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八个关键点看懂5G无线基础设施的故障安全要求

如果你一直关注5G新闻,你知道它可以显着增加带宽,高达10Gbps。此外,它的系统延迟小于1毫秒,明显低于现有网络。 5G将在工业物联网,车辆间通信和互联边缘计算领域实施许多新的应用。除了高带宽和超低延迟之外,这些应用还需要两个不太重要的附加功能:99.99x%可靠性和24x7可用性。本文讨论无线基础结构应用程序中NOR闪存的重要选择标准。

技术

现场可编程门阵列(FPGA)和互补片上系统(SoC)用于各种无线基础设施应用,以在压缩的产品上市时间内响应不断变化的市场标准。每次引导系统时都需要配置FPGA和SoC。 FPGA和SoC可以配置各种类型的存储器,例如Flash,eMMC,非管理型NAND和SD卡。与NAND闪存(托管或非托管)和SD卡不同,NOR闪存在初始响应和启动时提供高可靠性和低延迟,同时在市场上保持10年或更长时间。

此外,MirrorBit技术的进步(每个存储器单元两位)支持比浮栅技术更大的密度缩放。更高的密度使单芯片1Gb和更高密度的NOR闪存产品可用于5G无线基础设施。由于这些特性,NOR闪存已广泛用于无线基础设施应用,以配置FPGA和SoC以快速可靠地启动这些器件。

图1:5G系统的示意图。 64x64天线阵列增加了天线和数字前端之间的数据传输,对接入单元(AU)和云单元(CU)提出了更高的处理要求。

密度

5G可以使用6 GHz以下的频段和28 GHz的频段。这些载波频率远高于典型的4G LTE频率。尽管随着频率的增加,较高的载波频率可能支持更多的信道,但传播会变得更糟。在这些频率下,由于自由空气衰减和信号无法穿透固体,连接局限于短程视线。

因此,收发器将不得不依赖诸如波束成形之类的技术。波束成形提供相长干涉以增强接收端的信号,但是小区必须更紧密地连接在一起。 MIMO天线及其RF前端是实现5G接入单元的关键。对于基站,天线可以是64×64阵列。 64x64 MIMO将突发(天线和数字前端之间的连接)带宽要求。访问单元中使用的FPGA/SoC必须具有比4G LTE数字单元中使用的更多逻辑组件(更高密度),更高DSP能力和更多收发器。这些增加的需求将导致更大的配置映像,需要更高密度的单片NOR闪存来配置FPGA/SoC。对于5G接入单元,此密度范围为512Mb至2Gb。

接口

FPGA和SoC可以通过两种不同的接口类型(并行和串行)配置/启动闪存。虽然并行接口支持更快的读写时间,但接口需要过多的IO。例如,考虑将1Gb并行NOR闪存连接到FPGA接口,要求IO为49.但随着密度的每次增加(2G,4G,8G等),引脚数量增加1。

NOR Flash串行接口基于控制器上的公共SPI接口。它使用SPI(1位),双SPI(2位),四SPI或Q-SPI(4位)或甚至八进制SPI(8位)接口。工程师正在从并行接口迁移到用于新系统设计的串行接口。串行接口减少了存储器和SoC中的引脚数量并缩小了PCB,从而降低了成本和尺寸。 Octal SPI和HyperBus接口现在可提供高达400MB /秒的性能,可与并行接口相媲美。请注意,尽管最近发布的Xilinx Versal FPGA支持Octal SPI和Q-SPI接口,但14nm及更高的FPGA/SoC仅支持Q-SPI接口。

电压

除并行接口和串行接口外,接口的电压要求也是一个重要的选择标准。今天,5G的FPGA/SoC将采用最先进的工艺节点开发,这将降低3V的I/O支持,从而提高IC的可靠性和性能。市场上大多数闪存都是3V元件(这意味着它们需要在2.7V至3.6V的电压下工作)。最新的FPGA/SoC需要1.8V NOR闪存组件(这些组件需要在1.7V至2.0V的电压范围内工作)。随着FPGA和其他控制器继续向更小的外形尺寸和电源电压发展,1.2V NOR闪存组件现在将可用。虽然大多数NOR闪存组件只需要一个电源电压,但1.2V组件需要两个不同的电源。一个用于核心,一个用于IO(输入和输出的高和低条件参考VIO定义)。将VIO与VCC分离可为系统设计人员提供更大的灵活性,但需要额外的功率。

