幾乎神話般的第四代無線業務 4G 可能是考慮全新 SoC（單片系統）架構的起源。或者，它只是會推動今天基帶無線 IC 的一次簡單演化。它可能導致對消費客戶的全新類型移動服務，也可能僅僅能更好地處理你的電子郵件。4G 的龐大工程挑戰可能在 2015 年前成為現實，也可能發生在今后數年內。

　　要理解 4G 可能對 SoC 設計產生的影響，就必須深究一下人們使用這個詞匯的意義，了解一些有關這種業務支持的計算挑戰，并聽聽一些系統架構師如何應對這些挑戰。

　　有關 4G 影響的很多不同觀點都是一個來源：缺乏清晰的定義。德州儀器公司無線首席技術官 Bill Krenik 警告說 ：“我們必須由定義開始。因為圍繞名詞存在大量的爭議與混亂，已經使它幾乎失去了意義。”

　　Krenik 說，很多人都認為 4G 表示一種到處存 
在無線連接的新世界，真正在任意時刻和任何地點，并且意味著這種連接可以支持交互、基于地點以及豐富媒體的服務。假想你走在一個不熟悉城市的街道上，手里抓著手機，看著它實時地連續顯示出前方街道的運動圖像以及地圖數據、建筑物標記以及感興趣的地點、到達目標的路徑，以及你的地址薄中人員的位置。或再想像一下，同一部手機還能把城市的街道變成一個多人視頻游戲，你與其它游戲玩家的化身、三維怪獸和武器競逐爭斗，并能表現出虛擬搏斗的逼真損傷圖像。

　　還有一些人通常把 4G 看成更具體的詞匯，這些人必須實現該名詞下的系統。Krenik 解釋說：“在 TI，我們不會試圖給 4G 下一個教條定義，而是更愿意用各種真實的技術名詞：HSPA+（高速分組接入 plus）、WiMax、LTE（長期演進）。到 3G 時美國提出了一個標準，而其它所有事情都還只是意見。”他繼續說，最好有一個組織，負責推廣 GSM （全球移動系統）通信的部署以及向 3G 的演進。

　　其它工程師則持有一種更定量的觀點。Nokia Siemens Neetworks的高級射頻產品經理Alan Brown說，這些工程師在定義LTE時同時推進 3GPP（第三代伙伴項目）方案，他們將4G構想成“對移動設備有100Mbps 峰值流量，對筆記本電腦等設備有1Gbps 峰值。”每種觀點都對實現4G 手機的基帶SoC提出了不同的期望。

　　發展基帶 SoC

　　從最簡單的預期開始（即 LTE 的預想），移動設備將以某種方式實現至少 100 Mbps 的峰值下載鏈路數據速率。飛思卡爾半導體公司副總裁兼高級研究員 Ken Hansen 說：“它要求的基帶在功能上與我們今天用于 UMTS（全球移動電信系統）的基本上沒有區別。”功能塊包括用于采樣率功能的硬件加速器、執行 MAC（介質訪問控制）的 CPU 核、一個安全引擎，以及一個主控接口。

　　來自射頻的采樣速率數據進入模數轉換，經過一些前端數字處理，進入一個 FFT（快速傅里葉變換）引擎，它將 OFDM（正交頻分復用）信號分離成多個組成頻段。然后頻域信號經過進一步數字調整，進入一個檢波器，檢波器對每個載波上的 64 QAM（正交幅度調制）信號作解碼，從每個有效載波中生成一個符號。這些符號用增強的解碼進行壓縮。

　　在這種架構中，3G 與 4G 之間的區別在于量的差異，而不是種類。高通公司 CDMA 技術產品管理高級總監 Peter Carson 指出：“在 3G 時，我們每赫茲帶寬提取大約 1 bps。要實現 100Mbps 的流量，4G 基帶必須做得遠好于它：在更寬的頻段上至少每赫茲提取 3 bps 或 4 bps。”

　　實際應用中，這種情況意味著在一個 20 MHz 信道上分布著更多的載波頻率，如與 UMTS 900 使用的 5 MHz 信道相比。這也可能意味著在 MIMO（多輸入/多輸出）結構中使用多根天線。今天，MIMO結構通常用于信道均衡：找到一種將兩根天線信號組合在一起的方法，以獲得最好的接收效果。但4G還有一些其它東西：用波束形成算法，使每對基站天線和接收機天線成為一個獨立信道，這樣能使有效帶寬倍增。Hansen 說：“研究表明，在多接收機情況下，可以用兩根天線獲得1.75倍的數據速率。”

　　所有這些功能都需要硅片。較高的采樣率和更寬的信道意味著一個更大、更耗電的ADC，以及一個更快、更寬的FFT引擎。但最大問題來自于提供一個100Mbps峰值流量的要求，這意味著更快的符號速率處理器、大量內存，以及一個用于MAC的更快處理器。Hansen說：“我們看到進入MAC的10倍數據速率，而某些事務的允許延遲只有1/10。但考慮功耗因素，MAC必須運行在遠遠低于碼率的頻率上。這個問題很有意思。”

       高通公司的Carson表示同意。“峰值數據速率直接轉化為芯片尺寸。架構師必須自問的一件事：設定的峰值數據速率與所需芯片尺寸是否與網絡實際提供的平均數據速率相適應。”

