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    技術文章:5G基礎設施和對端到端可編程性的需求

    2020-02-07 18:15:53  來源:芯師爺

    摘要:展望未來十年,隨著5G的出現,無線基礎設施將變得更加普遍,甚至與我們日常生活的方方面面完全融為一體。
    關鍵詞: 基礎設施
    展望未來十年,隨著5G的出現,無線基礎設施將變得更加普遍,甚至與我們日常生活的方方面面完全融為一體。 5G延續了先前蜂窩標準(在驅動帶寬方面)的模式,但也將其擴展到更多設備和使用模式。本文考慮如何通過具有高性能CPU子系統和包括FPGA可重編程加速硬件處理單元的SoC架構來成功應對5G的獨特需求。(以下文章來自Achronix公司A.Sanghavi投稿,感謝分享!)
     
     

    一、引言

     

     

    我們目前處于蜂窩連接的轉型時期,未來無處不在的無線連接正在興起。在全球范圍內,2G、3G和4G的成功推動手機使用量達到了令人難以置信的75億部。令人震驚的是,這使得移動設備的數量比全球人口還要多。或許更具影響力的是,蜂窩連接對那些之前被數字化剝奪權利的人產生的影響;例如,2016年撒哈拉以南非洲地區每100人通常有1部固定電話,但有74臺移動連接設備。

     

    展望未來十年,隨著5G的出現,無線基礎設施將變得更加普遍,甚至與我們日常生活的方方面面完全融為一體。5G延續了先前蜂窩標準(在驅動帶寬方面)的模式,但也將其擴展到更多設備和使用模式。

     

    主要趨勢包括:

     

    1.對增強型移動寬帶(eMBB)和其他應用的帶寬增加需求,特別是以10倍現有吞吐量或者更高速率驅動的瞬時可用帶寬。

     

    a. 這將是5G標準化帶來的首波驅動力,其中3GPP已于2017年完成非獨立(即LTE輔助)新無線電(NR),2018年可提供5G獨立版,如圖1所示。

     

    b. 5G的部署也將根據頻段情況分階段進行,首先部署6GHz以下,然后是毫米波(mmWave)頻率的連續頻段,以便在稍后階段支持關鍵eMBB應用。

     

     

    2.隨著物聯網(IoT)蜂窩網絡連接的到來而連接到大量的設備。預計到2020年將有500億臺蜂窩網絡連接的設備。這些需求當中的一部分可以通過現有標準滿足,同時也要靠Release16版本中海量機器類通信(mMTC)的現有規范去實現了。

     

    3.新的應用模式也在不斷涌現,這對移動設備及其蜂窩無線基礎設施提出了新的要求。示例包括:

     

    a.用于連接多個電池供電物聯網端點的低帶寬、低功耗的要求,以實現mMTC相關的連接和監控;

     

    b.用于車輛到車輛和車輛到基礎設施的連接(C-V2X)高可靠性、低延遲蜂窩網絡,以補充現有的V2X解決方案

     

    c.為遠程手術和增強/虛擬現實等新興應用提供的高可靠性、低延遲支持

     

    后兩類應用將通過即將推出的3GPP超可靠、低延遲連接(URLLC)標準來解決。

     

    4.對邊緣分析和移動邊緣計算(MEC)的新需求。計算重心正在從以前估計的將數據發送到集中式計算資源進行處理,轉變為移到位于數據生成原點附近的分布式計算資源的新范例。造成這種轉變的原因是多方面的:新興應用嚴格的延遲要求、越來越龐大的數據量,以及優化稀缺網絡資源的愿望等等許多方面。

     

     

    二、基帶

     

     

    在本文中,我們考慮如何通過具有高性能CPU子系統和包括FPGA可重編程加速硬件處理單元的SoC架構來成功應對5G的獨特需求。

     

    基帶從網絡接口(例如以太網)獲取數據,并將其轉換為通過前傳(Fronthaul)接口傳輸到射頻前端進行傳入/傳出的復雜樣本。以下高級原理圖包括用于LTE下行鏈路的發送器(圖2a),以及用于上行鏈路的接收器(圖2b)。

     

     

     

    三、基帶L1處理的案例研究

     

     

    在這里,我們舉例說明如何將基帶處理(尤其是Layer-1層)映射到關鍵處理元器件上,如處理器子系統、CPU和DSP內核,以及固定和靈活的硬件加速,如圖3所示。

     

    3.1. 前傳(天線接口)連接

     

    除了前面描述的處理元器件之外,還有一個靈活的天線接口功能模塊:這是連接基帶和射頻單元所需的元件。傳統上,這是通用公共無線電接口(CPRI),有時是開放式基站架構計劃(OBSAI)兼容的部分。

     

