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聯發科與高通的5G晶片設計解析
比技術、也比商業模式

【作者: 籃貫銘】   2020年02月14日 星期五

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5G是個新技術,也是個複雜的技術,其所涉及的技術環節甚多,而要整合的應用也相當複雜,特別是在手機平台上。本文便剖析聯發科與高通的5G晶片設計,一解5G晶片的設計關鍵。


聯發科與高通的5G晶片大戰,自去年底各自發表旗下新品之後,雙方就陸續隔空交火,針對晶片的設計架構提出評論,彼此在技術能力上互不相讓,要爭5G晶片的市場龍頭位置。


然而5G是個新技術,也是個複雜的技術,其所涉及的技術環節甚多,而要整合的應用也相當複雜,特別是在手機平台上。本文便剖析聯發科與高通的5G晶片設計,一解5G晶片的設計關鍵。


單晶片vs 獨立式

5G晶片設計的第一個爭論,就是系統單晶片(SoC)與數據機獨立式的不同。


不同於聯發科的天璣系列皆採用SoC的設計,高通的旗艦型5G晶片驍龍(Snapdragon)865卻採用了數據機外掛的架構,其X55 5G數據晶片是獨立在處理器晶片之外。依據高通自己的說法,數據機獨立的形式,對客戶來說會有更多的設計彈性,同時也能保有更多的客製化空間。


不過這個說法在手機平台上並不完全正確,因為就手機而言,高整合度與系統平衡性才是重點,採用外掛的架構只會增加設計的複雜度,對系統商而言,並不具備吸引力。


反而就如聯發科所說:「在手機平台上SoC才是主流,而且設計難度較高。」


所謂的獨立式設計,就是把兩個大IC擺在一起。而這樣的設計一定會比較耗電,原因是需要進行大量的資料互傳;再者,獨立式的設計在PCB的面積一定會比較多,因此會限制電池或其他元件體積的規劃,進而導致裝置體積的增加。


綜合上述,採用SoC才是較合理的作法,而高通選擇獨立式的設計,應該只是基於商業模式的考量,會聚焦智慧手機以外的市場。


而依據高通自己的新聞發佈,其X55 5G數據機和射頻系統已獲得超過30家OEM採用,包括三星、網易、諾基亞、富智康、OPPO、廣達、仁寶等,會在今年起陸續用在固定無線接取(FWA)和用戶終端設備(CPE)上。


不過,雖然聯發科先推出SoC架構,並不代表他們不能生產獨立式的數據機晶片,他們同樣也有獨立數據機的解決方案。主要是在5G 時代,智慧手機並不是唯一的主角,還會有更多的行動設備會導入5G的網路技術。因此英特爾(intel)就選擇與聯發科合作,要把其5G數據晶片用在新一代的筆記型電腦上。



圖一 : 5G晶片設計架構示意(CTIMES製圖)
圖一 : 5G晶片設計架構示意(CTIMES製圖)

Sub-6 GHz vs 毫米波

同樣是數據機的設計差異,高通的X55同時支援了Sub-6 GHz與毫米波(mmWave)頻段,並且有完整相對應的RF前端系統與之搭配,也因此,高通聲稱自己具備「最完整的5G數據機方案」。


至於聯發科的5G單晶片,目前則是未支援毫米波,僅能支援Sub-6 GHz的頻段。但聯發科強調,選擇先推出Sub-6 GHz是策略考量的結果,他們同樣也具備毫米波的技術。


聯發科無線通信事業部總經理李宗霖就指出,由於Sub-6頻段有建置成本的優勢,因此全球電信業者幾乎都先實施Sub-6頻段的業務。目前全球56個5G電信商中,已有54個選擇先推Sub-6;其次現在正在進行的台灣5G頻段競標中,Sub-6頻段的競標價是遠遠高於毫米波的標價。顯見Sub-6 GHz對於全球電信業者的吸引力。


