腦展創新設計獎」(COMPUTEX d&i awards) 也邁入第九屆,呼應產業趨勢擴大徵件類別,朝物聯網及智慧科技發展。除了 Acer(宏碁)、ASUS (華碩)、Avision(虹光精密)、Cooler Master(訊凱國際)、Dell(戴爾)、Delta(台達電)、Edimax(訊舟科技)、GIGABYTE(技嘉)、HTC(宏達電)、 MSI(微星)、ermaltake(曜越)、TPV (冠捷科技)、ZOTAC(索泰)等得獎大廠外,更集合台灣諸多 ICT 廠商,預期將運用完整產業供應鏈優勢,呈現工業製造及商業軟硬整合解決方案, 目標朝「建構全球科技生態系」更邁進一步,同 時也蓄勢待發,迎接 5G 時代的到來。

以下概列本屆 Computex 各領域參展廠商:

  • 半導體及指標廠商:緯穎、聯發、英特爾、雲達、瑞昱、日月光
  • 通訊及網路產品:訊舟、技嘉、俠諾、宏正、萬泰、帝希、元通、正文、葆得、茂發、普萊德
  • 智慧居家娛樂:大同、喬鼎、錄森、富欣、精技、亞旭、邑錡、視達威、大通
  • 安全應用:智晟、雲守護、愛瑪麗歐、物聯智慧
  • 車用電子:神達、磐旭、怡利、DEKRA
  • 智慧科技解決:育見、巽陽、雷虎、威臣
  • 智慧穿戴:ITRI、羅姆、輝能、鉅景、研鼎
  • 系統及解決方案:華碩、戲智、宏碁、微軟、台達電、明基、微星、 華擎、昆盈、精英、華芸、藍天
  • 外商區:Thermaltake、艾波比、FSP、西門子
  • 智慧商業區:普達、飛捷、振樺電子、研華、拍檔
關鍵字: , , ,

發表迴響