לוגיקה יעילה בעידן 5G

הגזע הגלובלי לפרוס את רשתות 5G ביצועים גבוהים, ביצועים גבוהים הפך את יסודות סיליקון כוח תחנות בסיס, מרכזי נתונים, ונקודות קצה נודות, בעוד תשומת לב ציבורית מתמקדת בפרסומות סמארטפונים וספקטרום נושא, מהנדסי רשת מכירים בכך שעיבוד שכבתי פיזי וחבילת טיפול בתוך רשת הגישה רדיו פתוח (RAN) דורש שילוב ייחודי של שקיפות נמוכה, מקבילות מסיבית, ויכולת להסתגל לתקני אחסון 18RIRIC לאחר התרחבות זה.

בעוד המפעילים דוחקים לעבר פריסות 5G Standalone (SA) ולחקור 5G-מתקדמים, הדרישות לעיבוד בסיס פס גדלות באופן אקספונציאלי.נושא הצטברות על פני להקות מרובות, תצורה גבוהה יותר של MIMO, ותקציבי שקיפות נוקשים יותר עבור יישומי ה-URL תעשייתית דורשות חומרה שניתן להתאים באופן ישיר ל-FPGAs לספק בדיוק את היכולות האלה.

הבנת אדריכלות FPGA

FPGA הוא מעגל משולב הכולל מערך של בלוקים לוגיים ניתנים להגדרה, חסום RAM, עיבוד אותות דיגיטליים (DSP) פרוסות, וחיבורים בין-מתוכנתים. משתמשים מגדירים את המעגל החומרה באמצעות שפה תיאור חומרה כגון VHDL או Verilog, ואת התצורה bitstream טעון לתוך המכשיר מגדיר את ההתנהגות של כל שולחן המראה, flop, ו- routing נתיב זה שונה באופן ישיר של מעבדים פנימיים, לעתים קרובות.

מכשירים מודרניים מ- AMD (Xilinx) ו- Intel (לשעבר אלטרה) התפתחו הרבה מעבר ללוגיקה פשוטה של דבק.הם משלבים יחידות מרובות-gigabit transceivers, PCIe Gen5 או CXL ממשקים, ומנועי AI ייעודיים.זה גישה חד פעמית מאוד מאפשר שבב יחיד לטפל במשימות מגוונות כמו מסיבי MIMO, LDPC decoding, ו-Ricial מערכת אבטחה של CUTGout.

מדוע 5G זקוק ליותר מסיליקון מסורתי

ההבטחה של 5G -enhanced Mobile Broadband (eMBB), Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC), ו- מכונות מסיביות מסוג תקשורת (mTC) - מציבה דרישות סותרות ברשת. תחנת בסיס אחת עשויה להיות צריכה לעבד 100 MHz של נושאת רוחב פס עם 256-QAM Modulation תוך מתן במקביל של אלפי מפגשים מסורתיים ואספקת תת- 1 ל- 30 שניות עבור בקרת יעילות פיזית, אך לעיתים קרובות, אך לא יכולה לשלב ספקטרום יעיל של ספקטרום של ספקטרום CPU.

FPGAs תופסת מקום מתוק ייחודי, המציע את היכולת דמוי התוכנה לעדכן את הנתוניםפט החומרה תוך מתן יעילות כוח ולוחץ מתקרב לרמות ASIC. מודל זה תכליתי תכליתי הפך אותם אבן הפינה של רבים ראשוניות 5G פריסות. המקרה העסקי לאימוץ FPGA בתוך 5G תשתית גמישה יותר ויותר עלות כוללת של בעלות. בעוד ASIC עשוי להציע יחידת חומרה נמוכה יותר בנפחים קיצוניים, ללא טיפול מוקדם של 18G, כמו גם תכונות קבועות לטווח ארוך יותר ויותר, כמו גם על בסיס קבוע של 3G.