所以從電信業者的角度,或者說智慧手機的角度,先支援Sub-6頻段才是上上之選,反觀毫米波的部分,則會是未來式的解決方案。但若從工業或者其他的垂直領域應用來看,毫米波的潛力就十分龐大,但那也不會是立即發生的事。


而從技術層面的觀點來看,毫米波擁有較高的頻率,因此在天線系統的設計也較為複雜,如何能在訊號、功耗與體積中取得最優化的設計,就是十分仰賴開發人員的經驗與製造廠的實力。尤其是多天線的技術(Massive MIMO),以及所衍伸的束波成型(Beam forming)技術,將會扮演著5G大連結能力的關鍵角色。


特別是若要使用SoC的設計,要優化毫米波數據機與天線系統的難度,也相對於Sub-6要高,因此誰能夠率先推出最具競爭力的毫米波單晶片,將會是下一波的5G晶片技術競爭點。


而依據聯發科的說法,他們將在今年下半年推出支援毫米波的5G單晶片。


AI處理器:決戰影像分析與視覺辨識

除了CPU、GPU與數據機之外,AI處理器(引擎)的設計是5G晶片中最令人眼睛為之一亮的焦點,因為它直接涉及了使用者體驗的優劣,特別是在智慧型手機的應用上。


而針對越來越高的AI體驗需求,聯發科與高通在5G晶片上皆提出了全新架構的人工智慧處理架構,聯發科是第三代的人工智慧處理器(APU 3.0),高通則是第五代的人工智慧引擎(AIE)。


聯發科的APU 3.0是採用二大三小,加一微小核的架構,其中大核為聯發科自主研發的AI核心,處理主要的AI任務,三小核則是用來輔助影像算力的VPU。


至於微小核,則是專門用來輔助人臉辨識的設計。依據聯發科的說法,相較於使用軟體的形式,使用硬體的設計來處理人臉辨識的運算,不僅速度更快,同時整體的功耗也更低。


而對於人工智慧技術的研發,聯發科將會持續採用混合式(Hybrid)架構,也就是AI加速引擎結合VPU,和網路運算加速的方式進行,同時也會堅持自主研發的道路。


高通的第五代AIE則擁有相當高的AI算力(15 TOPS),它透過統合CPU、GPU與DSP的運算資源,實現了前一代兩倍的運算能力。然而高通的AI引擎主要著重在所謂的「異構運算」上,也就是Hexagon 698(DSP)再加上其他的加速器(如神經網路和機器學習)的方式,並其他的人工智慧框架做搭配。


同樣有鑑於越來越多的影像及語音的智慧功能被運用在手機上,高通添加了新的Sensing Hub設計在其AI引擎中,它能讓各項智慧功能更快被啟用,同時所需要的功耗也更低。



圖二 : 聯發科與高通的5G晶片比較。(CTIMES製表)
圖二 : 聯發科與高通的5G晶片比較。(CTIMES製表)

而為了優化在影像處理上的效能,高通也在新晶片上加入了新的Spectra 480 CV-ISP單元,每秒能處理20億畫素,同時也把更多的運算資源放在Hexagon 698數位訊號處理器上,以強化AI與影像運算的能力。


結語

進入5G時代,所面對的應用情境將會與4G有所不同,也因此,晶片的設計思維勢必會有不同的切入點。更明確的說,也就是要因應客戶的不同需要,產生不同的產品組合,甚至是發展出不同的商業模式。緊守著單賣晶片的固定模式,很可能會在5G時代中落居下風。


也因此,對於IC設計公司來說,除了持續堅持在技術上的突破與創新之外,採取更具彈性的服務模式,對於面對5G時代裡更多元與複雜的應用,會是一個比較有利的做法。


所以從這個觀點來看,要發展SoC單晶片,就是要針對適合SoC的裝置與應用,若要採用獨立式,也會是專注於適合獨立式的裝置,兩者之間並未有高下之分。最後的勝出與否,還是要看誰的服務能力與應變能力,而這才是5G時代的最佳競爭力。


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