    然而,越來越多的方案在轉向指定一個更靈活的前傳接口,以允許基帶和RF前端之間的不同映射(如圖4所示)。IEEE對下一代前傳接口NGFI(IEEE1914)進行了持續的跟進,包括用于基于分組的前傳傳輸網絡標準IEEE1914.1和以太網無線電(RoE)包封和映射標準IEEE1914.1。同時,還有其他行業項目指定了5G前傳接口并可共享,例如eCPRI。

     

    鑒于前傳接口面臨的各種規范、標準和要求,FPGA很適合其應用,并通常用于支持此接口,如圖3所示。

     

    3.2. 可加速5G上市時間的分立結構

     

    圖4將5G所需的處理元器件映射為具有獨立器件的分立式架構,包括CPUSoC、輔助FPGA加速和天線接口。此配置反映了在可以提供經過優化的5G專用集成電路(ASIC)之前,可以在5G原型設計和早期量產中部署的實施方案。

     

    ·  CPU系統級芯片里面包括:Arm處理器組合以及用于Layer-1處理和硬化加速器的DSP內核,用于固定的、明確定義的功能。

     

    o   在此示例中,假設現有的4GASIC SoC可用,因此具有通用加速(例如MACSEC)以及LTE特定加速:前向糾錯(特別是turbo編解碼器)、快速傅立葉變換和離散傅里葉變換,以在上行鏈路上支持SC-FDMA。

     

    ·  靈活的天線接口

     

    o   如前所述,前傳天線接口非常適合用FPGA來實現。這是在線配置的,數據從射頻單元發出(在上行鏈路上),然后是被轉換為諸如以太網等具有標準連接的協議。

     

    ·   硬件加速FPGA

     

    o   輔助加速FPGA實現了在基帶SoC上不可提供的所有必要的計算密集型功能。這可以是5G特定的功能或先前未曾規劃的功能。

     

    o   在此處顯示的示例中,使用了CCIX互連。該標準允許基于不同指令集架構的處理器將緩存一致性、對等處理的優勢擴展到包括FPGA和定制ASIC在內的多種加速器件上。

     

    3.3. 基于Chiplet的5G實現

     

    圖5顯示了與圖4所示類似的架構,但是使用了基于系統級封裝芯片(chiplet)的方法進行了重新配置。在這種情況下,一個采用了更高帶寬、更低延遲和更低功耗的接口將CPUSoC片芯晶粒與輔助硬件加速chiplet芯片連接起來。支持前傳連接到射頻單元的FPGA器件在該示例中可以但并不是封裝集成在其中的;但實際上,如果有足夠的資源,它可以是與硬件加速chiplet芯片相同的chiplet器件。

     

    用于封裝集成的兩種主要技術是使用硅中介層或有機基板,以及某種形式的超短距離(USR)收發器。

     

    3.4.完全集成的5G實現方式

     

    最后,圖6展示了本文考慮的最終、最高集成度的基帶架構。該方法包括與先前相同的處理元件,具有相同的功能,但嵌入式FPGA(eFPGA)集成在了芯片內。

     

     

    這種緊密集成的單片集成方法具有許多優點。與基于chiplet的方法相比,該接口具有更高的帶寬、更低的延遲和更低的每比特能耗。此外,資源組合可以根據所考慮的特定應用進行定制,因此避免了不需要的接口、存儲器和核心邏輯單元。這樣可以實現以上所考慮的三種架構中最低單位成本。

     

    如前所述,現在的主要目標是提供更快的上市時間、更高靈活性和未來可用性。之所以能加快了上市時間,是因為SoC可以提前流片,因為可以針對eFPGA進行后期修改(例如5G標準中Polar碼的出現)而不是完成即固定的ASIC。來自新算法或者未預計算法(例如新的加密標準)的靈活性可以通過嵌入式可編程邏輯而不是軟件或外部FPGA來解決。最后,未來可用性可以延長SoC的生命周期,因為諸如URLLC和mMTC等新標準等大批量新興需求可以通過現有產品解決,而不需要進行新的開發。

     

     

    總結

     

     

    CPU和可編程加速(嵌入式或獨立FPGA)的緊密耦合,使開發人員能夠去創建可以一個應用于多個不同市場的平臺產品。這增加了特定產品的市場適用性并提高了開發投資回報。這甚至可以在流片后再對市場進行定位(或重新定位),即最大化的可編程性所提供的內在靈活性可支持相當大的創新空間。

     

    或許從5G的角度來看更為重要的是,高度可編程的解決方案可以加快產品上市速度。例如,在標準最終確定之前,不再需要推遲SoC的流片時間,后續改變的需求可以在軟件或可編程硬件中實現。這對于早期5G部署所面臨并在不斷增加的壓力,以及應對新標準的不斷涌現,這是一個突出優勢。

     

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    責編:chenjian
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