עמוק עמוק לתוך תפקידים FPGA ברחבי הRAN

עיבוד MIMO ו- Beamforming

מספר רב של פריטים מרובים (MIMO) מערךים עם 64T64R (64 משדר ו-64 מקבל רכיבי אנטנה) לייצר עומסי עיבוד אותות דיגיטליים עצומים.קלורינג מראש של מזחלות לכל תת-קרר בזמן אמת כרוך בכפלי מאטריקס מורכבים ו- decompositions.FPGAs מצטיין בתחום זה, כי הם לא מתקינים חישובים אלה ברחבי הבד, עשרות של עיבוד נתונים מהירים של בלוקים של מחזורי DCCD2, המאפשרים בלחץ של קבצים קשיחים של כל מחזורי תיבות של CD.

המקבילה ברמת החומרה מאפשרת למפעילים לנווט דינמי כלפי משתמשים, לשפר את קצב דרך הפלט ואת יעילות ספקטרלית. ניסויים שדה הוכיחו כי FPGA-accelerated beamforming את החציוני על ידי 30-40% בסביבות עירוניות צפופות בהשוואה לאסטרטגיות תת-אופטימיות. FPGA יכול גם להתאים משקולות על בסיס חד-משמעי, מעקב מהיר כגון תרחישים של תקשורת גבוהה או מהירות.

תיקון שגיאות (FEC)

5G הציג קודים נמוכים-Density Parity-Check (LDPC) עבור ערוצי נתונים וקודי Polar עבור ערוצי בקרה.קביעת הקודים האלה בשיעורי נתונים רב-Gbps הוא מאוד compute-intensive. An FPGA יכול להיות מוגדר עם יחידות קודמות מקבילות ביותר אשר מיישמות אלגוריתמים של קוד-קוד אמונה ישירות בלוגיקה, ומספקת באמצעות תוכנה זו על גבי שכבת קידוד של מקבילה על גבי מקבילה של RMC2 לא יכולה לפעול באופן טבעי עם מקבילה של מקבילה של קידוד 10.

על ידי הסרת LDPC קידוד ל-FPGA, צריכת הכוח הכוללת של יחידת הבסיס טיפות באופן משמעותי תוך הבטחת תקציב השקיפות.קוד Polar coder עבור ערוצי בקרה, באמצעות אלגוריתמים רשימת ביטול מוצלח, גם הטבות יישום FPGA.היכולת לצנרת את תהליך ההאצה ולבצע מספר חיפושים במקביל הופכת את FPGAs המועדפת על השליטה של 5G decoding מטוסים אלה.

Fronthaul Interface הסתגלות ו- eCPRI רוסטינג

הממשק בין יחידת רדיו (RU) לבין יחידת ה- Distributed (DU), סטנדרטי כמו משופר רדיו לוח זמנים ציבורי משותף (eCPRI), דורש קישוריות מהירה ותזמון החבילה המדויקת.FPGAs עם סרDes Transceivers ב 25 Gbps או 50 Gbps יכול לסיים מספר קישורים eCPRI, לחלץ דגימות IQ ולסלול אותם לשרשרת עיבוד pH נמוך מאפשר COPC2 סטנדרטית של מעבדים של ציוד עיבוד (C2) FP2 (CRM) כדי ליישם את דרישות עיבוד משופרות סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים של ציוד עיבוד משופרים של ציוד עיבוד FP2.

מכיוון ש-FPGAs הם reprogrammable, מפעילי רשת יכולים לעבור בין אפשרויות מפולגת שונות (כגון פיצול 7.2x או פיצול 8) ללא החלפת חומרה, תוך שילוב תיק המגוון של ספקי רדיו במערכת אקולוגית פתוחה RAN. גמישות זו היא בלתי נסבלת בפריסה רב-דור שבו יחידות רדיו שונות עשויות להשתמש באפשרויות מפוצלות שונות.

