Daha yüksek veriler için sürekli talep, ultra-reliable düşük çözünürlükli iletişim ve büyük cihaz bağlantı, 5G DSP'nin arka planı olarak beşG DSP'nin arka istasyonu değildir; bu, bilgisayar yoğunluğu, gerçek zamanlı kısıtlamalar ve mikroişlemci temelleri için bir amaçlanan bir motordur.
DSP'lerde Mikroişlemcilerin Temel Rolü Kablosuz
Dijital sinyal işlemcileri sinyal işleme algoritmaları uygulamak için tasarlanmış özel mikroarşik sistemlerdir - sonlu dürtü yanıt (FIR) filtreler, hızlı Fourier dönüşümleri (FFTs), eşitleme, kanal tahminleri ve hata düzeltmesi – yüksek hız ve determinist zamanlayıcı ile, mikroişlemciyi tek bir programla yönetmek için çok daha fazla zaman gerekir.In the context of 5G, where sub-milli latesaniye ve giga-sample-per-saniye verileri normdur, mikroişlemcimleme ve tek bir programla çok fazla iletişim kurmalı bir şekilde iletişim kurmalı bir şekilde, gerçek zamanlı olarak, gerçek zamanlı olarak, doğru bir şekilde desteklenmeli bir şekilde desteklenmeli bir şekilde desteklenmeli bir şekilde desteklenmeli.
Genel amaçlı CPU'nun aksine, şube tahminine ve veri hafızalarına öncelik veren bir sistemden farklı olarak, DSP mikroişlemci, DSP'nin 5G dalgalama işlemine izin verir ve genellikle birden fazla hafıza bankasına doğrudan erişim sağlamak için Harvard mimarisi sunar ve bu tür bir dizi işaretleyici ve büyük bir MIMO cihazını azaltmak için belirli bir adres nesli birimlerini dağıtır.
DSP Mikroişmanları 5G için neden ayırt edilebilir
5G Yeni Radyo (NR) özellikleri, 4G LTE'den çok daha karmaşık olan fiziksel bir katmanı tanımlar. Numeroloji esnekliği, ölçeklenebilir subcarrier yayılımı ve DSP'nin içindeki mikroplama yeri sıkı bir şekilde işlem hattı üzerinde talepler geliştirmesi gerekir. Ayrıca, daha yüksek taşıyıcılara geçiş yapmak için gereken geçiş (masive MIMO), her biri kendi kanal tahmin ve kirişsel katlama katsayıları ile.
Kullanıcı ekipmanlarında, güç verimliliği çok önemlidir. Bir akıllı DSP, bir DSP'de sadece birkaç yüz miliwattlık kesintiye uğratırken, mikroişlemcinin mimarisi – yapılandırılan tasarım, boru hattı derinliği, saat gating ve hafıza hiyerarşisi – bir DSP'de mikroişlemci çekirdeğinin seçimi, diğer tarafta üst düzey performans arasında kritik bir mühendislik ticaretidir.
5G DSP Mikroişlemcide Mimari Yenilikler
Performans, esneklik ve verimlilik ile çatışma taleplerini karşılamak için, yarı iletken satıcılar birkaç mimari yenilik geliştirdiler. Bunlar klasik tek çekirdek, sabit nokta DSP'nin heterojen multi-core tasarımları, donanım hızlandırıcıları ve gelişmiş talimat set uzantıları dahil etmek için. aşağıdaki alt bölümler en etkili trendleri detaylandırır.
VLIW ve SIMD: Paralel Signal Processing'ın İşhorları
Çok Uzun Öğretim Word (VLIW) mimarlıkları, 5G için modern DSP mikroişlemcilere hükmedmektedir. VLIW, derleyici statik olarak birden fazla operasyon (örneğin, s.g., çoğaltma, ek, yük, yük, yükleme, mağaza) tek uzun bir öğretim kelimesine sahiptir, aynı anda Texas Instruments (TI) ve NXP yarı iletkenleri gibi birkaç işlevsel birimin 1-2 GHz işlem süresine ulaşmasına izin verir.
