從現在開始,我們將會目睹5G 的爆發式成長。5G最突出的優點在于低時延和點對點的快速高效通信,那么它會給嵌入式產業帶來哪些機會呢? 嵌入式工程師面對5G的到來,又需要做哪些方面的準備和改變呢?最近《單片機與嵌入式系統應用》邀請了業內專家、公司、工程師來聊聊對這一問題的看法！

業 界 聲 音

5G僅僅是走向萬物互聯的開始

回顧移動通信發展史,從1G 到4G 是通信技術的量變階段,從4G到5G 是從數字通信技術到智能信息技術的變革階段。從1G 模擬語音信號傳輸、2G 數字語音與文件的傳輸服務、3G 數字影像的傳輸服務到4G 數字視頻服務,圓滿地完成了移動通信的數字化革命任務。其后,又出現了新的矛盾:4G通信的時延無法滿足物聯網應用中的實時性、安全性要求,成為物聯網應用的技術瓶頸。

 

5G誕生帶來的低時延、高可靠、低功耗信息傳輸技術,將突破技術瓶頸。因此,5G 時代是通信應用向物聯網產業應用的變革時代。5G 將大大加速人工智能發展速度,迎來物聯網產業應用熱潮,但5G僅僅是走向萬物互聯的開始,6G將決定人工智能的未來。

 

人們熟悉1G到4G 的演變過程,媒體以慣性思維來解讀5G,過多地宣傳5G 帶來的快速流媒體效果,使人們過多關注個人生活周邊。而5G 主流的產業應用前景可能會給百姓帶來些許失望。5G 從峰值10G 到最低值100 Mbps,跨度極大,帶給個人通信體驗的也許只有100 Mbps,況且大多百姓使用的是與5G不相關的光纖入戶有線網,人們可能難以直接體驗到5G 的革命性變革,也難以理解大國對5G技術日益加劇的爭奪戰。

 

由于5G的特殊性,各大國都在爭奪5G 的世界影響力,并且在5G還未普及應用時,就開始進軍6G,3月24日至26日, 全球首個6G峰會在芬蘭舉辦。2019年不僅是5G應用元年,也是6G的研發元年。就產業應用而言,5G并不完善,6G將大大改善人工智能產業的應用水平。

 

5G將觸發一個由SoC架構支持的全新生態系統

Achronix 半導體公司高級產品營銷經理  Alok Sanghavi

隨著5G手機和5G客戶端(CPE)在2019年世界移動通信大會(MWC)上的推出,5G已經成為通信行業的下一個重大話題。隨著5G的快速發展,無線基礎設施將變得更加普及,并與我們日常生活的方方面面完全融為一體。

 

5G不僅延續了以前的各蜂窩移動通信標準(驅動帶寬)的模式,而且還將其擴展到更多設備和應用場景。新的應用場景也在不斷涌現,這對移動設備及其所連接的蜂窩基礎設施提出了新的要求。如5G 的高可靠性和低延遲可以補充現有的車聯網(V2X)解決方案,用于車輛到車輛和車輛到基礎設施的連接(C V2X)。此外,5G也為遠程手術和增強現實/虛擬現實等新興應用提供了高可靠性、低延遲的支持。

 

5G也正在對邊緣分析和移動邊緣計算(MEC)提出新的需求,推動著計算模式正在從以前的將數據發送到中心化計算資源去處理,轉變為將計算資源轉移到位于數據產生點的新方式。這種轉變的原因包括:新興應用嚴格的延遲要求、越來越龐大的數據量,以及優化網絡資源的愿望等。

 

因此可以發現5G將以低延遲連接更多的智能設備,這意味著要在這些設備中嵌入更多的計算能力,預計5G將把許多嵌入式計算轉化為嵌入式智能。此外,憑借5G基礎設施中的新技術,5G將觸發一個由SoC架構支持的全新生態系統,該架構包括一個高性能CPU 子系統和一些硬件處理單元,其中包括FPGA可重構編程加速。

 

5G前傳技術及其部署模式決定了5G網絡部署的質量、成本和效率。鑒于前傳接口具有各種規范、標準和要求,FPGA通常被用于支持此接口。工程師(包括嵌入式系統開發人員在內)需要更多地了解FPGA 解決方案及其在不同終端應用中的使用模式。FPGA 解決方案包括獨立的FPGA芯片組、基于FPGA晶粒片的SiP封裝芯片(chiplet)和完全集成的eFPGA解決方案。

 

我們將5G所需的處理單元映射為帶有各種器件的一個分立實現模式,這些器件包括CPU SoC、旁邊的FPGA加速單元和天線接口。此配置反映了在可提供經優化的5G ASIC之前,可以部署在5G原型設計和已經成熟量產的實現手段。

 

另一種可比較的架構是基于FPGA晶粒片的SiP芯片方法。在這種情況下,使用更高帶寬、更低延遲和更低功耗的接口將CPU SoC芯片與旁邊的硬件加速SiP封裝FPGA芯片連接起來。支持連接到RF單元的前傳連接的FPGA器件可以是采用SiP封裝集成在一起的。實際上,如果有足夠的資源,它可以是與硬件加速SiP封裝相同的器件。