עזרה בזמן אמת MAC

לוח הזמנים של בקרת גישה בינונית (MAC) מחליט כל מילימטרים שמשתמשים מקבלים משאבים שבהם חוסמי משאבים פיזיים. יישומי תוכנה טהורה יכולים להציג זמינות עקב לוח זמנים של מערכת הפעלה, מפספסים, והתנהגויות אחרות שאינן קבועות. An FPGA מבוסס מאיץ חומרה יכול להציג מראש הקצאות מועמדים, לאמת אותם נגד מגבלות QoS, ולהציג רשימה קודמת לתוכנה, במיוחד ל- MacG לוח זמנים תזמון מהיר, במיוחד, עם פורמטים של לוח זמנים תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון מהיר, במיוחד, עם תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון קומפקטי, יכול לענות על ידי תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון תזמון

לוח הזמנים מסייע מאיץ בדרך כלל ליישם אלגוריתמים הוגנים יחסית בחומרה, המחשוב את המדד לכל משתמש בכל בלוקי משאבים במקביל.המרקה מעריך אלפי שילובים בלוקים של משתמשים בתוך משך זמן פנוי יחיד, המציג את המועמדים המובילים ללוח הזמנים של התוכנה עבור אימות סופי.זה מפחית את קצב ההחלטה של תזמון ממאות מיקרו-שניות לתחת 10 קיבולת מיקרו-שנית, 000 שניות חינם, גם עבור מחזורי משקל דינמי.

FPGAs in the 5G Core and Edge Network

הערך של לוגיקה ניתנת לתוכנה משתרע מעבר למגדל התא.ברשת הליבה של 5G, הפונקציה מטוס המשתמש (UPF) חייב לבצע סיווג החבילה, GTP-U encapsulation ו- QoS בשיעורים עד כמה מאות Gbps. בעוד UPFs מבוססי תוכנה שנבנה על DPDK יכול בקנה מידה, FPGA-NIC החכם יכול לטפל בכל נתיב זה, למעט נתונים עלות של CPU.

בקצה הנייד (MEC), מאיצים FPGA מאפשרים יישומים compute-intensive - ניתוח וידאו בזמן אמת, מציאות מוגברת, או ראיית מכונה תעשייתית - לרוץ עם שקיפות נמוכה מאוד. לוח FPGA ממוקם בשרת עומס 5G edge יכול לבצע זיהוי אובייקטים בהקצאה בקצה, למנוע זרמי וידאו גולמיים מהמסלולים האחוריים של רשת התיאום הזה הוא אפילו בתנאי FPGA מרכזי של פונקציות הפעלה.

דרישות פתוחות וחדשנות

המעבר אל ארכיטקטורות פתוחות, שזופות על ידי O-RAN Alliance, מחייב רכיבים בין-ספורים, רב-דור המחוברים על ממשקים סטנדרטיים. פלטפורמה מבוססת FPGA מאפשר למפעילים לא-טיפוס מהיר ולפרוס חדש של בקר חכם RAN (RIC) xApps ואלגוריתמים פיזיים פורצים ללא המתנה לספין-פיסה סטנדרטית של ASIC.

הפונקציה Network Virtualization (NFV) יוזמות ליהנות האצה מבוססת FPGA במקום להפעיל את כל 5G Layer 1 עיבוד על מעבדים למטרות כלליות, DU ענן יכול לזמר מאיצים FPGA כבריכת משאבים דינמי, בקנה מידה גבוה או למטה על בסיס עומסי תאים.זה גמישות, יחד עם הדטמנטליסטים באמצעות ה-FPGA, הופך אותו הרבה יותר קל לשילוב של מערכת הפעלה משולבת.

