En DSP-kärna för 4G

Amerikanska Ceva lanserar en DSP-kärna med prestanda nog för både terminaler och infrastruktur till 4G-nät som LTE och Wimax. Kärnan presterar 200 miljarder operationer per sekund, tillräckligt för att hantera exempelvis en nedlänk med 300 Mbit/s.

Ceva, som har ambitionen att bli för DSP-världen vad ARM är bland mikroprocessorer, säger sig ha lanserat världens kraftfullaste DSP-kärna, kallad Ceva XC.

– Prestanda motsvarar 8-10 av Texas Instruments storsäljare C64x+ trots att kiselytan inte är mer än dubbelt så stor, säger Eran Briman, marknadschef på amerikanska Ceva.

Kärnan är en vidareutveckling av den tidigare kärnan Ceva X. Nykomlingen kan varje klockcykel utföra upp till 64 MAC-operationer och komplexa aritmetiska operationer som 256-bitars vektoriserad bitmanipulering och permutering. Trots det är den strömsnål - en 50 Mbit/s LTE-nedlänk implementerad i 65 nm-teknik med kärnan drar inte mer än 10 mW.

Hemligheten bakom prestandan sitter i arkitekturen. En generell beräkningsenhet står för DSP-stödet för data med mellan 8 och 40 bitars ordbredd. Jämte denna enhet finns upp till fyra vektorkommunikationsenheter, var och en med tre 256-bitars VLIW-maskiner. Varje sådan vektorenhet kan alltså samtidigt utföra exempelvis 64 stycken 16 x 16-bitars MAC-operation, 400 stycken 16-bitarsoperationer och en 256-bitars bitmanipulering.

Strömförbrukningen hålls nere dels tack vare arkitekturen, som gör att systemklockan faktiskt inte behöver rusa i höjden.

– Vi har gjort en 2 x 2 Mimo LTE-länk för 150 Mbit/s, med 20 MHz bandbredd och QAM-64-modulering i 65 nm teknik. Den behöver bara klockas med 157 MHz, och drar då inte mer än runt 20 mW, säger Eran Briman.

Lika viktig för strömförbrukningen är dock den nyutvecklade enheten för effektskalning som har fem olika spänningsnivåer för olika behov. Exempelvis kan klockan fås att automatiskt stoppas för enheter som inte används. Det går också att minska spänningen och sakta ner klockan för att spara energi när så är möjligt. Och ett särskilt minnesvänteläge drar ner spänningen så lågt att minnet behåller sin information trots att klockan stoppats. En del av klockfrekvensändringarna kan göras med automatik medan spänningsändringarna styrs av den som programmerar kretsen.

– Effektstyrningen är väldigt finkornig - det går att gå ner på enskilda MAC-enheter, säger Briman.

Ceva XC är skräddarsydd för att klara såväl terminaler som infrastukturprodukter i 4G-standarder som Wimax och LTE. Dessa tekniker har så många likheter att det enligt Ceva går att använda samma hårdvara och konfigurera den till passande standard med hjälp av programvara, så kallad SDR, Software Defined Radio.

– Andra använder en processorkärna med massor av kringprocessorer, vi klarar allt som krävs i en kärna plus tillhörande programvara, säger Briman.

Jämfört med HSPA och andra 3,5G-system kräver LTE omkring 20 gånger mer processorkraft. LTE ska klara 300 Mbit/s i nerlänken jämfört med HSPAs 14 Mbit/s, och i upplänken 75 Mbit/s jämfört med 5,7 Mbit/s. Därtill ska bandbredden vara skalbar mellan 5 och 20 MHz, och stöd måste finnas för upp till 4 x 4 antenner, så kallad Mimo, multiple input multiple output. Modulationsformerna är mer komplexa, exempelvis så kallad 64-QAM, och stöd måste också finnas för att klara överföring på flera bärvågor (multicarrier).

Enligt Ceva kommer LTE inte bara att innebära mer komplexitet och högre datatakter - tekniken kommer också att fundamentalt ändra nätens arkitektur. Dagens nät är uppbyggda med ett relativt litet antal stora kraftfulla basstationer. LTE-näten kommer att bli betydligt mer mångfacetterade, då en stor del av trafiken kommer att gå över mindre basstationer som femtoceller i hem och småföretag och picoceller för medelstora företag. Det ger utrymme för fler aktörer, resonerar bolaget.

– Vi har redan sålt fyra licenser till företag som gör gateways, femtoceller och picoceller, berättar Eran Briman.

Leveranser av kärnan har påbörjats till tidiga kunder. I leveranserna ingår en rad utvecklingsverktyg, som C-kompilator, avlusare, simulator och profilerare. Dessutom finns optimerade bibliotek, bland annat för LTE-modem av klass 5 och Wimax II (802.16m). Mjukvarukonfigurationer (SDR) finns förutom för LTE och Wimax även för Wifi, HSPA+, WCDMA, EVDO, GSM/GPRS, DVB-H och GPS.