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Computex 2019特別報導-5G

晶片/終端裝置競相出籠 5G商用發展方興日盛

2019-07-02
5G已然是兵家必爭之地,而這場戰火更延伸至2019年台北國際電腦(Computex)展,包含Arm推出新一代處理器、聯發科發表5G SoC方案,緊接著高通更攜手聯想打造首款5G筆電,為5G開拓另一片新天地。

5G熱潮延續至今仍是各界目光焦點,2019年初已有20多家手機商相繼發表5G手機,與此同時,IP、5G晶片研發,以及商用進程腳步更是大步向前衝刺。

衝著5G筆電/手機而來 Arm新一代處理器登場

5G將會帶來更多的傳輸,意味著終端裝置也需要更好的運算能力予以支援。基於此,Arm發布新一代Cortex-A77、Mali-G77與Arm ML處理器,為高階智慧手機與筆電,提供次世代的人工智慧(AI)體驗。

Arm市場行銷副總裁Ian Smythe(圖1)表示,5G無線傳輸帶來更大的頻寬和資料量,在邊緣端須要運算的負載也就隨之而增,而CPU的角度就是提供一個基礎(Fundamental),讓進來的資料以更快速地方式運算。例如使用者觀看Facebook需要一點時間下載,可能是因為本身傳輸性能就比較慢,或者CPU效能不高;但透過5G和CPU技術的互相配合,使傳輸和處理速度更上層樓,為使用者提供更好的經驗。

圖1 Arm市場行銷副總裁Ian Smythe表示,5G的發展意味著CPU的運算需求更加龐大。

基本上,Cortex-A77設計時就已充分考量到次世代智慧手機、平板電腦與其它行動裝置的需求。與Cortex-A76相比,Cortex-A77顯現出不少效能上的提升,包括整數運算效能增加20%以上、浮點運算效能增加35%以上,以及記憶頻寬改善幅度超過15%。效能上的持續創新,受惠於從Cortex-A76延續下來的第二代7奈米設計。

Smythe談到,遊戲(Gaming)市場起飛,尤其手遊的需求龐大,效能、電池續航力的要求也隨之而生,因此Arm其能透過Mali-G77來支援這樣的需求,讓手機使用者可以獲得與電腦玩遊戲的相同體驗。整體來看,相較於上一代GPU採用的Bifrost架構,該公司認為次世代手機對於遊戲體驗的需求,勢必需要一定架構的改善,因此Mali-G77採用新架構Valhall,與上一代GPU在同樣的條件下增加40%的效能,為遊戲提供更高的效能與更完美的功耗表現。除此之外,特別像是擴增實境(AR)運算需要更多的效能,也產生更多的熱耗能,使得電池消耗更快速,故藉由Mali-G77來以更低的功耗提升效能。

另一方面,虛擬實境(VR)市場備受看好,但發展至今似乎沒有明顯成長,部分原因在於使用體驗的不佳使然。Smythe表示,Mali-G77運算能力有長足的提升,可有效降低使用的暈眩感問題。再者,日前發布的Mali-D77 顯示處理器(DPU)也就是為了VR應用而生,透過把特定的運算從GPU移至DPU上,可以帶來更高品質的視覺效果,同時消除暈眩,釋放更多的GPU負載和相關的系統頻寬。

以手機來說,Cortex-A77提供給原始OEM與SiP業者,在行動裝置上各種更高效能與最佳效率且更複雜的作業負載,產出更多的智慧裝置產品。透過延長電源續航力,利用新的和更複雜的作業負載,與5G部署的機會,擴展了AR行動手遊並提高了工作效率,大幅改善行動裝置的用戶體驗。

聯發科5G SoC後發先至 首批終端2020年Q1問世

事實上,聯發科日前發表的5G系統單晶片,就是搭載Arm最新的Cortex-A77、Mali-G77和聯發科獨立AI處理單元APU,採用7奈米製程並向下相容2G/3G/4G的多模數據機晶片,同時整合該公司5G數據機Helio M70。

聯發科該款尚未命名的多模5G行動平台適用於5G獨立與非獨立(SA/NSA)組網架構Sub-6GHz頻段,支援從2G到4G各代連接技術,聯發科總經理陳冠州(圖2)表示,該解決方案整合了5G數據機Helio M70,採用節能型封裝,該設計優於外掛5G數據機晶片的解決方案,也是全球第一款5G SoC,能夠以更低功耗達成更高的傳輸速率,為終端手機廠商打造全面的超高速5G解決方案。

