嵌入式工程师面对5G的到来,又需要做哪些方面的准备和改变呢?

从现在开始,我们将会目睹5G 的爆发式成长。5G最突出的优点在于低时延和点对点的快速高效通信,那么它会给嵌入式产业带来哪些机会呢? 嵌入式工程师面对5G的到来,又需要做哪些方面的准备和改变呢?最近《单片机与嵌入式系统应用》邀请了业内专家、公司、工程师来聊聊对这一问题的看法！

业 界 声 音

5G仅仅是走向万物互联的开始

回顾移动通信发展史,从1G 到4G 是通信技术的量变阶段,从4G到5G 是从数字通信技术到智能信息技术的变革阶段。从1G 模拟语音信号传输、2G 数字语音与文件的传输服务、3G 数字影像的传输服务到4G 数字视频服务,圆满地完成了移动通信的数字化革命任务。其后,又出现了新的矛盾:4G通信的时延无法满足物联网应用中的实时性、安全性要求,成为物联网应用的技术瓶颈。

 

5G诞生带来的低时延、高可靠、低功耗信息传输技术,将突破技术瓶颈。因此,5G 时代是通信应用向物联网产业应用的变革时代。5G 将大大加速人工智能发展速度,迎来物联网产业应用热潮,但5G仅仅是走向万物互联的开始,6G将决定人工智能的未来。

 

人们熟悉1G到4G 的演变过程,媒体以惯性思维来解读5G,过多地宣传5G 带来的快速流媒体效果,使人们过多关注个人生活周边。而5G 主流的产业应用前景可能会给百姓带来些许失望。5G 从峰值10G 到最低值100 Mbps,跨度极大,带给个人通信体验的也许只有100 Mbps,况且大多百姓使用的是与5G不相关的光纤入户有线网,人们可能难以直接体验到5G 的革命性变革,也难以理解大国对5G技术日益加剧的争夺战。

 

由于5G的特殊性,各大国都在争夺5G 的世界影响力,并且在5G还未普及应用时,就开始进军6G,3月24日至26日, 全球首个6G峰会在芬兰举办。2019年不仅是5G应用元年,也是6G的研发元年。就产业应用而言,5G并不完善,6G将大大改善人工智能产业的应用水平。

 

5G将触发一个由SoC架构支持的全新生态系统

Achronix 半导体公司高级产品营销经理  Alok Sanghavi

随着5G手机和5G客户端(CPE)在2019年世界移动通信大会(MWC)上的推出,5G已经成为通信行业的下一个重大话题。随着5G的快速发展,无线基础设施将变得更加普及,并与我们日常生活的方方面面完全融为一体。

 

5G不仅延续了以前的各蜂窝移动通信标准(驱动带宽)的模式,而且还将其扩展到更多设备和应用场景。新的应用场景也在不断涌现,这对移动设备及其所连接的蜂窝基础设施提出了新的要求。如5G 的高可靠性和低延迟可以补充现有的车联网(V2X)解决方案,用于车辆到车辆和车辆到基础设施的连接(C V2X)。此外,5G也为远程手术和增强现实/虚拟现实等新兴应用提供了高可靠性、低延迟的支持。

 

5G也正在对边缘分析和移动边缘计算(MEC)提出新的需求,推动着计算模式正在从以前的将数据发送到中心化计算资源去处理,转变为将计算资源转移到位于数据产生点的新方式。这种转变的原因包括:新兴应用严格的延迟要求、越来越庞大的数据量,以及优化网络资源的愿望等。

 

因此可以发现5G将以低延迟连接更多的智能设备,这意味着要在这些设备中嵌入更多的计算能力,预计5G将把许多嵌入式计算转化为嵌入式智能。此外,凭借5G基础设施中的新技术,5G将触发一个由SoC架构支持的全新生态系统,该架构包括一个高性能CPU 子系统和一些硬件处理单元,其中包括FPGA可重构编程加速。

 

5G前传技术及其部署模式决定了5G网络部署的质量、成本和效率。鉴于前传接口具有各种规范、标准和要求,FPGA通常被用于支持此接口。工程师(包括嵌入式系统开发人员在内)需要更多地了解FPGA 解决方案及其在不同终端应用中的使用模式。FPGA 解决方案包括独立的FPGA芯片组、基于FPGA晶粒片的SiP封装芯片(chiplet)和完全集成的eFPGA解决方案。

 

我们将5G所需的处理单元映射为带有各种器件的一个分立实现模式,这些器件包括CPU SoC、旁边的FPGA加速单元和天线接口。此配置反映了在可提供经优化的5G ASIC之前,可以部署在5G原型设计和已经成熟量产的实现手段。

 

另一种可比较的架构是基于FPGA晶粒片的SiP芯片方法。在这种情况下,使用更高带宽、更低延迟和更低功耗的接口将CPU SoC芯片与旁边的硬件加速SiP封装FPGA芯片连接起来。支持连接到RF单元的前传连接的FPGA器件可以是采用SiP封装集成在一起的。实际上,如果有足够的资源,它可以是与硬件加速SiP封装相同的器件。

