隨著LTE Advanced與LTE Advanced Pro等LTE技術進步,為業界製造了一場騷動——引發一連串讓下一代基頻設計變得比以往任何一代智慧型手機數據機(modem)晶片更加複雜的新需求。

全球主要的電信晶片供應商高通(Qualcomm)、DSP核心供應商CEVA以及處理器核心業者ARM,均競相迎接這一挑戰。三家公司均已開發出新的處理器架構,並搶先在今年的世界行動通訊大會(MWC)之前發佈。高通宣佈Snapdragon X16、CEVA發表CEVA-X4,ARM則暢談其新款Cortex-R8。

高通新款數據機晶片在其Hexagon DSP核心中執行密集的LTE協定和語音編解碼器(codec),同時還採用ARM Cortex執行Linux作業系統(OS)、IMS和IP堆疊。

挑戰何在?

那麼,這些新的基頻數據機有何不同之處?

與該技術有關的議題包括:增加載波聚合(CA)、將多重無線存取技術(Multi-RAT)整併於單一數據機、切換不同數據機時的低延遲作業、同步處理雙基地台以及伴隨VoLTE高品質語音通話服務而來的複雜度等。根據CEVA,新的基頻據機必須能夠處理上述所有或更多的問題。

The Linley Group資深分析師Mike Demler呼籲為現有的數據機晶片架構進行「全面體檢」,「才能滿足LTE Advanced(LTE-A)與LTE-A Pro標準日益嚴格的性能和功耗限制。」

因此,存在於高通、CEVA和ARM三方之間的競賽,開始轉變成為針對處理器、硬體加速與DSP的全新戰場。

供應商們正積極討論在Layer 1實體(PHY)控制器、Layer 2和layer 3處理之間增加的LTE基頻工作負載應該如何進行最佳化處理;以及應該採用先進的DSP核心、強化的處理器核心或是二者兼用的組合?

各據不同勢力範圍的每一家供應商顯然有著不同的想法。

高通發表先進的LTE數據機Snapdragon X16,用於支援LTE-A Pro Category 16高達1 Gbps傳輸速率的下行鏈路以及實現Category 13高達150Mbps的上傳速度。

![20160408 modem NT31P2](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/2JFDXStlNeMK6uQiMWmqM6/8c7cfbb601642269037fc2d9cac9db28/20160408_modem_NT31P2.jpg)高通最新Snapdragon X16支援高達1 Gbps的下載速度,號稱是行動產業首款Gigabit級的LTE數據機
(來源:Qualcomm)

為了不讓高通專美於前,CEVA和ARM也發佈自家最新設計的核心——分別是CEVA-X4與ARM Cortex-R8,他們表示最新的架構已經準備好迎接LTE-A Pro數據機的挑戰了。不過,目前還沒有任何一款商用基頻晶片採用任一家IP供應商的處理器核心。

因應LTE-A Pro數據機晶片日益增加的處理需求,兩家IP核心供應商顯然採取了全然不同的發展重點。例如,CEVA以CEVA-X4更新其L1 PHY控制器。相反地,ARM則透過其最新設計的四核心Cortex-R8,專注於滿足針對Layer 2與L3軟體處理持續增加的需求。

Demler明確指出,Cortex-R8和CEVA-X4是兩種完全不同的核心。CEVA-X4用於PHY層控制,而ARM Cortex-R則否。他強調,「X4和R8可能在一款數據機應用中共存,讓X4處理實體層,而Cortex-R則處理更高層級的控制功能。」

![20160408 modem NT31P3](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/37DoBmXZxeme8oEgq4aG0g/1af53a0e4eecdb2ddbf4429c9add97e4/20160408_modem_NT31P3.jpg)CEVA-X4與ARM Cortex-R8可能共存於下一代數據機晶片中?
(來源:CEVA)

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遭遇瓶頸

CEVA行銷與企業發展副總裁Eran Briman指出,在詳細研究最新先進基頻數據機的需求後,「我們發現PHY控制器在下一代基頻中的瓶頸。」

藉由為基頻應用重新定義處理控制和資料平面的性能和能效,CEVA開發出全新的CEVA-X DSP架構。

CEVA-X4是來自CEVA-X架構的首款授權核心。雖然DSP一直是CEVA的強項,但Demler 認為,CEVA-X4更像是「一款具有DSP功能的控制器。」

CEVA無線業務部業務開發總監Emmanuel Gresset解釋,在CEVA-X4中增加的CEVA先進DSP功能結合了控制層處理,以及「協同處理器和硬體加速的支援。」