圖2 聯發科總經理陳冠州(右二)表示,該公司5G SoC整合了5G數據機Helio M70與應用處理器,採用節能型封裝,也是全球第一款5G SoC,首批5G終端產品最快將在2020年第一季問市。

陳冠州強調,聯發科5G行動平台將於2019年第三季向主要客戶送樣,首批搭載該行動平台的5G終端產品最快將在2020年第一季問市,可以推測明年的世界通訊大會(MWC)應該就是系列產品大秀的舞台。聯發科5G晶片的完整技術規格將在未來幾個月內發布,其用於Sub-6GHz頻段的整合式5G晶片功能和技術包括:5G數據機Helio M70,擁有4.7Gbps的下載速度和2.5Gbps的上傳速度,發表會現場實測數據可超過4.2Gbps,智慧節能功能和全面的電源管理,支援多模連接以及動態功耗分配,為使用者提供無縫連接體驗。

同時也整合全新AI架構,搭載獨立AI處理單元APU,支援包括消除成像模糊的影像處理技術,即使拍攝物體快速移動,使用者仍能拍攝出精彩照片。整合Arm甫發表的Cortex-A77與Mali-G77,也是業界第一款宣布導入此設計的高階處理器,超車最大競爭對手Qualcomm的意圖明顯。另外,採用7奈米製程5G晶片,支援5G新無線電(New Radio, NR)二分量載波(CC),與NSA與SA 5G組網架構;多媒體與影像性能部分,支援60fps的4K影片編碼/解碼,以及超高解析度相機(80MP)。

聯發科5G行動平台整合的Helio M70數據機支援LTE和5G雙連接(EN-DC),具有動態功耗分配功能,採用動態頻寬切換技術,能為特定應用分配所需的5G頻寬,提升數據機能源效率50%,延長終端設備的續航時間。同時在RF技術中與射頻供應商思佳訊(Skyworks)、Qorvo和村田製作所(Murata)延續4G LTE解決方案的合作關係,手機客戶可自行決定欲採用的Sub-6GHz射頻/天線模組。然而聯發科也表示,未來支援5G毫米波頻段時,該公司也會導入自有的AiP(Antenna in Package)解決方案,讓5G毫米波基頻/數據機晶片與射頻天線能有更完整的整合與效能表現。

全面運算平衡成本/效能摩爾定律受物理極限挑戰

在5G裝置設計上,往往希望藉由先進製程的演進,提供更高的效能,殊不知無形中也墊高了支出成本。由於製程發展已走到物理極限的瓶頸,人們無法隨著摩爾定律(Moore's Law)有飛快成長,即便晶圓廠仍然在先進製程上投入許多研發資源,不過追求越先進製程也就意味著成本隨之而增,成本與效能如何取得平衡,考驗著相關供應鏈的決策能力。

也基於此,Smythe認為,Moore's Law必須從多個不同的角度來解釋,例如整合不同系統架構的方向著手,甚至是打造不同的解決方案以優化效能,像是整合CPU、GPU和AI提供整體運算的能力,甚至是加入安全防護與雲端運算功能,而這些也都將成為Arm未來關注的重點。

Smythe談到,目前業界有一個迷思,認為要實現AI機器學習的能力,必需要有特別的硬體技術予以支援,然而並非如此,現今大約有85%的AI應用僅需透過Arm GPU和CPU就能達成AI所需的運算能力。也基於此,Arm提出全面運算(Total Compute)概念,來因應不同應用,所需要的不同效能需求。

顛覆傳統筆電市場 高通/聯想5G筆電出擊

筆電無疑是開啟5G商用發展另一波殺手級產品。隨著2019年初各大廠商相繼推出5G手機之後,高通擴大陣營攜手聯想推出全球首款5G筆電,企圖將手機的使用經驗轉移到筆電,成為顛覆筆電市場的改革者。

高通行動事業部門資深副總裁暨總經理Alex Katouzian(圖3)表示,過去十年來,筆電的重要性不斷下降,主因在於原本許多筆電上執行的工作,逐步轉移到手機端運作,例如使用手機購物或看影片,使得筆電逐漸定位成一個商業工作的載具,消費者對於筆電的滿意度與重要性逐年下降。

