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揭秘中科院“白盒子计划”:5G芯片竞争下的“变道超车”战术

发布者: 编辑007 | 来自: 人民网 | 发布时间: 2020-9-24 22:29 |浏览量:7627

 “把卡脖子清单变成科研清单。”中国科学院院长白春礼在前几天的****新闻办发布会上的表态掷地有声。几乎是在同一期间,在5G芯片侧,中科院微电子所、微系统所与上科大等单位已经****召开了一场内部战略研讨:孕育“白盒子计划”。

 

“在最核心的基站SOC处理器芯片方面,我们是有一条以架构创新弥补工艺差距的路子的。”与会的一名中科院上海微系统所研究人员告诉记者,在当前国际竞争格局下,工艺的提升是一个方面,但如果换一个思路选择在“架构”这根赛道发力,反而很有可能实现“跨越式发展”。

 

正所谓:变道超车。

 

众望所归的“白盒子”,其核心是一个高性能SDH SOC芯片系列,其愿景是为5G通信设备产业提供白盒芯片平台,助力未来通信新业态的发展。SDH即Software-Defined Hardware,是以“软件定义硬件”为设计理念的新一代系统芯片。据了解,将其系统架构、核心处理部件等关键技术做到自主可控,有望摆脱5G核心处理芯片对国外先进工艺和IP的依赖。

 

另一方面,就“白盒子”对于小基站市场的现实作用而言,上海科技大学特聘教授侯自强表示:“现在需要的是一种开放的、开源的,能够不断变化、改进的新应用。‘白盒子’就是这样一款应用。”

 

不同于硬件封闭的“黑盒”解决方案,开放、开源、智能,是“白盒子”的三个关键词。

 

接口开放、软件开源、运算效率更高、性能更佳、功耗更低、更智能化——这是未来5G白盒生态的新气象。

 

下文就为大家揭开这神秘“白盒子”的冰山一角。

 

“超摩尔时代”的“白盒子”

 

摩尔定律由英特尔创始人Gordon Moore在1965年提出,其核心内容是,集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每经过24个月就会增加一倍。换句话说,处理器的性能每隔两年翻一倍。摩尔自己应该没想到,摩尔定律神奇地灵验了几十年,也没想到,这种灵验可能结束在5G时代。

 

当前芯片行业的实际情况是,通过工艺提升性能的速度放缓。据上述微系统所研究人员介绍,工艺演进对芯片性能、功耗、成本的提升越来越困难,随之而来的是天文数字的芯片研发费用。从应用需求的角度看,5G时代蓬勃发展的新兴应用对芯片性能提出了越来越高的要求。现实能力与应用需求之间的鸿沟在不断拉大。

 

摩尔定律逐渐失灵,反而催生了多个新技术领域的蓬勃发展,业界和学界不断出现MorethanMoore、MoreMoore、BeyondCMOS、AI计算等新理念、新技术,试图通过工艺、异质集成、异构集成、材料创新、计算体系创新等各种方式实现芯片技术的持续提升。

 

“传统CPU、DSP、FPGA器件受限于接近失效的摩尔定律,对未来5G智能化小基站等新兴应用而言,已经逐渐显露出瓶颈问题。” 微系统所研究人员称,在5G核心芯片领域,SDH可重构处理技术是最有希望突破摩尔定律的一个。

 

回顾可编程芯片的发展路线,存在CPU和FPGA两个大类:通用CPU目前仍被广泛使用,在通用计算方面有较强适用性,其性能改进更多地依托工艺提升,软件被编译成指令、以时间复用方式运行在不可重构的硬件上;FPGA可编程逻辑阵列,能够达到细颗粒度的可重构,但消耗大量逻辑资源用于布局布线,重构时间秒级以上,因此FPGA的可编程资源极少以时间复用,而是以空间并行计算为主要特征。

 

在某种程度上,通用CPU与FPGA为满足计算平台的通用性付出了巨大代价,却不足以适应5G时代的高密度异构复杂计算,用在小基站上,成本和功耗都降不下来。

 

同时,高端CPU和FPGA等性能提升,对工艺的依赖是绕不开的老路。

 

SDH由此应运而生。SDH技术以“领域通用计算”和“粗颗粒度可重构”为核心技术理念,依据软件应用的需求,芯片在极短时间内重构为匹配当前软件计算特征的硬件形态,重构时间缩短到10ns以内,同时拥有接近ASIC的低成本和低功耗,实现弹性与效率的完美结合。

 

综上,不管是从降低对国外先进工艺的依存度,还是从芯片性能走向“超摩尔定律”,都同时指向了一条可寻求之道:体系架构创新。此次中科院相关院所正在****探讨并快马加鞭推进的“白盒子计划”,其SDH系统芯片设计,选择的正是这一方向。

 

“白盒子”生态

 

如何理解SDH对白盒生态的支持?上述微系统所研究人员将“白盒子”比喻成一个可根据需求变幻的“魔方”,硬件可随着软件变化而变。加之软件开源,可以想见,将来在统一、通用硬件的构架上,各家都能按用户需求来跑自己的通信协议提供的应用软件。

 

对行业而言,这一来可打破封闭硬件体系的垄断、繁荣上下游生态链产业,二来可提升经济效益。当软件需求变化时,硬件不必重购更换,更加降低了下游产业实体的运营维护成本。

 

在“白盒子计划”战略研讨会上,侯自强做出展望:“小蜂窝将来会是一个‘白盒子’,往后会兼容支持LTE、支持5GNR、支持WiFi,包括现在的WiFi6,明后年会出现的WiFi7。‘白盒子’要支持的认证结算,支持通证经济,还要有支持雾计算的能力。”

 

对于SDH,目前国内已经做了不少局部尝试,包括在数据安全、人工智能方面都证明了商用可行性。“我们要做的‘白盒子’,就是把SDH在5G通讯领域运用起来,做到商用。”微系统所研究人员表示。

 

就“白盒子计划”的推进目标,据悉会分三步走:第一步是基于5G系统芯片层面,实现支持5G O-RAN架构的芯片硬件平台,完成SDH架构创新;第二步是实现全面开源的软件平台;第三步是建立和推广基于SDH 系统芯片的O-RAN开放社区。所谓O-RAN,其实就是小基站硬件的白盒化。

 

“‘白盒子’要做的不仅仅是一颗芯片,更是要创造一个新的应用模式,一种新的生态。”侯自强在会上提出愿景。

 

从1G到4G的演进过程中,中国的移动通信技术走过了缺席、跟随、加速追赶、并行而跑的历程,点亮5G的灯塔,科学院在行动。正如白春礼院长对科技攻关提出的那八个字——

 

“心无旁鹜,责无旁贷。”

 


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