为什么使用ARM Cortex-A系列的处理器？ - 详解5G通信的关键技术及挑战

　　为什么在网络基础设施中使用ARM Cortex-A系列的处理器？

　　ARM提供了处理器和互连的IP来满足网络基础设施的需求，而未来的需求也直接推动ARM的发展蓝图进展。要提供这样的服务，关键在于各式各样的Cortex A处理器核心和高速快取的一致性互连，例如Cortex-A72、Cortex-A53和互连产品的CCN家族。

　　新的SoC平台提供了一系列异质的CPU、DSP和功能特定的加速器核心，对于满足吞吐要求、5G部署延迟和灵活性要求至关重要。越来越多的功能将被融合到单一SoC中，这通常将处理多种流量类型，包括数据信道有效负载、控制层流量、前端处理和用户调度。

　　随着发展整合与更高性能SoC的趋势，将会出现一些处理组件透处理器核心和智能讯号处理组件，以支持突发性高速流量有效负载和对于延迟敏感的流量。

　　网络基础设施应用混合了功能不同的3种层面：控制层处理、封包或回程网络处理，以及在任一特定SoC装置上可用核心丛集之间事件或流量的调度。

　　5G基地台设备具有与5G核心设备完全不同的功能。设计者必须确定处理器功能的最佳组合以因应所需的处理，从可取得的技术中做出选择，尽快提供自己的设计以抓住市场机遇。

　　控制层 控制层的功能要求每个封包处理量最大化，每个封包涉及数以万计的指令，通常是以「从执行到完成」的模式分配。乱序和多级管线可以非常有效的利用。

　　具备虚拟化功能的高性能核心能够满足控制层、内容发布网络和其他要求高单线程功能的需求。在控制层执行的应用包括NFV、用于云端和边缘网络的CDN和要求更多性能的潜在新兴远程接取技术（如5G）。

　　数据层 网络的边缘能够达到几百Mbps或Gbps范围的数据速率；存取/云端部份则可体验1-10Gbps的数据速率；核心则可处理20至几百Gbps的数据。和控制面板不同的是，此处的挑战在于处理回程网络流量的爆发、处理标头并将资料置于缓冲器内而不至于遗失任何封包。DSP在此为数据层提供专用且优化的指令集，并卸除CPU的高功耗和运算密集功能。

　　除了用于控制处理的每个数据封包数以万计的指令，数据封包处理可能仅仅使用几百个指令/数据封包。存取高速缓冲存储器（指令、数据、L2和L3）和外部内存对数据封包处理来说也是不同的。

　　数据和控制处理之间存在一个重要的区别。ARM使用「无状态」（stateless）和「有状态」（statful）的术语来区别这两个概念。无状态处理使用巨量的小核心来处理进入SoC数据封包的数据串流。每个核心以「从执行到完成的模式」执行，从而为数据标头分类，并将数据封包纳入内存。每个数据封包单独的处理；核心只知悉之前的任何数据封包。核心的数量和互连的尺寸仅仅根据接口速度变化。相反地，有状态处理适用于更高层级的决策，数据封包的历史在这样的情形下很重要。流量和会议可以得到管理，尤其是控制层。

　　调度 5G系统的另一个挑战在于与前两个密切相关。对于用户接取调度，如果需要按照可获得的空中接口带宽调度用户，延迟是关键。以LTE为例，空中界面可能有几百个用户将被调度到自己的时隙中。所有这一切都需要按照5G标准的时间限制透过几个核心进行运算：可能小于0.5ms。这涉及很多优先计算、接收和传输任务的调度以及从DSP、处理器和内存接收和发送讯号。因此，在异质架构下使用多个核心并在多核心间切换的能力至关重要。

　　技术要求 随着智能连网装置上的数据消耗量急速增加、新的空中接口技术（如5G）的推动，系统设计人员的挑战是必须在相同功率和尺寸下提供更高性能的设计。ARM持续开发IP以支持更高性能且多核心的处理器。一致的互连、性能优化的实体与逻辑IP，均支持灵活的异质架构，确保满足5G性能的要求。

　　新的ARM核心，如Cortex-A72和Cortex-A53，使其性能/功耗和性能可扩展性目标能够在下一代SoC设计上实现。此外，在研发预算受到挑战的当下，具备良好支持力度的软件和工具生态系统的产业标准指令集架构（ISA）使得SoC设计管理人员能够更快地将产品投入市场、节约研发资金，以及开发具有附加价值和差异化专用的特点。

　　总结

　　过去20年来，ARM持续作为行动变革的核心。从早期的2G手机、3G再到LTE，已经有超过200亿支手机采用ARM技术作为蜂巢式调制解调器的核心。以ARM为基础的调制解调器让日常生活中不可缺少的智能型手机变成现实。

　　随着LTE日益成熟，我们已经让连接数字生活的各方面成为现实。除了电子邮件、新闻和社群媒体等信息服务，我们看到更复杂的使用案例扩展至日常生活各方面，如健康、福利、医疗等等。就算是这些装置的外形已经开始发生变化并且突破传统智能型手机的限制；新的应用，如可穿戴式装置，也已经与日常生活无缝衔接。

　　展望手机发展的未来十年，我们可以有哪些期待呢？对于服务的更多需求也为服务我们的网络提出了更大容量的要求。更有效地利用无线频谱是至关重要的，这将使产业研究进展至5G无线通信系统。提高行动网络的容量，不仅能服务更多的用户，随着世界在物联网这把大伞下相互连接，也为更多的对象或装置提供服务。透过更有效率地使用和监控资源实现低碳经济、透过远程医疗实现医疗保健或车联网等，都还只是得益于持续行动变革的几个应用领域。

　　正如我们为了实现各种优势而建立了这些接取技术一样，对于下一代行动装置，我们也必须提供先进的处理能力。透过像ARM Cortex-R8兼具高效节能、实时处理的处理器，将有助于实现这一愿景，让装置供货商和OEM拓展5G的更多潜力。