[Exynosのすべて] ③ 通信におけるモデム、接続性、セキュリティの深堀り

毎年発売されるスマートフォン、タブレット、PCの最新機能には目を見張るばかりです。はじめてスマートフォンが開発されて以来、数々の技術革新があり、現代のスマートフォンは以前のものとはまったく違うものになったといえます。最近では、私たちが手にしているスマートデバイスは、PCとかわらないほど多くのタスクを実行できます。 スマートデバイスの性能を決定するキーテクノロジーは、モバイルプロセッサです。このモバイルプロセッサが、最新のモバイルデバイスでマルチメディアの計算と操作を実行するシステム半導体です。ほとんどの場合、これはシステムオンチップ(SoC)の形で提供されます。SoCではさまざまな半導体技術が使用されており、中央処理装置(CPU)、グラフィック処理装置(GPU)、およびモデムなどのシステムブロックが1つのチップに組み込まれています。簡単に言えば、SoCはスマートフォンやタブレットを操作するすべての重要なパーツを組み合わせたチップなのです。 サムスンニュースルームは、「スマートフォンの脳」といわれるExynos・モバイル・プロセッサの7つのIPを支える開発リーダーらと会談しました。サムスンニュースルームは、このシリーズの3つのストーリーを通して、スマートフォンに競争力を与えるIPの種類ごとの役割と特徴、および今後の開発の方向性を紹介します。第1話ではGPUとISP、第2話ではCPUとNPU、そして第3話ではモデム、接続、iSEについて説明します。 どこでも高速でスムーズな通信をサポート：AI技術を搭載した超高性能モデム

「モデム」という用語には、1990年代にPCをインターネットに接続するのに使用されたダイヤルアップモデムから、デジタル加入者線(DSL)やケーブルなどの有線通信モデム、セルラーサービスやWi-Fi用のワイヤレス通信モデムまで、あらゆる種類が含まれます。ただし、今日のモバイル業界でのモデムといえば、通常、LTEおよび5Gをサポートするワイヤレス通信用のセルラーモデムを指します。 スマートフォンでは、基地局と信号のやり取りで通話やデータの送受信を行うのが端末モデムです。どこでも電話をかけたり、動画をシームレスに視聴できるのは、高性能のセルラーモデムのおかげです。最新のセルラーモデムは、現在2G〜5Gまでのテクノロジーをサポートしています。 セルラーモデムは最初に1Gで使用され、アナログ通信方式で電話をかけることしかできませんでした。2G時代になると、デジタル通信方式¹が導入され、ショートメッセージサービス(SMS)などの付加サービスが可能になりました。3Gは携帯電話のインターネット使用を可能にし、モバイルブロードバンドの基礎を築きました²。4Gは、HD動画のシームレスな視聴を可能にする真のモバイルブロードバンド時代の到来を告げました。2019年に、韓国が世界で初めて商用化した5Gの速度は現在10Gbpsレベルに達しています。この低遅延かつハイパーコネクティビティ技術を利用して、モバイルデバイス以外のさまざまなアプリケーションが作成されています。

LTE時代の到来でデータ転送速度は飛躍的に高速化し、パソコンとほぼ同等の機能を携帯電話でも実現できるようになりました。サムスン電子は2000年代以前にモデムの自社開発をはじめ、2007年からLTEモデムチップの開発に本格的に取り組みを始め、2Gと3Gの技術を習得した後、2009年に世界で初めてLTEモデムの商用化に成功しました。

2012年、Galaxy Sシリーズに初めてサムスン電子のLTEモデムが搭載されました。2019年、5G通信モデムとモバイルAPを組み合わせた史上初のチップ、SoCExynosが開発されました。Exynosは、異なる機能を持つ2つのチップを1つに統合することでエネルギー効率を改善すると同時に、コンポーネントが占有する面積の削減により、スマートフォンメーカーの設計を容易にしました。現在、Exynosの5G³モデムは、sub-6GHz帯域だけでなく、28GHzや39GHzなどの非常に高い周波数帯域(例：mmWave)もサポートしています。これによりsub-6GHzはサービス範囲を拡大し、基地局の近くではmmWaveによる超高速通信を提供しています。 サムスン電子は現在、5Gモデムの設計で世界ランキング3位です。「一般的に、モデムは5Gなどの新しいテクノロジーや、3GやLTEなどの既に商用化されているテクノロジーをサポートする必要があるので、モデムの開発プロセスは複雑です。また、多額の投資が必要で、モデムチップの企業は世界でも数社しかありません。」と、Jungwon Lee(副社長、信号処理の専門家で、Samsung DS AmericaおよびSamsung Research Americaでの勤務を経て、現在はシステムLSI事業部のモデム開発チーム長)はいいます。「アルゴリズム開発からチップ設計、ソフトウェア開発、フィールドテストまで、多くの開発時間を必要とする分野でもあります。」