VLIW'yi uygulamak tek bir öğretimdir, çoklu veri (CD) işleme. SIMD, mikroişlemcinin aynı arithmetici işlemini birden fazla veri elementine uygulamasını sağlar - örneğin 16-bit sabit noktalı veriler üzerinde 16 paralellik sağlar. 5G algoritmaları doğal olarak vektör edilebilir: kirişler, kanal matrisleri ve FFT tereyağı tüm faydalarını SIMD. Modern DSP mikroişlemcilere entegre eder - örneğin, 16 katlı veri empatileri gerçekleştirmek için birçok kez hız gerektirir.
VLIW ve SIMD kombinasyonu, kontrol akışı tahmin edilebilir olduğunda, teorik top performansının yüksek bir kısmını gerçek sinyal işlemeli çekirdeklerde tutabilir ve DSP hedefleri için LLVM gibi boş çevrimlerden kaçınmalıdır. Ancak, derleyici işlemleri verimli bir şekilde paketlemek için olağanüstü derecede akıllı olmalıdır; bu, DSP hedefleri için retargetable derleme aracıchains ve açık kaynaklı çerçeveler için önemli bir yatırıma yol açtı.
Multi-Core ve Heterogeneous Computing
Tek mikroişlemci çekirdeği tüm 5G işleme aşamalarını etkin bir şekilde kaplayamaz. Baseband processing tipik olarak bir kontrol uçağına (slower, kontrol odaklı) ve bir veri uçağı (yüksek hızlı, akış) Bu, önde gelen tasarımları heterojen multi-core mimarileri kullanır. Örneğin, Qualcomm'un Suzuki X60 ve X65 modemleri birden çok özel DSP çekirdeğine (örneğin, Qualcomm Hexagon ailesi gibi) entegre eder.
altyapı ekipmanları için, trend birçok çekirdek DSP kümelerine doğru gidiyor. Örneğin, NXP Katmanlı aile, örneğin Arm Cortex-A72 uygulama çekirdeklerini çok hazırlı DSP çekirdekleri (örneğin, SC3900FP) ile bu heterojen modelden elde etmek için, DSP veya diğer kontrollerden gelen bir çalışma verilerinin otomatikleştirilmesi için kullanılan DSP blokları da zorlaştırır.
Memory Hierarchy ve Data Movement
5G DSP mikroişlemciler hafıza genişliği üzerinde aşırı talepler yerine getirirler. 64-antenna 100 MHz taşıyıcılı 30 kHz altkarrierli arayıcı, bazan örneklerin ikincisine erişebilir, çünkü sinyal işleme erişimi genellikle akış ve zaman zaman zamansal gerileme erişimine sahiptir. Bu nedenle, birçok DSP mikroişmanları tek bir döngüde erişilebilir olan bir bellek anahtarlama sistemi içeren bir dizi bellek / otomatik erişim (DMA) ile bir araya getirir.
Anahtar Performans Parametreleri ve Onların Ölçümü
5G için bir DSP mikroişlemcinin uygunluğunu değerlendirmek, DSPelek Benchmarks veya EEMBC CoreMark-NN for ncumulate throughput, latency per algorithm, power deployment, and alan verimliliği (m per mm2) gibi.Standartlı hava tahminleri ve milisli arayışı gibi standart ölçümler, daha az sayıda mikroişman için gerekli olan 50 mikroişlem için daha az analiz için gereklidir.
Düşük-Latency Design Thinkations
5G, ultra-reliable düşük seviyeli iletişim (URLLC) için 1 m'lik bir kullanıcı-gezegenin geç saatlerde, sürekli olarak kurtarma işlemine izin vermek için DSP mikro işleme işlemine izin vermek için bir dizi işlemi gerçekleştirebilir ve ek olarak, kuyruk iptaline ve erken sona erdirmeye destek sağlar.Intelif işlem sırasındaki gecikmeler için destek, daha hızlı işlem için en az 900 kez otomatik işlem için kullanılabilir.
