揭秘中科院“白盒子计划”:5G芯片竞争下的“变道超车”战术

来源 | 人民网

“把卡脖子清单变成科研清单。”中国科学院院长白春礼在前几天的国务院新闻办发布会上的表态掷地有声。几乎是在同一期间,在5G芯片侧,中科院微电子所、微系统所与上科大等单位已经联合召开了一场内部战略研讨:孕育“白盒子计划”。

“在最核心的基站SOC处理器芯片方面,我们是有一条以架构创新弥补工艺差距的路子的。”与会的一名中科院上海微系统所研究人员告诉记者,在当前国际竞争格局下,工艺的提升是一个方面,但如果换一个思路选择在“架构”这根赛道发力,反而很有可能实现“跨越式发展”。

正所谓:变道超车。

众望所归的“白盒子”,其核心是一个高性能SDH SOC芯片系列,其愿景是为5G通信设备产业提供白盒芯片平台,助力未来通信新业态的发展。SDH即Software-Defined Hardware,是以“软件定义硬件”为设计理念的新一代系统芯片。据了解,将其系统架构、核心处理部件等关键技术做到自主可控,有望摆脱5G核心处理芯片对国外先进工艺和IP的依赖。

另一方面,就“白盒子”对于小基站市场的现实作用而言,上海科技大学特聘教授侯自强表示:“现在需要的是一种开放的、开源的,能够不断变化、改进的新应用。‘白盒子’就是这样一款应用。”

不同于硬件封闭的“黑盒”解决方案,开放、开源、智能,是“白盒子”的三个关键词。

接口开放、软件开源、运算效率更高、性能更佳、功耗更低、更智能化——这是未来5G白盒生态的新气象。

下文就为大家揭开这神秘“白盒子”的冰山一角。

“超摩尔时代”的“白盒子”

摩尔定律由英特尔创始人Gordon Moore在1965年提出,其核心内容是,集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每经过24个月就会增加一倍。换句话说,处理器的性能每隔两年翻一倍。摩尔自己应该没想到,摩尔定律神奇地灵验了几十年,也没想到,这种灵验可能结束在5G时代。

当前芯片行业的实际情况是,通过工艺提升性能的速度放缓。据上述微系统所研究人员介绍,工艺演进对芯片性能、功耗、成本的提升越来越困难,随之而来的是天文数字的芯片研发费用。从应用需求的角度看,5G时代蓬勃发展的新兴应用对芯片性能提出了越来越高的要求。现实能力与应用需求之间的鸿沟在不断拉大。

摩尔定律逐渐失灵,反而催生了多个新技术领域的蓬勃发展,业界和学界不断出现MorethanMoore、MoreMoore、BeyondCMOS、AI计算等新理念、新技术,试图通过工艺、异质集成、异构集成、材料创新、计算体系创新等各种方式实现芯片技术的持续提升。

“传统CPU、DSP、FPGA器件受限于接近失效的摩尔定律,对未来5G智能化小基站等新兴应用而言,已经逐渐显露出瓶颈问题。” 微系统所研究人员称,在5G核心芯片领域,SDH可重构处理技术是最有希望突破摩尔定律的一个。

回顾可编程芯片的发展路线,存在CPU和FPGA两个大类:通用CPU目前仍被广泛使用,在通用计算方面有较强适用性,其性能改进更多地依托工艺提升,软件被编译成指令、以时间复用方式运行在不可重构的硬件上;FPGA可编程逻辑阵列,能够达到细颗粒度的可重构,但消耗大量逻辑资源用于布局布线,重构时间秒级以上,因此FPGA的可编程资源极少以时间复用,而是以空间并行计算为主要特征。

在某种程度上,通用CPU与FPGA为满足计算平台的通用性付出了巨大代价,却不足以适应5G时代的高密度异构复杂计算,用在小基站上,成本和功耗都降不下来。

同时,高端CPU和FPGA等性能提升,对工艺的依赖是绕不开的老路。

SDH由此应运而生。SDH技术以“领域通用计算”和“粗颗粒度可重构”为核心技术理念,依据软件应用的需求,芯片在极短时间内重构为匹配当前软件计算特征的硬件形态,重构时间缩短到10ns以内,同时拥有接近ASIC的低成本和低功耗,实现弹性与效率的完美结合。

综上,不管是从降低对国外先进工艺的依存度,还是从芯片性能走向“超摩尔定律”,都同时指向了一条可寻求之道:体系架构创新。此次中科院相关院所正在联合探讨并快马加鞭推进的“白盒子计划”,其SDH系统芯片设计,选择的正是这一方向。

“白盒子”生态

如何理解SDH对白盒生态的支持?上述微系统所研究人员将“白盒子”比喻成一个可根据需求变幻的“魔方”,硬件可随着软件变化而变。加之软件开源,可以想见,将来在统一、通用硬件的构架上,各家都能按用户需求来跑自己的通信协议提供的应用软件。

对行业而言,这一来可打破封闭硬件体系的垄断、繁荣上下游生态链产业,二来可提升经济效益。当软件需求变化时,硬件不必重购更换,更加降低了下游产业实体的运营维护成本。

在“白盒子计划”战略研讨会上,侯自强做出展望:“小蜂窝将来会是一个‘白盒子’,往后会兼容支持LTE、支持5GNR、支持WiFi,包括现在的WiFi6,明后年会出现的WiFi7。‘白盒子’要支持区块链的认证结算,支持通证经济,还要有支持雾计算的能力。”

对于SDH,目前国内已经做了不少局部尝试,包括在数据安全、人工智能方面都证明了商用可行性。“我们要做的‘白盒子’,就是把SDH在5G通讯领域运用起来,做到商用。”微系统所研究人员表示。

就“白盒子计划”的推进目标,据悉会分三步走:第一步是基于5G系统芯片层面,实现支持5G O-RAN架构的芯片硬件平台,完成SDH架构创新;第二步是实现全面开源的软件平台;第三步是建立和推广基于SDH 系统芯片的O-RAN开放社区。所谓O-RAN,其实就是小基站硬件的白盒化。

“‘白盒子’要做的不仅仅是一颗芯片,更是要创造一个新的应用模式,一种新的生态。”侯自强在会上提出愿景。

从1G到4G的演进过程中,中国的移动通信技术走过了缺席、跟随、加速追赶、并行而跑的历程,点亮5G的灯塔,科学院在行动。正如白春礼院长对科技攻关提出的那八个字——

“心无旁鹜,责无旁贷。”

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