サムスン電子は世界各国でフィールドテストを実施、サービスカバレッジを可能な限り改善し人工知能(AI)技術で転送速度を向上させるなど、ベースバンド信号処理方法の改善にさまざまな努力をしています。その結果、昨年、AIアルゴリズムを利用したモデムの作成に成功しましたが、まだ製品化には至っていません。「AIテクノロジーを搭載したモデムは、干渉信号の処理を最小限に抑えたり、AIプロセッサでエネルギー効率を高めたりすることで、パフォーマンスの向上を促進できます」(Lee氏)。 サムスン電子では現在、5Gに加え6Gテクノロジーの開発に積極的に取り組んでいます。「現在、私たちは世界最高の5Gモデムと5G-Advancedモデムの開発に注力しており、目前に迫る6G時代に向けて、Samsung DS AmericaおよびSamsung Researchと協力して6Gモデムのテクノロジーの研究準備をしています」(Lee氏)。また、Lee氏はモデム信号処理技術における功績で、IEEE Fellow受賞者に選ばれました。⁴ 「6Gモデムは、1Tbpsレベルの速度を実現し、衛星通信を含むさまざまな通信ネットワークをサポートし、自動車、IoT、AR/VRなど、スマートフォンをはるかに超えるさまざまなアプリケーションで広く使用されることが期待されています」(Lee氏)。「6G時代への道を開くには、テラヘルツ(THz)帯域、少なくとも数百のアンテナのマルチアンテナサポート、高度なAI技術、通信ネットワーク信号効率技術など、さまざまな周波数帯域の裏付けとサポートが必要です。」 一方、Lee氏はサムスン電子がAndroid向けのベストモデムの作成を目指しているので先導役も務めています。「私たちは、短期的に5G事業を拡大する一方で、中長期的に6G時代の早い段階で主導的な地位を確保するよう努めています。」としています。サムスン電子は、モデム開発チームの大幅な人員増加でパフォーマンスを改善し、関連するビジネス市場を拡大する計画です。

「モデム技術をリードする大手グローバル企業の開発チームの一員であることを誇りに思います。個人的なことですが、私が理論から学んだことを実際に製品に適用すると、実際に多くのケースでどのように実装されるのかを見るのは興味深いことです」と、モデムに惹かれた理由を尋ねると、こう答えました。「今日、いつでもどこでもできるシームレスな電話での会話と高速インターネット体験は、生活の基本的な部分になっています。この便利な生活を実現してくれたのがモデムであり、モデム開発チームはこれからもその役割を果たしていきます。」と、積極的な姿勢をみせた。 迅速かつ流動的に機能する、広範囲にわたる接続環境の作成

モバイルワイヤレス通信の2つの主要な電気通信規格は、セルラーネットワークと接続性です。3GPP規格⁵に代表されるセルラーネットワークは、CDMA, LTE, 5Gなどの通信規格を指します。携帯電話会社に認可された特定の帯域幅で、幅広いサービス範囲を提供し、さまざまな基地局のインフラストラクチャを介してこれを行います。一方、接続性はIEEE 802.11(Wi-Fi)/802.15 (Bluetooth, ZigBee, UWB⁶)に代表されます。誰でも使用できる産業科学医療(ISM)の帯域幅を利用します。接続性は、屋内のローカル電気通信規格に準拠しており、すべての人にサービスを提供します。

