元器件應(yīng)用驗證技術(shù)及其工程實踐研究

劉曉軍

(北京慧清科技有限公司 北京 101500)

長時間缺乏電子芯片的自主設(shè)計能力，使我國的信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到嚴重影響。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，美國半導(dǎo)體與科技公司大約占全球市場份額的1/2，其中在我國的銷量占其全球市場份額的六成。自第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)以來，西方發(fā)達國家始終對我國實施出口與技術(shù)轉(zhuǎn)移的控制。尤其是1996 年簽訂的《瓦森納協(xié)定》，對我國的針對較為明顯，協(xié)議中包含針對我國的兩份出口清單：一份是軍民兩用商品與技術(shù)清單，其中包含先進材料、電子器件等技術(shù)產(chǎn)品；第二份是22 類技術(shù)與產(chǎn)品。直到今天，美國依然進行戰(zhàn)略遏制，不定期挑起國際貿(mào)易摩擦，其于2018—2019年間宣布將對中興通訊和華為公司實施監(jiān)管,以禁止西方國家向我國供應(yīng)相關(guān)的元器件和軟件等電子設(shè)備產(chǎn)品[1]。為了加強中國國家的創(chuàng)新科技發(fā)展，自主可控化迫在眉睫。隨著中國民用及移動通信的蓬勃發(fā)展，以華為為代表的中國電子企業(yè)5G 技術(shù)標準與產(chǎn)業(yè)規(guī)模在世界明顯擁有領(lǐng)先優(yōu)勢，并且在一定程度上實現(xiàn)了自主可控，使民用移動產(chǎn)品生態(tài)得到了良好的發(fā)展，如手機芯片、應(yīng)用軟件等。對于現(xiàn)階段的裝備建設(shè)模式以及民用網(wǎng)絡(luò)利用而言，其產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育意識在時代的影響下，出現(xiàn)了相應(yīng)的局限性，嚴重影響到新技術(shù)的利用。因此，我國信息產(chǎn)業(yè)應(yīng)積極利用5G 技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈來提升自身的保障能力，實現(xiàn)技術(shù)裝備生產(chǎn)的完全自主可控。

1 元件應(yīng)用驗證內(nèi)涵

1.1 技術(shù)內(nèi)涵

應(yīng)用驗證主要是指在元器件應(yīng)用之前開展的一系列試驗、評估、評價等工作，采用這種方法檢驗元器件的品質(zhì)及其通用性。在進行一定的綜合分析評估之后，給出元器件產(chǎn)品在應(yīng)用裝備中的合理使用率和可用性結(jié)果，從而建立具體的使用指南，并由此來引導(dǎo)成熟元器件產(chǎn)品的合理使用。當(dāng)完成了元器件的系統(tǒng)驗證分析之后，就可以從中看出在元器件產(chǎn)品的設(shè)計和制造過程中出現(xiàn)的問題。經(jīng)過驗證發(fā)現(xiàn)元器件中存在問題時，應(yīng)及時反饋至生產(chǎn)廠家，針對其存在問題進行相應(yīng)的改進、完善，以此來促進元件產(chǎn)品的成熟。在對元器件進行科學(xué)的評價后，能夠為用戶提供重要的選用依據(jù)，這不僅解決了用戶應(yīng)用支持數(shù)據(jù)缺乏、應(yīng)用風(fēng)險不明產(chǎn)生的難以決策問題，而且還在一定程度上促進了元器件在移動通信中的應(yīng)用[2]。在與用戶的互動過程中，發(fā)布相應(yīng)的應(yīng)用指南，在一定程度上解決了用戶選擇錯誤以及應(yīng)用不合理等問題，使應(yīng)用水平得到進一步提升。

1.2 應(yīng)用檢驗與鑒定檢驗、用戶試用的關(guān)系

鑒定檢驗的重點是按照已制定的要求來開展相應(yīng)的滿足度測試。通常產(chǎn)品制造者沒有對具體的應(yīng)用環(huán)境的要求產(chǎn)生關(guān)注，僅僅只是關(guān)注產(chǎn)品的質(zhì)量是否與要求相符合。而應(yīng)用測試則主要注重產(chǎn)品設(shè)計的完成質(zhì)量及其功能，并通過整體考核確定產(chǎn)品設(shè)計的成熟度及其相關(guān)的應(yīng)用結(jié)果，與鑒定測試二者構(gòu)成一個相互促進的系統(tǒng)。客戶測試是較為原始、初步的測試，是特定客戶基于使用感受做出的驗證和測評項目，由此來判斷產(chǎn)品的實用性是否符合特定的使用情況。應(yīng)用測試的主要任務(wù)是需涵蓋不同產(chǎn)品類型的使用情況、涵蓋其他產(chǎn)品的類型使用情況，實現(xiàn)“覆蓋產(chǎn)品、覆蓋用戶、覆蓋元器件”，而責(zé)任主體是專業(yè)驗證機構(gòu)，聯(lián)合研制單位、用戶單位等專業(yè)機構(gòu)展開驗證，整個驗證貫穿于元器件的全部研制過程。

