元器件应用验证技术及其工程实践研究

刘晓军

(北京慧清科技有限公司 北京 101500)

长时间缺乏电子芯片的自主设计能力，使我国的信息产业发展受到严重影响。据相关数据显示，美国半导体与科技公司大约占全球市场份额的1/2，其中在我国的销量占其全球市场份额的六成。自第二次世界大战爆发以来，西方发达国家始终对我国实施出口与技术转移的控制。尤其是1996 年签订的《瓦森纳协定》，对我国的针对较为明显，协议中包含针对我国的两份出口清单：一份是军民两用商品与技术清单，其中包含先进材料、电子器件等技术产品；第二份是22 类技术与产品。直到今天，美国依然进行战略遏制，不定期挑起国际贸易摩擦，其于2018—2019年间宣布将对中兴通讯和华为公司实施监管,以禁止西方国家向我国供应相关的元器件和软件等电子设备产品[1]。为了加强中国国家的创新科技发展，自主可控化迫在眉睫。随着中国民用及移动通信的蓬勃发展，以华为为代表的中国电子企业5G 技术标准与产业规模在世界明显拥有领先优势，并且在一定程度上实现了自主可控，使民用移动产品生态得到了良好的发展，如手机芯片、应用软件等。对于现阶段的装备建设模式以及民用网络利用而言，其产业生态培育意识在时代的影响下，出现了相应的局限性，严重影响到新技术的利用。因此，我国信息产业应积极利用5G 技术与产业链来提升自身的保障能力，实现技术装备生产的完全自主可控。

1 元件应用验证内涵

1.1 技术内涵

应用验证主要是指在元器件应用之前开展的一系列试验、评估、评价等工作，采用这种方法检验元器件的品质及其通用性。在进行一定的综合分析评估之后，给出元器件产品在应用装备中的合理使用率和可用性结果，从而建立具体的使用指南，并由此来引导成熟元器件产品的合理使用。当完成了元器件的系统验证分析之后，就可以从中看出在元器件产品的设计和制造过程中出现的问题。经过验证发现元器件中存在问题时，应及时反馈至生产厂家，针对其存在问题进行相应的改进、完善，以此来促进元件产品的成熟。在对元器件进行科学的评价后，能够为用户提供重要的选用依据，这不仅解决了用户应用支持数据缺乏、应用风险不明产生的难以决策问题，而且还在一定程度上促进了元器件在移动通信中的应用[2]。在与用户的互动过程中，发布相应的应用指南，在一定程度上解决了用户选择错误以及应用不合理等问题，使应用水平得到进一步提升。

1.2 应用检验与鉴定检验、用户试用的关系

鉴定检验的重点是按照已制定的要求来开展相应的满足度测试。通常产品制造者没有对具体的应用环境的要求产生关注，仅仅只是关注产品的质量是否与要求相符合。而应用测试则主要注重产品设计的完成质量及其功能，并通过整体考核确定产品设计的成熟度及其相关的应用结果，与鉴定测试二者构成一个相互促进的系统。客户测试是较为原始、初步的测试，是特定客户基于使用感受做出的验证和测评项目，由此来判断产品的实用性是否符合特定的使用情况。应用测试的主要任务是需涵盖不同产品类型的使用情况、涵盖其他产品的类型使用情况，实现“覆盖产品、覆盖用户、覆盖元器件”，而责任主体是专业验证机构，联合研制单位、用户单位等专业机构展开验证，整个验证贯穿于元器件的全部研制过程。

2 国产5G手机芯片资源分析

为建立融合创新体系，充分利用民用通信产业链的生态红利，催化装备自主可控建设的新模式，通过以国产移动芯片为核心处理器的手机平台加载波形软件，实现与现役装备互联互通，验证基于民用移动成熟芯片实现装备自主可控路线的可行性，加速解决装备的自主可控问题，本文提出以下发展思路。

（1）自主可控，保障装备安全。利用民用移动通信性能优异的国产芯片，探索在专项研制芯片之外应用先进民用芯片的技术路径，推动装备的自主可控发展，逐步摆脱装备核心软硬件受制于人的局面，降低安全风险。

（2）强化互联互通。应用成熟的民用软硬件平台实现多种波形覆盖，将有力推动统一体制落地实施，有效解决互联互通难的问题。

（3）提升用户体验。将新波形融入民用移动通信终端，改善装备“不好用、不会用”的现状，提升用户使用体验。

目前，国内已有华为海思、紫光展锐和联发科推出了国产5G 手机芯片产品，已应用于数十款5G 手机产品中。华为海思开发的麒麟990 和9000 等系列5G 芯片，已应用在华为Mate30、Mate40、P40 等手机。紫光展锐的虎贲T740、T760和T770等5G芯片，已应用于中国电信天翼1 号和海信F60 等手机。联发科公司推出的天玑800、820和1000等系列5G芯片，已应用于荣耀Play 4、OPPO Reno 3、红米10X等手机[3]。国产5G系列芯片都采用了8 核ARM、GPU 和NPU（AI 处理核心）集成的SoC方案，其主要技术参数见表1。

表1 国产5G手机芯片主要参数

民用5G系列芯片性能都非常优异，支持安卓操作系统，对外提供USB3.0接口，在CPU主频上略有差异，但都可以满足波形的处理需求。因此本方案选用搭载麒麟990 芯片的华为手机，进行资源分析和软硬件设计，验证基于国产移动成熟芯片进行装备自主可控的技术路线。