 

最后,集成化基带架构包含与先前相同的处理元件,并具有相同的功能,但嵌入式FPGA(eFPGA)集成在了芯片内同一个单晶片上。这种紧密的单片集成方法具有许多优点。与基于SiP封装芯片的方法相比,该接口具有更高的带宽、更低的延迟和更低的每比特能耗。此外,其中的资源组合可以根据所考虑的特定应用进行定制,因此避免了不需要的接口、存储器和核心逻辑器件。这样可以实现以上所考虑的三种架构的最低单位成本。

 

CPU 和可编程加速(嵌入式或独立FPGA)的紧密耦合使开发人员能够创建可以跨越多个不同市场的平台产品。从5G的角度来看,高度可编程的解决方案可以加快产品上市速度。例如,不再需要把SoC的流片时间推迟到标准最终确定之后,后续追加的需求可以在软件或可编程硬件中实现。对于早期5G 部署所面临的压力,以及随之而来的新标准不断涌现,这是一个突出优势。

 

5G 时代,操作系统势必在嵌入式产品中占据主导地位

芯灵思CEO 李晔 

5G来了,车与车需要相互交流,车与建筑物也需要交流,车与地图软件可能就直接沟通了,那时候可能就不需要交通信号灯了;5G来了,购物网站也将从照片浏览变成视频展示;5G来了,人工智能、物联网、大数据这些概念都将成为基础设施。一个城市的基础设施建设过程也是农民工奔波劳累的过程,那么5G来了,得需要多少码农、拉线工啊!

 

5G来了,无论设备大小、功能强弱,都需要带联网功能,现在使用的产品可能需要大批量更新换代。这又将是一次嵌入式产品的需求盛会。

 

5G来了,设备要处理的数据和任务变多了,裸机的需求必将减少,操作系统势必在嵌入式产品中占据主导地位。那时候,底层开发可能会渐渐产生标准,工程师将会从纷繁复杂的底层开发中解放出来,更多得关注上层业务逻辑。

 

5G来了,数据存储是否只存在于云端? 如果那样,以后买硬盘只需要买个云端账号密码就够了,再也不用担心硬盘物理损坏又没有备份资料而被老板骂了。

 

5G来了,办公电脑可能也只是一台显示器了,我们所使用的办公系统以及软件全部运行在云端,关机这个词也只能在字典里才能看到了。

 

以上种种实现,离不开我们这一代工程师的努力,希望这个时代能够快点到来。

 

5G 让终端数据自由连通

山东瑞因思仪器有限公司软件总工 吴元超 

我2012年开始接触嵌入式系统,那时候上网是3G,用手机看视频还有些许卡顿,看电影需要先缓冲,缓冲完一段时间才可以流畅地看完一部电影。到2015年初换了4G手机,使用的体验简直就是鸟枪换炮,电影、视频、聊天等不再有“便秘”的感觉。现在又进入了5G 时代,各种渠道都说比4G快百倍,通信速率呈指数增长……在这发展过程中,蓦然回首,已不知不觉经历了7个年头。

 

机缘巧合之下,2018年有幸参加嵌入式系统联谊会举办的研讨会,听了何立民教授《从单片机到嵌入式系统人工智能的历史回顾》,受益匪浅,所以对于5G时代嵌入式系统的机会也有了新的认识。

 

(1) 5G,万物互联下的嵌入式机会

在工业生产中,一个规范的生产流程应该既可以提高生产效率,又能把控生产质量。因此,可以将生产设备状态信息实时传输至服务器,把工业自动化控制、设备状态监测、环境特定指标监测实时数据传输至监控端意义非凡。5G高速度、低延迟、低功耗的特点对于感知层硬件设备的向外传输简直如虎添翼。

 

在日常生活中,智能穿戴产品、智能家居、智能医疗、智能家庭安防,这些现在已经不仅仅是一个代名词了,不过目前采集控制以及信息处理还仅限于局域网内的自动控制,按照个人习惯让其在特定工作模式运行。进入5G时代后,每个终端都能够自由连通,那么它们的工作状态将更加灵活,数据也可以实时共享,对我们生活更加意义

非凡。

 

(2) 5G,人工智能下的嵌入式机会

随着科技的进步, 某些单一重复的工作将逐渐被人工智能取而代之,比如景点售票员、火车站验票系统,现在来看各大芯片厂商开始向人工智能、边缘计算发力,5G这个能让数据飞起来的快车道,能够有效促进端点信息采集设备的研发。

 

可以预见的是,5G 时代,智慧安防的实时监控更流畅,智能家居的响应速度更快,而以运营商搭建平台方式运行的智能家居产品也有望打破现有品牌壁垒,实现跨品牌产品的互连互通。除了智能家居生态圈的成型,5G 还将在家装设计、家居生产环节大有作为,家装BIM、智能制造都会收割一大波红利。总之,5G未来可期!