השוואת FPGAs, ASICs ו- GPUs ב 5G

זה להורות להשוות את אפשרויות סיליקון מפתח ליחידת בסיס 5G. ASICs מציעים את הכוח הנמוך ביותר ואת הציון הגבוה ביותר עבור פונקציות קבועות, מוגדר היטב.עם זאת, עלויות ההנדסה הלא-recurring יכולות לעלות על 50 מיליון דולר, באג חומרה או שינוי מאוחר התקנים יכול לעכב מוצר על ידי שנה או יותר. GPUs לספק ביצועים צפים מצוינים ומערכת אקולוגית בוגרת CUDA, אבל הם בדרך כלל יותר כדי לפתח משימות פיזיקליות פחות משכנעות.

FPGAs לספק קרקע בינונית: יעילות כוח מתקרב ASICs עבור עומסי עבודה מקבילים רבים, דטרמיניזם חומרה מלאה, ו in-field reprogrammability.זה עשה את FPGA הבחירה דה פקטו עבור גורמים סטנדרטיים מראש מזהמים ייצור מוקדם יותר, עם אדריכלות המעבר חלקה לתוך תפקיד מעבד משותף או כ כרכים גדל.

כוח יעילות ושיקולים

אתרי תחנת בסיס 5G עומדים בפני מגבלות תרמיות וכוח חמורות, במיוחד על גבי המגדל או תאים קטנים ברמה רחוב. משפחות FPGA בנוי על 7nm ו 6nm תהליך נושט שיפרו באופן דרמטי את משוואה הביצועים-per-וואט. על ידי שילוב בלוקים מיוחדים, קשיחים IP עבור פונקציות כמו FFT, IFFT, estimation ערוצים, ושווה, יצרנים מצמצם את השימוש בלוגיקה גנרית עבור לוגיקה מתקדמת עבור FPx2xnms.

בשילוב עם דחיסות מתח אדפטיבית והגדרה חלקית דינמי - המאפשר בלוקים לא בשימוש להיות מופעל לחלוטין - FPGAs מודרני יכול לפעול בתוך התקציב התרמי הקפדני 150-300W של אתר רדיו טיפוסי, אפילו תחת עומס. דינמי החלקה חלקית רזולוציה הוא בעל ערך במיוחד בתחנות בסיס 5G, כאשר התנועה משתנה באופן דרמטי.

אבטחה ואמון בבסיס

With growing concerns about network security, the FPGA offers a unique advantage: its configuration bitstream can be encrypted and authenticated, preventing unauthorized modification of the baseband hardware. This hardware root of trust is essential for protecting the radio from tampering and for securing secure boot processes in Open RAN equipment. Modern FPGAs support AES-256 bitstream encryption and SHA-3 authentication, ensuring that only authorized configuration data can be loaded into the device. This protects against physical attacks where an adversary might attempt to load a malicious bitstream that could intercept or manipulate radio traffic.

אותו FPGA יכול גם להיות טעון עם מאיצים קריפטוגרפיים באינטרנט כי צפינו ופענוח מטוס המשתמש 5G בקצב קו, הסרת המשימות האלה מהמעבד. כי אלגוריתמי האבטחה ניתן לעדכן בתחום, הרשת נשארת גמישה נגד זירות תזמון מופעלות על ידי תזמון מאובטח, יכולת כי ASIC נוקשה לא יכול להציע. FPGA יכול ליישם את החבילה המלאה של 5G פרוטוקולים אבטחה, כולל מוטציות אבטחה, כולל NAS, הגנה מפני אבטחה חזקה יותר, כמו גם NAS, הגנה מפני , הגנה מפני אבטחה מופעלת, הגנה מפני אבטחה חזקה יותר מאשר NASR.

ניהול שדה וטיפוח חיים

רשת 5G אינה ישות סטטית.תבניות הפחתת נושא, להקות תדר חדשות כמו mmWave, ותכונות כגון רשת לא-ארצית (NTN) יובאו בהדרגה.רשת שנבנה על חומרה מבוססת FPGA יכול לספוג שינויים אלה באמצעות עדכון תוכנה מרחוק כי reconforms יותר מאשר רק את הקוד המעבד - זה יכול לשנות את צינורות חומרה מאוד מאיץ זה.