他認為CEVA-X4是一種「全新的處理器類型,它能在DSP與控制之間實現真正的平衡。」

Gresset還指出,CEVA-X4的CoreMark/MHz基準達到了4.0。CoreMark是專為嵌入式系統衡量CPU性能的基準。Gresset說,這對於CEVA來說是非常重要的,因為CEVA-X4目前可說是「與ARM Cortex-R7/R8不相上下。」

![20160408 modem NT31P4](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/25wc0NDx28Yoq08aAw0siM/0af62fbaa40a2425982ef40b53c7212b/20160408_modem_NT31P4.jpg)新的CEVA-X4架構充份結合控制器與DSP處理器,瞄準手機、IoT裝置以及下一代5G基頻數據機等應用
(來源:CEVA)

捍衛L2/L3處理領域

ARM一直是智慧型手機市場中首屈一指的CPU核心供應商。

ARM先進技術行銷總監Chris Turner解釋,「ARM Cortex-R7目前部署於大量3G/4G智慧型手機數據機中,Cortex-R4和Cortex-R5也用於ARM合作夥伴的數據機產品中。」

藉著Cortex-R8的推出,ARM計劃滿足對於協議軟體處理以及LTE-A Pro與第一代5G日益增加的需求。他並補充說,「我們期望看到新的基頻設計提升到採用Cortex-R8。」

值得注意的是,Cortex-R是為硬即時應用而最佳化的,Turner因此稱Cortex-R8是「專為5G性能打造的唯一即時處理器。」

不過,奇怪的是,高通顯然並未在其新款Snapdragon X16數據機中採用ARM核心,反而改為部署自家的DSP來處理LTE-A Pro的工作負載。

ARM Cortex-R8和R7的最主要區別在於R8支援多達4顆超純量亂序執行的核心。此外,ARM表示,R8還配備「高達每核心2MB緊密耦合記憶體」的更大容量。

![20160408 modem NT31P5](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/Dy6gJEToIg2ki0KiGqS2/86e641cf1fd3f8190966d0ce99567a17/20160408_modem_NT31P5.jpg)隨著5G的資料傳輸速率大幅提升,Cortex-R8兼具低延遲、高效能與低功耗的優勢,有助於打造支援LTE-A Pro和5G的數據機
(來源:ARM)

針對數據機晶片的其他部份,Turner坦承「實體層是十分複雜的工程,包括類比轉換、DSP進行調變與解調、Turbo編碼、錯誤檢查與加速加密,以及標頭壓縮等。」

那麼ARM Cortex-R系列核心如何與其連接?Turner說,「的確,有些技術可以從專業的IP供應商授權取得,但他們通常還得進行修改或配置,才能用於一家公司專有的數據機架構。」

他補充說,「我們在這些設計中看到ARM Cortex-R系列處理器出現在軟體接觸實體層(Layer-1)硬體之處,並根據不同的標準,為管理與排程連接的所有軟體提供Layer-2與Layer-3處理。」

此外,他表示,ARM的處理器還可執行Layer-1控制軟體,配置與管理連接至Layer-1硬體(包括DSP與本地化控制邏輯)的介面。

是否重疊?

然而,CEVA看這一競爭格局的觀點略有不同。Gresset指出,ARM的Cortex-R7或R8在這方面的應用,「缺少了DSP和系統控制。」他解釋說,這使得ARM難以擴展Cortex-R在處理PHY控制器的角色。

Gresset還補充說,「相較於CEVA-X4採用VLIW/SIMD核心,ARM的R7/R8由於採用超純量亂序架構,使得晶片尺寸較大,每核心也消耗更多功耗。」。

因此,Gresset 強調,CEVA雖然藉由增加更多硬體加速來捍衛其於Layer 1 PHY控制器的地盤,同時也希望創造一個可提升至Layer-2與Layer-3處理的開始,儘管這一向是ARM佔主導的領域。他將強大的DSP處理(高達16GOP)、高效的控制器性能以及先進的系統控制稱為「CEVA-X新架構的三大支柱」。

另一方面,ARM則認為,Cortex-R8的關鍵優勢在於其「在4個一致的核心與介面擴展數據機軟體」的能力。其目標在於為密集的即時軟體工作負載「實現平行化,以及滿足LTE-A與LTE-A pro所需的性能與時機」。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Qualcomm, CEVA, ARM Race to Next-Gen Modem,by Junko Yoshida)