市场上几乎所有1.2V NOR闪存都针对消费类应用。与5G无线基础设施应用的需求相比,消费类应用具有固有的低密度,因此不适合在这些应用中配置FPGA。由于可用的密度选项和对FPGA中1.8V IO的广泛支持,1.8V NOR闪存仍然是最适合配置各种FPGA或为无线基础设施应用启动SoC的NOR闪存。

额定温度和低功耗模式

无线基础设施设备,尤其是诸如无线电和小型蜂窝的数字前端,通常安装在室外并面临极端的环境挑战。更糟糕的是,系统设计人员在5G中使用的组件上安装散热器和风扇的能力可能会受到限制。因此,设计人员通常选择高于工业温度(-40°C至+ 105°C)的NOR闪存组件,以承受恶劣的环境条件,提供额外的功率消耗保护带,并确保在这些高温下启动和运行。

深度节能和待机模式

NOR闪存组件通常在FPGA/SoC配置周期之间空闲。某些NOR闪存组件具有深度节能和待机模式,可通过在配置后将NOR闪存组件置于低功耗状态来帮助降低功耗。

耐用性和数据保留

NOR Flash针对可靠性和性能进行了优化,而非成本(与NAND闪存和SD卡等面向消费者的技术不同)。该技术使用相对较大的存储单元来提供高耐久性和长数据保留。我们发现具有100K编程/擦除(P/E)循环耐久性和长达10年的数据保留的产品并不令人惊讶。请注意,人们通常不关心此类应用程序的持久性,因为Flash只能写入少量次数。如果我们只考虑将配置映像存储在Flash中,则情况确实如此。此外,一些设计人员使用Flash来缓存事务数据和系统错误日志。在此使用方案中,系统日志每隔几分钟在Flash中更新一次。因此,8至10年寿命期间的P/E循环总数可超过最大耐久性规格而没有损失平衡。

市场上的新产品使工程师能够通过提供高达1M P/E循环耐久性或25年的数据保留选项来优化耐用性和数据保留之间的平衡。这些更高可靠性的产品有时会进行详细的故障模式影响分析,帮助设计人员设计系统,以满足或超越5G规范的超高可靠性和可用性要求。例如,赛普拉斯提供各种功能安全文档,包括设备安全手册和详细的安全分析报告,记录产品安全架构和假设使用情况,总FIT率,FMEDA结果,完整的安全分析和封锁级别。安全机制和诊断范围(参见NOR Flash汽车和功能安全)。

安全功能

最近有一篇关于对全球电信公司进行长期大规模攻击的新闻报道。安全研究公司Cybereason表示,攻击者泄露了攻击中的呼叫数据记录,但他们已经控制了网络,甚至可以将其关闭。由于这样的事件,人们越来越关注无线基础设施设备的保护。保护这些系统的最简单方法是通过部署安全启动和访问控制流来保护配置映像/启动代码。为了响应对保护嵌入式系统日益增长的兴趣,NOR闪存供应商已开始开发具有内置安全功能的产品,例如基于公钥基础设施的身份验证和访问控制以及安全启动。这些功能增加了额外的措施,以确保专有IP的安全性,防止篡改配置映像/启动代码,并确保网络持续可用。

在存储FPGA配置映像和SoC启动代码时,NOR Flash比NAND和SD卡更受欢迎。 5G无线基础设施应用需要1Gb或更高密度,1.8V Q-SPI或Octal SPI,并且高于工业温度NOR闪存,以配置或引导系统中使用的FPGA和/或SoC。随着设计人员开始研究5G无线基础设施产品,人们越来越关注故障安全操作,以满足电子健康,工业物联网(IIoT)和自动驾驶汽车等应用的需求。闪存供应商现在正在推出提供功能安全和安全启动机制的产品。这些功能使设计人员能够将系统级安全和安全功能的一些处理卸载到内存中。此外,可用配件有助于实现这些功能并缩短产品上市时间。最终,选择合适的内存将有助于确保产品的成功。