 

最后,集成化基帶架構包含與先前相同的處理元件,并具有相同的功能,但嵌入式FPGA(eFPGA)集成在了芯片內同一個單晶片上。這種緊密的單片集成方法具有許多優點。與基于SiP封裝芯片的方法相比,該接口具有更高的帶寬、更低的延遲和更低的每比特能耗。此外,其中的資源組合可以根據所考慮的特定應用進行定制,因此避免了不需要的接口、存儲器和核心邏輯器件。這樣可以實現以上所考慮的三種架構的最低單位成本。

 

CPU 和可編程加速(嵌入式或獨立FPGA)的緊密耦合使開發人員能夠創建可以跨越多個不同市場的平臺產品。從5G的角度來看,高度可編程的解決方案可以加快產品上市速度。例如,不再需要把SoC的流片時間推遲到標準最終確定之后,后續追加的需求可以在軟件或可編程硬件中實現。對于早期5G 部署所面臨的壓力,以及隨之而來的新標準不斷涌現,這是一個突出優勢。

 

5G 時代,操作系統勢必在嵌入式產品中占據主導地位

芯靈思CEO 李曄 

5G來了,車與車需要相互交流,車與建筑物也需要交流,車與地圖軟件可能就直接溝通了,那時候可能就不需要交通信號燈了;5G來了,購物網站也將從照片瀏覽變成視頻展示;5G來了,人工智能、物聯網、大數據這些概念都將成為基礎設施。一個城市的基礎設施建設過程也是農民工奔波勞累的過程,那么5G來了,得需要多少碼農、拉線工啊!

 

5G來了,無論設備大小、功能強弱,都需要帶聯網功能,現在使用的產品可能需要大批量更新換代。這又將是一次嵌入式產品的需求盛會。

 

5G來了,設備要處理的數據和任務變多了,裸機的需求必將減少,操作系統勢必在嵌入式產品中占據主導地位。那時候,底層開發可能會漸漸產生標準,工程師將會從紛繁復雜的底層開發中解放出來,更多得關注上層業務邏輯。

 

5G來了,數據存儲是否只存在于云端? 如果那樣,以后買硬盤只需要買個云端賬號密碼就夠了,再也不用擔心硬盤物理損壞又沒有備份資料而被老板罵了。

 

5G來了,辦公電腦可能也只是一臺顯示器了,我們所使用的辦公系統以及軟件全部運行在云端,關機這個詞也只能在字典里才能看到了。

 

以上種種實現,離不開我們這一代工程師的努力,希望這個時代能夠快點到來。

 

5G 讓終端數據自由連通

山東瑞因思儀器有限公司軟件總工 吳元超 

我2012年開始接觸嵌入式系統,那時候上網是3G,用手機看視頻還有些許卡頓,看電影需要先緩沖,緩沖完一段時間才可以流暢地看完一部電影。到2015年初換了4G手機,使用的體驗簡直就是鳥槍換炮,電影、視頻、聊天等不再有“便秘”的感覺。現在又進入了5G 時代,各種渠道都說比4G快百倍,通信速率呈指數增長……在這發展過程中,驀然回首,已不知不覺經歷了7個年頭。

 

機緣巧合之下,2018年有幸參加嵌入式系統聯誼會舉辦的研討會,聽了何立民教授《從單片機到嵌入式系統人工智能的歷史回顧》,受益匪淺,所以對于5G時代嵌入式系統的機會也有了新的認識。

 

(1) 5G,萬物互聯下的嵌入式機會

在工業生產中,一個規范的生產流程應該既可以提高生產效率,又能把控生產質量。因此,可以將生產設備狀態信息實時傳輸至服務器,把工業自動化控制、設備狀態監測、環境特定指標監測實時數據傳輸至監控端意義非凡。5G高速度、低延遲、低功耗的特點對于感知層硬件設備的向外傳輸簡直如虎添翼。

 

在日常生活中,智能穿戴產品、智能家居、智能醫療、智能家庭安防,這些現在已經不僅僅是一個代名詞了,不過目前采集控制以及信息處理還僅限于局域網內的自動控制,按照個人習慣讓其在特定工作模式運行。進入5G時代后,每個終端都能夠自由連通,那么它們的工作狀態將更加靈活,數據也可以實時共享,對我們生活更加意義

非凡。

 

(2) 5G,人工智能下的嵌入式機會

隨著科技的進步, 某些單一重復的工作將逐漸被人工智能取而代之,比如景點售票員、火車站驗票系統,現在來看各大芯片廠商開始向人工智能、邊緣計算發力,5G這個能讓數據飛起來的快車道,能夠有效促進端點信息采集設備的研發。

 

可以預見的是,5G 時代,智慧安防的實時監控更流暢,智能家居的響應速度更快,而以運營商搭建平臺方式運行的智能家居產品也有望打破現有品牌壁壘,實現跨品牌產品的互連互通。除了智能家居生態圈的成型,5G 還將在家裝設計、家居生產環節大有作為,家裝BIM、智能制造都會收割一大波紅利。總之,5G未來可期!