赛灵思：5G中最核心的MIMO需要这样一个芯片

5G的商用即将拉开大幕， 高网络容量和全频谱接入需要高效的技术，大规模多输入多输出（MIMO）天线阵列就属于这类技术。与之匹配的是，射频单元必须要满足严格的功耗和尺寸封装要求。2017年，赛灵思发布了第一代的Zynq UltraScale + RFSoC，完成了通信系统在射频集成方面的突破，很好解决了功耗和封装尺寸的问题。在2019年，5G开始倒计时的时刻，该系列的第二、第三代产品相继问世，为运营商大规模部署5G打下了扎实的基础。

开山之作

第一代的产品从2012年开始立项，到2017年才正式发布。作为一个单芯片自适应射频平台，UltraScale + RFSoC实现了对从模拟到数字信号链和信号处理的完整功能的支持。从其架构来看，顶部是一个处理系统，包含了四核ARM、存储器、子系统，还有各种系统功能。下方是集成的RF信号链，包含了AD/DA、DSP混合与滤波、以太网MAC、SD-FEC等模块，还允许客户根据自己的需求来增加IP，实现产品的最大差异化。

Xilinx公司通信业务主管总监Gilles Garcia分享了一个实际应用案例。一个Tier-1无线网络提供商在开发大规模MINO射频。用32个集成4个AD/DA的射频前端来实现64×64的mMIMO，现在只用4个RFSoC就能实现，同时功耗能降低50%，占板面积能节省75%。

赛灵思通信业务主管总监Gilles Garcia

类似的案例还有用单芯片16X16的传输模块来搭建大规模多功能相控阵雷达。由于功能强大，卫星通讯、汽车激光雷达、有线接入远程-PHY节点等应用都采用了该芯片。这一代产品从2018年开始出货，并在多个市场赢得了好评。

全面升级

在第一代获得很多声誉的架构上，第二代、三代产品进行了全面的升级。

第一代的产品涵盖了4G以下的频段，第二代产品将频段扩展到5G，可以支持中国4.4到4.9GHz的频段，还有日本的4到5GHz频段。第三代产品则能够覆盖从4到6GHz这些现在还没有许可和分配的5G频段。

第二代产品已经有了样片，能够满足亚洲地区5G NR频段的推广过程，将在2019年的6月投产。这代产品面向16X16配置提供了更高的RF性能，并能保证客户的设计从第一代平滑过渡到第二代。

第三代也是扩展了RF性能，适用于更多的用例，特别是全面支持了6GHz以下的直接RF采样。同时，ADC提升到14位，TDD使用时功耗降低了20%，还扩展了毫米波的接口，增强时钟分配功能；另外，为了简化多方面的部署，也新添加了插值和抽取运算。这一代将在2020年第三季度全部量产。

Gilles Garcia表示，在中国和日本，新的频段得到了分配，推出第二代的产品就是希望及时满足运营商的需要。“随着3GPP 5G标准的发展，已经要演化到6GHz，也就是用于5G NR带宽，第三代产品在那时就是非常合适的。”

可重配置，消除瓶颈

UltraScale + RFSoC为射频设计提供了一个多频段、多标准的可重配置平台。

在传统的方法里，为多频段进行RF信号链设计，要先进行模拟设计，再进行数字化处理。采用RFSoC以后，一个平台就可以支持多频段、多标准，不需要为不同的射频配置不同的平台。

采用RFSoC还克服了JESD204接口带来的传输瓶颈。为了随带宽扩展，大多数ADC都使用基于 JESD204B 协议的速率高达 12.5Gb/s 的高速串行接口。这种方案存在很多问题。首先，JESD204B IP 核的实现需要时间，要使用宝贵的 FPGA 架构。其次，串行 I/O 功耗在更高数据速率下会显著增加。并且，JESD204的采样率大概是320GB每秒，它的功耗是8W，但是采用RFSoC之后就没有这样的瓶颈，使用起来也更加方便。

最后一个优势就是使用RFSoC以后，将用RF直接采样替代传统的中频（IF 或 Zero-IF）采样。这样，可直接对流入的 RF 信号采样，无需事先进行下变频。信号被数字化之后，利用数字信号处理技术在更为灵活的可编程数字域中完成下变频和信号处理。这些 RF ADC 支持更高的采样率，由于数字域有更好的滤波技术，因此能够更好地在动态范围、信号质量（信噪比）和信号带宽之间进行权衡。

产品路线

赛灵思目前已经将为这个系列规划到第四代产品。“第四代是去年开发者大会上我们的CEO介绍给大家的，也就是Versal AI RF芯片，这就是我们第四代高度集成的RFSoC器件。” Gilles Garcia介绍。

与前三代采用16nm工艺不同，第四代产品将完全采用7nm工艺。不过Gilles Garcia表示，“第四代的路线图还没有完全确定下来，除了提升性能以外，它还会加入一个AI引擎，进一步提升无线应用的可编程性。”

他还强调，赛灵思现有的AI IP是16nm级别的，可以支持机器学习，而7nm的AI引擎可以支持深度的无线算法。

因为第一代到第三代都是使用16nm工艺，客户可以使用相同的工具进行设计。到7nm时代，客户则要重新设计他们的板件和系统，不过Gilles Garcia表示，

“赛灵思一直非常关注保护客户的投资，从16nm过渡到7nm的时候我们也会注重保护客户原有的投资。”