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联发科与高通的5G晶片设计解析
比技术、也比商业模式

【作者: 籃貫銘】2020年02月14日 星期五

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5G是个新技术,也是个复杂的技术,其所涉及的技术环节甚多,而要整合的应用也相当复杂,特别是在手机平台上。本文便剖析联发科与高通的5G晶片设计,一解5G晶片的设计关键。


联发科与高通的5G晶片大战,自去年底各自发表旗下新品之後,双方就陆续隔空交火,针对晶片的设计架构提出评论,彼此在技术能力上互不相让,要争5G晶片的市场龙头位置。


然而5G是个新技术,也是个复杂的技术,其所涉及的技术环节甚多,而要整合的应用也相当复杂,特别是在手机平台上。本文便剖析联发科与高通的5G晶片设计,一解5G晶片的设计关键。


单晶片vs 独立式

5G晶片设计的第一个争论,就是系统单晶片(SoC)与数据机独立式的不同。


不同於联发科的天玑系列皆采用SoC的设计,高通的旗舰型5G晶片骁龙(Snapdragon)865却采用了数据机外挂的架构,其X55 5G数据晶片是独立在处理器晶片之外。依据高通自己的说法,数据机独立的形式,对客户来说会有更多的设计弹性,同时也能保有更多的客制化空间。


不过这个说法在手机平台上并不完全正确,因为就手机而言,高整合度与系统平衡性才是重点,采用外挂的架构只会增加设计的复杂度,对系统商而言,并不具备吸引力。


反而就如联发科所说:「在手机平台上SoC才是主流,而且设计难度较高。」


所谓的独立式设计,就是把两个大IC摆在一起。而这样的设计一定会比较耗电,原因是需要进行大量的资料互传;再者,独立式的设计在PCB的面积一定会比较多,因此会限制电池或其他元件体积的规划,进而导致装置体积的增加。


综合上述,采用SoC才是较合理的作法,而高通选择独立式的设计,应该只是基於商业模式的考量,会聚焦智慧手机以外的市场。


而依据高通自己的新闻发布,其X55 5G数据机和射频系统已获得超过30家OEM采用,包括三星、网易、诺基亚、富智康、OPPO、广达、仁宝等,会在今年起陆续用在固定无线接取(FWA)和用户终端设备(CPE)上。


不过,虽然联发科先推出SoC架构,并不代表他们不能生产独立式的数据机晶片,他们同样也有独立数据机的解决方案。主要是在5G 时代,智慧手机并不是唯一的主角,还会有更多的行动设备会导入5G的网路技术。因此英特尔(intel)就选择与联发科合作,要把其5G数据晶片用在新一代的笔记型电脑上。



图一 : 5G晶片设计架构示意(CTIMES制图)
图一 : 5G晶片设计架构示意(CTIMES制图)

Sub-6 GHz vs 毫米波

同样是数据机的设计差异,高通的X55同时支援了Sub-6 GHz与毫米波(mmWave)频段,并且有完整相对应的RF前端系统与之搭配,也因此,高通声称自己具备「最完整的5G数据机方案」。


至於联发科的5G单晶片,目前则是未支援毫米波,仅能支援Sub-6 GHz的频段。但联发科强调,选择先推出Sub-6 GHz是策略考量的结果,他们同样也具备毫米波的技术。


联发科无线通信事业部总经理李宗霖就指出,由於Sub-6频段有建置成本的优势,因此全球电信业者几??都先实施Sub-6频段的业务。目前全球56个5G电信商中,已有54个选择先推Sub-6;其次现在正在进行的台湾5G频段竞标中,Sub-6频段的竞标价是远远高於毫米波的标价。显见Sub-6 GHz对於全球电信业者的吸引力。


所以从电信业者的角度,或者说智慧手机的角度,先支援Sub-6频段才是上上之选,反观毫米波的部分,则会是未来式的解决方案。但若从工业或者其他的垂直领域应用来看,毫米波的潜力就十分庞大,但那也不会是立即发生的事。


而从技术层面的观点来看,毫米波拥有较高的频率,因此在天线系统的设计也较为复杂,如何能在讯号、功耗与体积中取得最优化的设计,就是十分仰赖开发人员的经验与制造厂的实力。尤其是多天线的技术(Massive MIMO),以及所衍伸的束波成型(Beam forming)技术,将会扮演着5G大连结能力的关键角色。


特别是若要使用SoC的设计,要优化毫米波数据机与天线系统的难度,也相对於Sub-6要高,因此谁能够率先推出最具竞争力的毫米波单晶片,将会是下一波的5G晶片技术竞争点。


而依据联发科的说法,他们将在今年下半年推出支援毫米波的5G单晶片。


AI处理器:决战影像分析与视觉辨识

除了CPU、GPU与数据机之外,AI处理器(引擎)的设计是5G晶片中最令人眼睛为之一亮的焦点,因为它直接涉及了使用者体验的优劣,特别是在智慧型手机的应用上。


而针对越来越高的AI体验需求,联发科与高通在5G晶片上皆提出了全新架构的人工智慧处理架构,联发科是第三代的人工智慧处理器(APU 3.0),高通则是第五代的人工智慧引擎(AIE)。


联发科的APU 3.0是采用二大三小,加一微小核的架构,其中大核为联发科自主研发的AI核心,处理主要的AI任务,三小核则是用来辅助影像算力的VPU。


至於微小核,则是专门用来辅助人脸辨识的设计。依据联发科的说法,相较於使用软体的形式,使用硬体的设计来处理人脸辨识的运算,不仅速度更快,同时整体的功耗也更低。


而对於人工智慧技术的研发,联发科将会持续采用混合式(Hybrid)架构,也就是AI加速引擎结合VPU,和网路运算加速的方式进行,同时也会坚持自主研发的道路。


高通的第五代AIE则拥有相当高的AI算力(15 TOPS),它透过统合CPU、GPU与DSP的运算资源,实现了前一代两倍的运算能力。然而高通的AI引擎主要着重在所谓的「异构运算」上,也就是Hexagon 698(DSP)再加上其他的加速器(如神经网路和机器学习)的方式,并其他的人工智慧框架做搭配。


同样有监於越来越多的影像及语音的智慧功能被运用在手机上,高通添加了新的Sensing Hub设计在其AI引擎中,它能让各项智慧功能更快被启用,同时所需要的功耗也更低。



图二 : 联发科与高通的5G晶片比较。(CTIMES制表)
图二 : 联发科与高通的5G晶片比较。(CTIMES制表)

而为了优化在影像处理上的效能,高通也在新晶片上加入了新的Spectra 480 CV-ISP单元,每秒能处理20亿画素,同时也把更多的运算资源放在Hexagon 698数位讯号处理器上,以强化AI与影像运算的能力。


结语

进入5G时代,所面对的应用情境将会与4G有所不同,也因此,晶片的设计思维势必会有不同的切入点。更明确的说,也就是要因应客户的不同需要,产生不同的产品组合,甚至是发展出不同的商业模式。紧守着单卖晶片的固定模式,很可能会在5G时代中落居下风。


也因此,对於IC设计公司来说,除了持续坚持在技术上的突破与创新之外,采取更具弹性的服务模式,对於面对5G时代里更多元与复杂的应用,会是一个比较有利的做法。


所以从这个观点来看,要发展SoC单晶片,就是要针对适合SoC的装置与应用,若要采用独立式,也会是专注於适合独立式的装置,两者之间并未有高下之分。最後的胜出与否,还是要看谁的服务能力与应变能力,而这才是5G时代的最隹竞争力。


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