2 國產(chǎn)5G手機芯片資源分析

為建立融合創(chuàng)新體系，充分利用民用通信產(chǎn)業(yè)鏈的生態(tài)紅利，催化裝備自主可控建設(shè)的新模式，通過以國產(chǎn)移動芯片為核心處理器的手機平臺加載波形軟件，實現(xiàn)與現(xiàn)役裝備互聯(lián)互通，驗證基于民用移動成熟芯片實現(xiàn)裝備自主可控路線的可行性，加速解決裝備的自主可控問題，本文提出以下發(fā)展思路。

（1）自主可控，保障裝備安全。利用民用移動通信性能優(yōu)異的國產(chǎn)芯片，探索在專項研制芯片之外應(yīng)用先進民用芯片的技術(shù)路徑，推動裝備的自主可控發(fā)展，逐步擺脫裝備核心軟硬件受制于人的局面，降低安全風(fēng)險。

（2）強化互聯(lián)互通。應(yīng)用成熟的民用軟硬件平臺實現(xiàn)多種波形覆蓋，將有力推動統(tǒng)一體制落地實施，有效解決互聯(lián)互通難的問題。

（3）提升用戶體驗。將新波形融入民用移動通信終端，改善裝備“不好用、不會用”的現(xiàn)狀，提升用戶使用體驗。

目前，國內(nèi)已有華為海思、紫光展銳和聯(lián)發(fā)科推出了國產(chǎn)5G 手機芯片產(chǎn)品，已應(yīng)用于數(shù)十款5G 手機產(chǎn)品中。華為海思開發(fā)的麒麟990 和9000 等系列5G 芯片，已應(yīng)用在華為Mate30、Mate40、P40 等手機。紫光展銳的虎賁T740、T760和T770等5G芯片，已應(yīng)用于中國電信天翼1 號和海信F60 等手機。聯(lián)發(fā)科公司推出的天璣800、820和1000等系列5G芯片，已應(yīng)用于榮耀Play 4、OPPO Reno 3、紅米10X等手機[3]。國產(chǎn)5G系列芯片都采用了8 核ARM、GPU 和NPU（AI 處理核心）集成的SoC方案，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 國產(chǎn)5G手機芯片主要參數(shù)

民用5G系列芯片性能都非常優(yōu)異，支持安卓操作系統(tǒng)，對外提供USB3.0接口，在CPU主頻上略有差異，但都可以滿足波形的處理需求。因此本方案選用搭載麒麟990 芯片的華為手機，進行資源分析和軟硬件設(shè)計，驗證基于國產(chǎn)移動成熟芯片進行裝備自主可控的技術(shù)路線。

3 麒麟990芯片功能介紹

麒麟990 芯片的8 個Cortex-A 系列核、巴龍5000基帶模塊的處理能力遠大于目前系統(tǒng)平臺所使用的硬件平臺的能力，但是目前華為不對外提供巴龍5000基帶模塊二次開發(fā)的服務(wù)，只能在現(xiàn)有的8 核CPU 上開發(fā)驗證波形。波形主要特點是基于比特級計算比較多、通信算法中乘累加等數(shù)學(xué)運算比較多，8 核的Cortex-A 系列處理器主頻最高可達2.76 GHz，還提供了NEON指令集，并行數(shù)學(xué)計算能力較強，從處理能力上分析可以滿足波形的計算要求。其他國產(chǎn)5G 芯片如虎賁T740，雖然主頻比麒麟990略低，但處理能力也完全可以滿足波形的計算要求。波形另一特點是信息處理基于比特流，對操作系統(tǒng)的實時性要求比較高，一般要求時延為微秒級。本方案波形軟件只能在Android 內(nèi)核EMUI10 操作系統(tǒng)上開發(fā)，Android 操作系統(tǒng)優(yōu)勢在于用戶界面顯示和交互體驗，在實時性方面明顯遜色于VxWorks 等實時操作系統(tǒng)，需重點研究在Android操作系統(tǒng)平臺下波形軟件的設(shè)計思路，最大程度利用麒麟990 芯片強大的處理能力以規(guī)避Android系統(tǒng)在實時性上的短板[4]。