「セルラーネットワーク」は、モビリティを基盤としたインフラを備えたサービスであり、主に広域をカバーするネットワークを構築して運用されています。一方、「接続性」は、事業者が構築するインフラネットワークを利用せず、近距離の機器同士を無線で接続するものです。これにより、ワイヤレスで持ち運びが可能になります。特に、Wi-Fiは比較的長い距離、特に屋内ではセルラーネットワークよりも確実に高速な転送速度を誇っています。これが、Wi-Fiが携帯電話、ラップトップなどの接続に幅広く使用されている理由です。ピアツーピア(P2P)と同様に、Wi-Fiは、必要に応じて高速転送を促進できる選択的かつ集中的な通信に適しています。このため、拡張現実(AR)や仮想現実(VR)デバイスなどの次世代IoTデバイスに、より適したものになります。 今や、Wi-Fiのない生活は考えられません。わずか20年前は、Wi-Fiが最も一般的なワイヤレスデータ通信技術になるとは予想されていなかったことを忘れがちです。しかし、業界がスマートフォンベースのテクノロジーに拡大するにつれて、Wi-Fiが今日のデータトラフィックの急増に対応する最も効果的な方法であることが認識されるようになりました。セルラーネットワークと比較すると、セットアップと運用コストが低いため、現在でも指数関数的に成長しています。 インフラネットワークを使用するセルラーシステムとは異なり、Wi-Fiネットワークのデータリンク範囲は数百メートルまでしか拡張できないため、非常にローカルです。さらに、ライセンス不要の帯域幅を使用するため、他の通信システムからの干渉の影響を受ける可能性があり、高度なサービス品質(QoS)をサポートするにはリスクが伴います。⁷しかし、携帯電話とWi-Fiのコンバージェンステクノロジーが進歩するにつれて、ユーザー体験が中断されることなく大きな利便性が提供され続けています。世界中で、Wi-Fiが特定テクノロジーとして見られていたのは過去のことで、代わりに公共インフラストラクチャのように扱われています。 「さかのぼること2016年に、Wi-FiテクノロジーをExynosプロセッサに統合するために専任チームが設立されました。」と、Joonsuk Kim(執行副社長、コネクティビティ開発チーム)はいいます。Kim氏は、2016年にサムスン電子に入社、コネクティビティ開発チームが最初に設立されたときのチームリーダーでした。「わずか4～5年で、私たちは技術的な安定性と準備を整え、第6世代Wi-Fi(Wi-Fi 6)までのレガシープロトコルの開発を完了しました。十分な投資や才能はありませんでしたが、私たちの技術は短期間で追いつきました」と過去を振り返ります。

サムスン電子は現在、Wi-Fi 6Eおよび以前のすべてのWi-Fiプロトコルの開発と商品化に成功した後、ディスクリートモデムとして次世代のフラグシップをターゲットとするWi-Fi 7を開発しています。Wi-Fiは、最新のプロトコルをサポートするすべてのモバイルおよびIoTデバイスに接続を提供する必要があり、すべてのレガシープロトコルのパフォーマンスを改善および維持し、最新のプロトコルのパフォーマンスを同様に保護することが重要です。この最新のプロトコル、Wi-Fi 7は、2024年から市場に拡大される予定です。Wi-Fi 7は、マルチリンク操作(MLO),⁸、320MHzおよび4096QAMのチャネル帯域幅を誇っています。⁹これらの機能により、Wi-Fi 7は、データ転送速度の高速化、データ転送量の増加、電力効率の向上、ユーザーが多い環境でも、途切れないワイヤレスコネクティビティをサポートする能力などの利点があります。

Wi-Fiの転送速度をさらに高速化するためには、内部のプロセッサコアを現在よりも複雑にする必要があり、大容量の内部メモリが必要です。 「これを実現するために、マルチプロセッサ構造の研究開発と、高速転送に必要な知的財産の確保に引き続き注力しています」とKim氏はいいます。「これまで、他国の企業がWi-Fiソリューションの開発を主導してきました。しかし、ExynosのWi-Fiテクノロジーは、韓国で大規模に商用化されている唯一のWi-Fiソリューションです。当社のモバイルSoC向けの組み込みWi-Fiソリューションは誰にも負けないと確信しています」とKim氏はいいます。 これは重要です。なぜなら、最高のWi-Fiこそがお客様が望むものだからです。まだWi-Fiの高度な技術の凄さは広く理解されてはいませんが、高速でシームレスなWi-Fiにどこでもアクセスできることが期待されています。 Kim氏は「携帯電話会社の活発なマーケティング活動で、携帯電話が主要な機能として宣伝されているおかげで、多くのユーザーがLTEや5Gなどのセルラーネットワークの革命を先進技術として認識しています」といいます。「しかし、対照的に、人々はWi-Fiテクノロジーがどれほど急速に進化しているかは認識していないようです。」