Enerji Verimliliği ve Termal Yönetim
Enerji verimliliği, kullanıcı ekipmanları DSP'ler için aşırı tasarım kısıtlamasıdır. Mobil endüstri, fotokojoule-per-MAC (pJ/MAC) değeri ile sinyal geçişinin hesaplanmasına yardımcı olur. Modern 5G DSP mikroişlemciler gelişmiş 5 nm veya 3 nm FinFET süreçleri, agresif gerilim ölçeklendirme, iyileştirici bir saat boyunca hıza doğru hareket eden bir şekilde, ve sinyal geçişinin azaltılması, Operand izolasyonu gibi sinyal geçişinin azaltılmasına izin verir.
altyapı için, ısı dağılımı daha az kısıtlanmış, 3D yığınlama veya interposer teknolojisi gibi odak değişimi, örneğin, DSP çekirdeğinin ve hızlandırıcıların yanı sıra, DSP çekirdekleri ve SRAM parçalarının aynı şekilde entegre edilmesi yeteneği, bir rekor 12 TOPS / DSP ünitesine sahip olmak.
AI ve Machine Learning
3GPP'nin 18 ve ötesinde AI/ML desteği doğrudan 5G hava arayüzü standartlaştırma için bir değişim gerektirir. DSP mikroişlemciler artık kanal durumu bilgileri (CSI) gibi görevler için sinir ağı teşvik modelleri barındırmalıdır. Birçok DSP satıcısı eğitimlerini genişletir ve kirişli talimatlarla (örneğin, C7000'den oluşan bir geçiş gerektirir.
Gelişen bir trend, DSP mikroişlemcinin veri akışını azaltmak için bir işleme-in-memory (PIM) mimarisini kullandığı “in-memory Computing” dir.M. Samsung'un HBM-PIM hafıza birimlerini hafıza katmanına entegre ediyor, matrix-vector ürünlerini doğrudan hesaplayarak verinin bulanıklaştığı yerde hesaplamaya izin veriyor.Bu, 5G kirişinin enerjisini 5× ile geleneksel Neumann mimarisine kıyasla 5× olarak azaltabilecek.6G araştırmaları ilerledikçe, mikroişlemci, hızlandırıcı ve hafıza arasındaki sınırın bulanıklaşmasına devam etmesi muhtemel.
5G'nin Ötesinde: 6G, mmWave ve Terahertz
Gelecek nesil ağların yol haritası (6G, 2030 civarında beklenen) Terahertz (THz) frekansları, alt-millimeters ve veri oranları, DSP'deki mikroişlemciyi azaltan 100 Gbps'yi aşmaktadır. DSP mikroişlemciyi desteklemeli (>100 GS /s) ve bant genişliğine ihtiyaç duyacaktır.
Bu hedefleri karşılamak için, DSP mikroişlemciler 7 nm teknolojisini kullanarak 16-core DSP kümelerini ortaya çıkardılar.Ayrıca, veripathlerini dinamik olarak değiştirebilecek olan yeniden yapılandırılabilir vektör işlemcileri (örneğin 1024-bit'den 1024-bit'e kadar) verileri kullanarak, yüksek çözünürlükte (örneğin, yüksek çözünürlükte) sayısal olarak değiştirebilecek 16-core DSP kümelerini ortaya çıkardılar.
Mikroişlemci için Mücadelede Meydanlar
Bir büyük zorluk hafıza duvarı: işlemci hızı ve hafıza genişliği arasındaki fark, son sadece birkaç nanosaniyeyi keşfetmediği için, HBM yüksek bant genişliği (DSP mikroişmanını 2 TB /s'a daha yakın) sağlarken, bir diğer meydan okuma, ısıtımı azaltıcısı için birkaç tane daha fazla değişkenli bilgi içeriyor.
Güvenlik ayrıca endişe verici hale gelir. DSP mikroişlemciler programlanabilir, Cortex-R serisi için anahtarlar dağıtabilecek yan kanal saldırılarına karşı savunmasızlar (PUF) kriptografik hızlandırıcıları doğrudan mikroişlemci kümeye entegre ederek yanıt verir, donanım izolasyonunu kullanarak (örneğin, Arm's TrustZone for Cortex-R serisi için) ve fiziksel olarak güvenilmez işlevleri (PUFs) güvenli bir şekilde kaldırmak ve anahtar depolamak için.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Dijital sinyal işlemcileri olan mikroişlemciler, kablosuz devrime yol açan sessiz motorlardır. VLIW-and-Cehennelerden bugün 5G temel istasyonlar ve akıllı telefonlara yakın elve 6G'ye yakın olarak, yapay zekatlar, bu özel işlem birimleri performans, verimlilik ve esneklikten daha hızlı, daha akıllı ve daha duyarlı hale getirmeye devam edecektir.