3 麒麟990芯片功能介绍

麒麟990 芯片的8 个Cortex-A 系列核、巴龙5000基带模块的处理能力远大于目前系统平台所使用的硬件平台的能力，但是目前华为不对外提供巴龙5000基带模块二次开发的服务，只能在现有的8 核CPU 上开发验证波形。波形主要特点是基于比特级计算比较多、通信算法中乘累加等数学运算比较多，8 核的Cortex-A 系列处理器主频最高可达2.76 GHz，还提供了NEON指令集，并行数学计算能力较强，从处理能力上分析可以满足波形的计算要求。其他国产5G 芯片如虎贲T740，虽然主频比麒麟990略低，但处理能力也完全可以满足波形的计算要求。波形另一特点是信息处理基于比特流，对操作系统的实时性要求比较高，一般要求时延为微秒级。本方案波形软件只能在Android 内核EMUI10 操作系统上开发，Android 操作系统优势在于用户界面显示和交互体验，在实时性方面明显逊色于VxWorks 等实时操作系统，需重点研究在Android操作系统平台下波形软件的设计思路，最大程度利用麒麟990 芯片强大的处理能力以规避Android系统在实时性上的短板[4]。

4 元器件应用验证技术路线

华为Mate30 手机搭载强大的麒麟990 芯片，该芯片采用目前全球先进的7 nm+EUV工艺，CPU采用8核设计，集成2 个主频为2.86 GHz 的Cortex-A76 重核、2个主频为2.36 GHz 的Cortex-A76 中核和4 个主频为1.95 GHz的Cortex-A55小核，操作系统采用SMP架构，根据运行的业务负载灵活调度8 核，在考虑性能的同时兼顾功耗，操作系统为EMUI10（系统内核为Android 10.0）。同时麒麟990 芯片还有16 个Mali-G76 核心的GPU和2大1微的3个NPU核，具备强大的图像处理能力和AI 计算能力。运行内存8 G，采用业内先进的LPDDR 5；存储内存为UFS3.0闪存，典型容量128 G。

4.1 硬件平台设计

麒麟990芯片内置专用定制的巴龙5000基带处理模块，实现2G/3G/4G/5G制式通信，巴龙5000基带处理模块支持MIMO，波束成型等先进技术，数据吞吐率最大可达下行2.3 GBps，上行1.25 GBps，处理能力强大。巴龙5000是华为自主设计的专用模块，目前不提供对外开发编程的服务[5]。麒麟990芯片对外接口为Type-C接口，数据传输支持USB3.0，理论最快传输速度可达5 GBps，具体资源框图见图1。

图1 麒麟990资源框图

4.2 硬件实现方案

以华为Mate30 手机（麒麟990 芯片）为核心，结合组件和射频前端构建硬件平台组件内嵌于防护外壳，定制的防护外壳对手机进行加固并提供扩展接口，通过USB 接口与手机连接，通过光纤接口与射频前端连接[6]。

4.3 软件实现方案

华为Mate30手机App软件开发环境包括支持Java语言开发的软件开发工具包（SDK）和支持C语言开发的原生开发工具包（NDK），为软件开发人员提供了丰富的库文件和例程，有利于提高软件开发效率，这是民用移动通信成熟软件生态的一个显著优点。安卓SDK（Software Development Kit）是为应用开发者在桌面操作系统平台上发布安卓应用设计的开发工具集合。SDK 中提供了安卓API 库和应用的创建、测试和调试应用程序，另外还有安卓模拟器和嵌入Eclipse的安卓开发工具软件，以及包含了各种测试、封装以及在仿真器上使用软件的方法。而安卓SDK则主要是以Java语言为平台，开发者也可以通过Java 编程语言来编写在安卓系统上的软件应用。通过SDK提供的工具将其打包成安卓平台使用的apk 安装文件，然后用模拟器来模拟和测试软件在安卓平台上运行情况和效果。安卓NDK（NativeDevelopmentKit）是一个工具集合，提供了一系列的工具帮助开发人员快速开发C（或C++）的动态库，并能将so 和Java 应用一起打包成应用安装apk文件。通过NDK 工具开发的程序以本地编译后的目标码运行，而不是通过虚拟机解释运行，因此运行效率较高[7]。NDK 集成了交叉编译器，并提供了对应的mk文件来隔离平台、CPU和API等的差异，开发者仅需要简单修改mk 文件，就可以创建需要的so 文件，使用NDK编写程序便于与其他嵌入式平台之间移植代码。

4.4 对外接口

Mate30 手机对外只提供USB 接口，支持USB 3.0超速传输协议，理论上最高速率可达5 GBps，实测一般在1 GBps左右。USB 3.0接口的最小时延可达13.3 Ms。

5 结语

近年来，我国民用移动通信发展迅速，以华为为代表的我国企业5G 技术标准和产品在全球明显具有领先优势，并基本实现了自主可控，推动了民用移动产品生态，包括芯片、手机和应用软件App等的快速健康发展。通过华为手机软硬件平台对麒麟990芯片性能和软件可编程性等方面进行验证后，发现此种芯片能够满足波形开发与运行要求，在一定程度上推动装备的自主可控发展，逐步摆脱装备核心软硬件受制于人的局面，降低安全风险。