しかし、Wi-Fiの役割が今後も重要かという質問に対し、Kim氏は断固たる態度を示しました。 「最近、Wi-Fi経由で送信されるデータは、ワイヤレスデータトラフィック全体の70～80%¹⁰を占めています」と彼はいいます。「セルラーネットワークと接続性テクノロジーは、さまざまな使用環境やシナリオを追求していますのですぐには変わらないでしょうが、Wi-Fiテクノロジーとセルラーテクノロジーは、相互に補完し合いながら共に進歩する必要があります。私たちの生活において情報技術(IT)の役割がますます重要になるにつれて、デッドゾーンを最小限に抑え、屋内での安定した接続性と高速データサービスを提供する機能は、Wi-Fiテクノロジーにとって非常に重要になります。」

拡張現実(AR)、仮想現実(VR)、メタバースなどの未来のテクノロジーを十分に活用するには高速で低遅延が不可欠です。 「Wi-Fiは2.4GHz、5GHz、6GHzなどの低周波帯域幅を使用します」とKim氏は説明しました。「回折は比較的高く、これにより高速で安定したデータ転送が可能になります」 320MHzの周波数が使用可能になり、6GHzの帯域幅が利用できるようになったことで、超高速で低遅延のデバイス間の接続が当初の予想よりもさらに高速になる可能性があります。Kim氏は、このプロセスにおけるWi-Fiの進歩の役割を強調しました。同時に、接続性開発チームは最新仕様(BT5.2)のBluetoothとGNSSを開発し製品化し、L5衛星とセンサー補正技術を応用した高性能測位、最近では数センチ以内の精度で屋内測位を採用することで、Flagshipへの参入に成功しました。Kim氏は、計測用に開発され、最初の商用利用を準備しているUWB技術を組み合わせることができれば、将来多くのハイスペックなIoTサービスやアプリケーションで強力な力を発揮できると説明しました。 「弊社の最新製品が市場標準をリードするようにサポートし、今後の競争力と持続可能性を確保し、安定性と互換性が十分達成されるために、私は個人的に、ワイヤレスアクセスポイント¹¹を実装し、関連する製品市場に参入することを望んでいます」とKim氏はいいます。 スマートフォンのプライバシーの保護：個別のセキュリティ運用環境(iSE)を強化するセキュリティ

現在、スマートフォンは多くの役割を果たしています。なかでも特に重要な2つの役割は、身分証明と財布です。たとえば、生体認証、モバイルID(eID)、Samsung Payなどがあります。これらのサービスではくの場合、ユーザーが身元を確認する必要があり、常にユーザー確認の過程でハッキングが発生する可能性があります。そのため、ソフトウェアレベルを超えたセキュリティレベルが求められています。つまり、ハードウェアレベルで、さらには半導体レベルでのセキュリティが求められているのです。 スマートフォンでセキュリティを提供する半導体は、セキュアエレメント(SE)半導体と呼ばれます。SoCの外部に別の組み込みセキュアエレメント(eSE)がありますが、Exynos2020では、SoCのセキュリティブロックに統合セキュアエレメント(iSE)が組み込まれています。 「Exynosに組み込まれたiSEに焦点を当てたプロジェクト名は、Secure Tamper-Resistant of Next Generationの略である『STRONG』です」と、Jongwoo Lee(副社長、デザインプラットフォーム開発チーム)はいいます。「iSEは、セキュリティプログラムを運用するSoCの独立した環境です。iSEは、外部に個別に組み込むことができるeSEの役割を果たすだけでなく、SoCのセキュリティも制御できます。高度な処理により高性能を誇り、DRAMやフラッシュなど外部メモリへの安全な拡張も可能です。これら多くの役割をさらに進め、アクティブなセキュリティモジュールでSoCの保護ができます。」

iSEは、デバイスセキュリティおよびセキュリティサービスに使用されます。デバイスセキュリティは、デバイス自体のセキュリティの強化に重点を置いており、セキュリティサービスは、モバイルID、支払い、車のキーなど、モバイルデバイスに保持されているユーザーの情報に重点を置いています。 「今年のはじめに、私たちはPoC(概念実証)を完了し、iSEの使用に最適なサービスであるiSIM、¹²の開発に成功しました」とLee氏はいいます。「これは、iSE Secure OS(Camelia)を担うサムスン電子リサーチと、iSIM Secure Applicationの開発を担当するデジタルセキュリティ企業、Thalesとの緊密な協力の結果です。」 iSIMは組み込みSIM(eSIM)のアップグレードバージョンであり、SIMの機能をSoCに統合します。これによりSIMカードを変更せずに携帯キャリアを変更でき、一度に2つ以上の電話番号を持ち、1つのデバイスでさまざまな携帯キャリアサービスを利用できるのでユーザーにとって便利です。スマートフォンメーカーの観点からはiSIMにはSIMカードスロットがなく、部品に必要なスペースを削減できるという利点もあります。iSIMは、個別のeSIMの場合と同様に別途の半導体なくSoCで動作できます。