　　如果對芯片成本有足夠的惰性，則可以改進這種速率的基帶架構。Carson 稱高通當前的 Snapdragon 架構仍然可以完美地應對擴展至 30Mbps～40Mbps的峰值數據速率。這個速度并不滿足 LTE 規范，但 LTE 遲些才會出現，有些人稱它為晚期的演進，這可能使 32 nm CMOS 工藝有時間跳出這個架構。

        非演進式設計

　　演進架構的第一個挑戰來自于 MIMO。Infineon Technologies AG 的通信業務集團功能電話業務單位的 Thuyen Le 博士解釋說：“MIMO 用于提高無線鏈路的質量。一種思想是用它作發射機和接收機的分集，以防止衰減。另一種思路是將衰減用于空間復用，這樣就允許通過多個發射天線，同時傳輸獨立的數據流，因而增加了用戶的數據速率。不過這種方法取決于 
信道矩陣的情況是否良好。因此，根據兩種想法，我認為實現高數據速率必須使用 MIMO。”

　　過去空中接口設計者要采用一對接收天線來改善信道均衡，現在他們轉向空間分集復用，建立多個實際信道，這樣，重復的射頻部分硬件數就大大增加。每個天線都需要自己的模擬前端和數字前端，而射頻也需要為更多數字基帶復制或增加流量（圖 1）。這種要求本身并不強求架構創新（只是非常類似），但還有功耗問題。

　　所有 4G 架構都有一個局限因素，即射頻部分必須在當前功耗水平下處理 10 倍的峰值數據速率，騰出的電量用于能耗大大增加的應用級處理。研究公司 Forward Concepts 總裁 Will Strauss 估計，一部 4G 手機的計算功率最終將是當前 3G 手機的 100 倍。Strauss 認為：“所有人的最大希望都在 32 nm 工藝上，但現實是新工藝的能耗并沒有下降這么多。你在動態功耗上獲得好處，就要付出泄漏功耗的代價。這可能涉及到尋找新穎的架構和電源管理方法，否則就要隨身備一塊手機電池。”

　　還有其它因素也驅使人們考慮新穎的架構。這就是前面所說到的，一是簡單表述一個峰值數據速率（如 LTE 規范），另外則是想象一種新的手機使用方法（如很多正在向投資商宣講 4G 的很多空想家），它們之間是不同的。

　　暢想未來

　　IMEC（大學間微電子中心）科學總監 Liesbet Van der Perre 稱：“無疑現在還沒有 4G 的明確定義。但我相信，我們應該是在談論一個異質網絡，它較現有網絡能支持更高的移動性和數據速率。今天，如果是真正的移動應用，速度不會超過 2 Mbps，但 4G 應意味著10Mbps~20Mbps的實際流量。對良好的視頻，至少要穩定的 10Mbps，而不是峰值，例如，3G的缺點之一就是它無法為良好的視頻提供穩定的數據速率。”

　　Van der Perre 及其它研究者描述了一種環境，它比今天無線網絡可以實現的任何事情都更有活力。她評述說：“今天，一家手機硅片供應商面臨的情況是 30 個空中接口、多個非連續的信道，以及很多同時運行、差異很大的業務。”但一家供應商的手機只支持其中一個小小子集，這就大大簡化了復雜性。

　　今后，為同時確保有足夠的連續帶寬（想象一下跟隨移動手機的位置與方向而調整的實時視頻）和能效（總是選擇正好夠用的帶寬和用于當前混合任務的編碼長度），一種移動設備可能要與多個供應商作連續協議，所有這些都要一次同時使用多個基站的許多空中接口（圖 2）。突發數據、視頻流、控制信息和鍵盤與攝像頭的返回通道都可能實時地在不同服務上傳送并切換。例如，保持攝像頭靜止，可以用 H.264 作運動補償，從而大大減少將其連接到游戲服務器所需的碼率。因此，這個動作能使射頻控制器選擇一個有較低碼率的空中接口。

　　Van der Perre 稱，以這種世界觀，用今天的硬件處理流水線結合專用塊，就是一種中間的選擇。她發現了可以設定的相似處理器的模塊化、異質簇，以及一個可配置互連網絡，它能實現實時動態處理器配置以及任務映射。在這一架構中，主動的能量管理技術也成為可能，包括快速的電壓/頻率調節、空閑部件的適度細粒度電源門控，以及算法在軟件與硬件之間的敏捷移動。確實，這種方案可能是唯一一種滿足真正4G終端能效需求的方法，盡管采用了32nm CMOS工藝。

　　所有這些項目都在 IMEC 的各種研究項目中逐漸成形，也許這解釋了 Van der Perre的世界觀。但這遠不是一種孤立的觀點，至少私下是這樣。各家公司都公開表示自己專注基于流水線的硬件架構，但只有一個頗有地位的業內消息人士稱一些主要硅片供應商都有深度介入、大規模投資的研究小組，正在探索4G平臺的大型多核架構。

       多數大型多核架構都有一個重要挑戰，但大型多核架構在這里不是問題：高碼率基帶處理中的大多數負荷正是業內感覺為難的并行處理。僅靠分割數據方法難以分配任務。但設計成功的關鍵是系統控制、動態負載均衡，以及（也許是最重要的）能量管理工作，它們新穎而復雜。從這點看，4G 其實并不是革命性的，而是穩步的前進，在這個過程中，設計者要將全新的實時嵌入式處理鍛造成形。