圖3 高通行動事業部門資深副總裁暨總經理Alex Katouzian表示,高通目標成為筆電市場的改革者,將智慧手機設計優點轉到筆電。

然而真正是這樣嗎?高通內部做了一項研究,調查筆電滿意度下滑的原因,除了消費者使用習慣改變之外,裝置本身缺乏移動性、續航力不足、容易發熱,以及開機速度不夠快等因素,也成為了限制筆電市場成長的殺手。而這些限制,也正與該公司在手機領域所具備的能力不謀而合。看準此商機,高通將5G與既有智慧手機的設計能力帶到筆電上,期能重振筆電市場雄風,將筆電發展帶往另一波成長高峰。

5G可能會給筆電帶來許多系統設計挑戰,這些挑戰將集中在三個方面,包含尺寸、功耗和性能。5G的速度提高將導致設備的功率和散熱挑戰,由於設備和電池越來越薄,無形中也墊高了設計門檻。

Katouzian補充,若要滿足使用者聯網、高效能的要求,就須要具備良好的散熱能力,然而以傳統筆電設計方式,通常需要透過加裝風扇設計來散熱,此舉會占用筆電的設計空間;再者,筆電進行多工處理時經常會以限制效能的方式處理,使其效能無法達到最高標準,間接影響消費者可以使用的效能。相較之下,高通Snapdragon 8cx 5G運算平台不僅是輕薄無風扇設計,同時兼具較高電池續航力,突破傳統筆電既有限制。

據了解,高通與聯想共同推動「無限計畫(Project Limitless)」,內容主要是為常時啟動、常時聯網筆電生態體系帶來創新。該計畫是基於高通Snapdragon 8cx 5G運算平台,並且是全球首款專為筆電提供5G聯網技術所打造的7奈米平台。

聯想資深副總裁暨智慧設備產品事業群總經理賈朝暉表示,在筆電配備真正的5G技術,就是為了滿足使用者對速度的需求:更快速的檔案傳輸速度,4K、8K甚至AR、VR等串流,隨時隨地以更快更高品質的視訊聊天,甚至是更快速的線上遊戲網頁更新。當該公司談到無限制的聯網能力,目標是讓全世界的5G筆電使用者將能夠節省時間並保持生產力,或幾近隨時隨地享受線上娛樂。

Katouzian談到,5G筆電發展將影響內容服務,因此高通認為服務商在設計服務內容之初,就必須體認到5G與人工智慧可能帶來的影響,包含快速存取雲端大量數據,以及更好的上傳、下載編輯,而這樣的轉變也將為消費者帶來嶄新的使用體驗。

事實上,除了聯想之外,高通現已多家OEM廠商合作,包含華碩、鴻海與HTC等總共8家廠商,預計2019年底前至少有6、7款筆電面世。

電信/設備商持續投入 R15標準發展進入成熟期

Katouzian認為,3GPP定義的R15標準發展已進入成熟期,2019年已有20多家OEM廠商投入開發,同時還有數十家無線通訊的電信商預計使用5G網路,且預計推出75個不同裝置,如手機、CPE設備以及數據卡等。此外,5G建設的網路也會不斷擴大,例如在某國家內本來只在少部分城市建設5G網路,隨著時間也會逐漸擴大範圍,高通認為2021年將有大幅的成長的機會。

Katouzian表示,5G發展目前最大挑戰在於「時間」。當一個新世代通訊技術出來,大家還不確定哪些功能或特色會特別受歡迎,故技術發展初期會盡可能加進各種功能,無形中的墊高晶片、網路設備、軟體端的成本。但隨著時間的演進,可以更知道市場需求,並透過數據機、網路、軟體優化的方式降低成本,也因如此,現在處於一個需要時間醞釀的階段。

Katouzian分析,相較於4G時代,5G的普及程度與發展速度將會加快許多。過去4G標準發展初期,僅有4家電信商及3家OEM廠商(三星(Samsung)、HTC與LG)廠商投入,反觀5G商轉的第一年,即有20家電信商與20家OEM廠商加入戰局,光就參與廠商的家數與普及程度,就已是4G發展的3~4倍之多。

整體而言,現階段各國政府、電信商與設備商馬力全開積極推動5G,也因此預期2020年將有更多搭配5G的中、高階手機與筆電面世。

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