開発者がiSIMを埋め込むための技術環境要件を満たすことは極めてむずかしいですが、これがiSIMの開発を非常に重要なものにしています。 「iSIMはグローバル・システム・フォー・モバイル・コミュニケーションズ(GSMA)の要件を満たす必要があります」とLee氏はいいます。「つまりiSIMをOSソフトウェアおよびハードウェア上に特定のセキュリティレベル、CC EAL4+と呼ばれるレベル、一定以上のセキュリティより上に埋め込むことを意味します。¹³ただし、このガイドラインよりも1レベル高いレベルで動作するハードウェアがあります。CC EAL5+ また、大きなSIMプロファイルを埋め込むことができる安全な外部メモリもあります。」

Lee氏は「eSIMとiSIMの基盤となるeSEとiSEの双方を提供できるのは弊社だけです」と続けます。「よって、スマートフォンメーカーが簡単かつ柔軟に採用できるソリューションを提供できるのです。個人的には、セキュリティの分野に『完璧』というものはないと思っていますが、技術的に可能な限り完璧に近づくために懸命に取り組んでいます。私たちのチームは、さまざまなプラットフォームが提供するさまざまなセキュリティ機能に対応できる高レベルのセキュリティ運用環境を提供するために、絶え間ない努力を続けていきます。」

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_{¹ デジタル通信：アナログ信号をデジタル信号に変換して相手に送信し、ヒトが認識できるアナログ信号に戻す方式。アナログ通信に比べて高品質で大容量の通信が可能です。 ² モバイルブロードバンド：スマートフォンやタブレットPCなどのモバイル機器に高速マルチメディアインターネットサービスを提供する技術。 ³ 新しいラジオ(NR)：第5世代モバイル通信技術。Sub-6 GHzとmmWave(mmWave、24～100GHz帯の高周波帯)で構成されます。mmWaveには、超高速、超低遅延、超接続性という利点がありますが、回折が不十分であるという欠点があります。 ⁴ 米国電気電子学会(IEEE)：米国の電気および電子技術者の団体で、世界最大の技術組織。 ⁵ 第3世代パートナーシッププロジェクト(3GPP)：GSM, WCDMA, GPRS, LTEなどの無線通信に関する国際規格を策定するために1998年12月に設立された移動通信標準化技術協力団体 ⁶ 超広帯域(UWB)：最大送信電力を-41.3dBm/MHz以下に下げて他の無線を妨害しないようにする技術。ただし、広い帯域幅(500MHz)を使用して、比較的高いデータレートを実現する。 ⁷ サービス品質(QoS)：ネットワーク上で、通信サービスの品質、遅延時間、データ損失率が一定以下であると保証することを指します。また、事前に合意または定義された通信サービスレベルを指します。つまり、帯域幅や優先度などのネットワークリソースを割り当てて、さまざまなアプリケーションの転送需要を特定のネットワークリソースに対しインテリジェントに一致させ、目的地にデータを迅速に、一定の速度で、そして確実に送信するさまざまな技術の総称。 ⁸ マルチリンク操作(MLO)：周波数帯域幅の異なる複数のチャンネルを同時に運用する技術。 ⁹ 4096 QAM(直交振幅変調)：同相搬送波信号と直交位相搬送波信号の振幅と位相をずらして調整し、データを伝送する変調方式。狭い転送帯域幅で大量のデータを転送する必要がある場合に有利。 4096 QAMでシンボルあたり12ビット ¹⁰ 出典：<Cisco VNIは2022年に向けて明るいWi-Fiの未来を予測> 2019年2月22日 ¹¹ ワイヤレスアクセスポイント：無線LANにおける基地局の役割を果たす低消費電力無線デバイス。Wi-Fiエクステンダー、Wi-Fiアンプ、またはワイヤレスエクステンダーとも呼ばれます。 ¹² iSIM(統合 SIM)：組み込み加入者識別モジュール。ieUICC(統合組み込みユニバーサル集積回路カード)ともいいます ¹³ 共通基準評価保証レベル(CC EAL)：コモンクライテリア(CC)は、IT製品および特定のWebサイトのセキュリティを評価するための国際標準。評価保証レベル(EAL)は、評価保証に割り当てられる等級。}