4 元器件應(yīng)用驗證技術(shù)路線

華為Mate30 手機搭載強大的麒麟990 芯片，該芯片采用目前全球先進的7 nm+EUV工藝，CPU采用8核設(shè)計，集成2 個主頻為2.86 GHz 的Cortex-A76 重核、2個主頻為2.36 GHz 的Cortex-A76 中核和4 個主頻為1.95 GHz的Cortex-A55小核，操作系統(tǒng)采用SMP架構(gòu)，根據(jù)運行的業(yè)務(wù)負載靈活調(diào)度8 核，在考慮性能的同時兼顧功耗，操作系統(tǒng)為EMUI10（系統(tǒng)內(nèi)核為Android 10.0）。同時麒麟990 芯片還有16 個Mali-G76 核心的GPU和2大1微的3個NPU核，具備強大的圖像處理能力和AI 計算能力。運行內(nèi)存8 G，采用業(yè)內(nèi)先進的LPDDR 5；存儲內(nèi)存為UFS3.0閃存，典型容量128 G。

4.1 硬件平臺設(shè)計

麒麟990芯片內(nèi)置專用定制的巴龍5000基帶處理模塊，實現(xiàn)2G/3G/4G/5G制式通信，巴龍5000基帶處理模塊支持MIMO，波束成型等先進技術(shù)，數(shù)據(jù)吞吐率最大可達下行2.3 GBps，上行1.25 GBps，處理能力強大。巴龍5000是華為自主設(shè)計的專用模塊，目前不提供對外開發(fā)編程的服務(wù)[5]。麒麟990芯片對外接口為Type-C接口，數(shù)據(jù)傳輸支持USB3.0，理論最快傳輸速度可達5 GBps，具體資源框圖見圖1。

圖1 麒麟990資源框圖

4.2 硬件實現(xiàn)方案

以華為Mate30 手機（麒麟990 芯片）為核心，結(jié)合組件和射頻前端構(gòu)建硬件平臺組件內(nèi)嵌于防護外殼，定制的防護外殼對手機進行加固并提供擴展接口，通過USB 接口與手機連接，通過光纖接口與射頻前端連接[6]。

4.3 軟件實現(xiàn)方案

華為Mate30手機App軟件開發(fā)環(huán)境包括支持Java語言開發(fā)的軟件開發(fā)工具包（SDK）和支持C語言開發(fā)的原生開發(fā)工具包（NDK），為軟件開發(fā)人員提供了豐富的庫文件和例程，有利于提高軟件開發(fā)效率，這是民用移動通信成熟軟件生態(tài)的一個顯著優(yōu)點。安卓SDK（Software Development Kit）是為應(yīng)用開發(fā)者在桌面操作系統(tǒng)平臺上發(fā)布安卓應(yīng)用設(shè)計的開發(fā)工具集合。SDK 中提供了安卓API 庫和應(yīng)用的創(chuàng)建、測試和調(diào)試應(yīng)用程序，另外還有安卓模擬器和嵌入Eclipse的安卓開發(fā)工具軟件，以及包含了各種測試、封裝以及在仿真器上使用軟件的方法。而安卓SDK則主要是以Java語言為平臺，開發(fā)者也可以通過Java 編程語言來編寫在安卓系統(tǒng)上的軟件應(yīng)用。通過SDK提供的工具將其打包成安卓平臺使用的apk 安裝文件，然后用模擬器來模擬和測試軟件在安卓平臺上運行情況和效果。安卓NDK（NativeDevelopmentKit）是一個工具集合，提供了一系列的工具幫助開發(fā)人員快速開發(fā)C（或C++）的動態(tài)庫，并能將so 和Java 應(yīng)用一起打包成應(yīng)用安裝apk文件。通過NDK 工具開發(fā)的程序以本地編譯后的目標碼運行，而不是通過虛擬機解釋運行，因此運行效率較高[7]。NDK 集成了交叉編譯器，并提供了對應(yīng)的mk文件來隔離平臺、CPU和API等的差異，開發(fā)者僅需要簡單修改mk 文件，就可以創(chuàng)建需要的so 文件，使用NDK編寫程序便于與其他嵌入式平臺之間移植代碼。

4.4 對外接口

Mate30 手機對外只提供USB 接口，支持USB 3.0超速傳輸協(xié)議，理論上最高速率可達5 GBps，實測一般在1 GBps左右。USB 3.0接口的最小時延可達13.3 Ms。

5 結(jié)語

近年來，我國民用移動通信發(fā)展迅速，以華為為代表的我國企業(yè)5G 技術(shù)標準和產(chǎn)品在全球明顯具有領(lǐng)先優(yōu)勢，并基本實現(xiàn)了自主可控，推動了民用移動產(chǎn)品生態(tài)，包括芯片、手機和應(yīng)用軟件App等的快速健康發(fā)展。通過華為手機軟硬件平臺對麒麟990芯片性能和軟件可編程性等方面進行驗證后，發(fā)現(xiàn)此種芯片能夠滿足波形開發(fā)與運行要求，在一定程度上推動裝備的自主可控發(fā)展，逐步擺脫裝備核心軟硬件受制于人的局面，降低安全風(fēng)險。