בשילוב עם פלטפורמות ניהול O-RAN מרכזי, מפעיל יכול לגלגל אלגוריתם חדש נמוך-PHY פיצול על פני אלפי אתרי תאים בתוך מספר שעות, ללא משאית יחידה רול.ניהול מחזור החיים של תחנות בסיס מבוססות FPGA בדרך כלל כרוך באחסון תמונות מרובות bitstream בזיכרון פלאש, המאפשר ירידה בתצורה טובה אם עדכון נכשל.

מורכבות עיצוב ומוטיבציה

פיתוח עבור FPGAs באופן מסורתי דרש מהנדסי חומרה מומחים שוטים בעיצוב RTL. עם זאת, הנוף הכלים התבגר באופן משמעותי. סינתזה ברמה גבוהה (HLS) כלים מהספקים העיקריים מאפשרים C ו- C++ קוד כדי להיות מואסף ישירות לתוך לוגיקה FPGA, באופן משמעותי מוריד את המחסום עבור צוותי תוכנה. HLS מאפשר אלגוריתמים להיות מתואר ברמה גבוהה יותר של מיפוי, עם הכלי של פרטים מקבילים, במיוחד עבור עיבוד של 5G.

בנוסף, ספריות IP ספציפיות 5G עם ליבות טרום ייעוד עבור LDPC decoding, Polar decoding, DFT-spread של DM, ו- PRACH עיבוד מאפשרות לאדריכלים להרכיב צינור בסיס באמצעות גרור מוכר ו-drop IP Integrators.מערכת ההפעלה של Pre-int-DUs-RRAN-R-R-R-C-SoG-C-SoDLC-C-Reducation-So-Soft-SoC-Reducation-Reducation-C-C-Reducation-C-Reducation-C-So-Reducation-Reducation של אופטימיזציה של מעבדים מתקדמים-SoC-C-C-Reducation-Reducation-Reducation-Reducation-Reducated-Re-Re-So-R.

מקרה התעשייה בנקודת זמן: RFSoC ו- RF ישיר

אחד החידושים המשתנים ביותר עבור 5G הוא שילוב של מומרים אנלוגיים מהירים RF-to-דיגיטליים (ADCs) ו-דיגיטל-ל-אנטלוגים (DACs) ישירות על ספירת FPGA Die.המכשירים RFSoC של AMD מסירים את הצורך בממירי נתונים חיצוניים, ניתוק כוח לוח לוח, עלות, ומורכבות זו מאפשרת גישה רדיו מוגדרת ישירות ל-ICO-Firetexation 5G.

אדריכלות ישירה-RF היא (FLT:0) צמצום הפריסה של תשתיות סלולריות FLT:1 על פני GHz ו- mmWave להקות כאחד.מכשיר RF טיפוסי SoC משלב עד 16 ADC ו-16 ערוצי DAC הפועלים ב- Multi-GHz sampling Rate, עם FPGA בד המכיל מיליוני תאים לוגיים ואלפי פרוסות RF זה להפחית את רכיבי ה-64 להורדת יעילות גבוהה יותר של ייצור של cc-64-C.

הדרך Ahead: AI ו- Intelligent Acceleration

מצפה ל-5G-מתקדמים ו- 6G, למידת מכונה תוסיף יותר ויותר עיבוד אותות מסורתיים.ערוץ estimation, ניהול קרן וביטול ההתערבות הם כולם מועמדים לאלגוריתמים מבוססי AI. FPGAs הם בעלי יכולת גבוהה יותר ליישם אלגוריתמים אלה כמו תצורה, ירידה במשקל נמוך מאיץ'יינטציה של רשתות FPGA מתקדמות כוללים מנועים AI ייעודיות - עיבודים - אשר מאפשר חיזוי עצבי של רשתות Dexacted ו-D.

התצורה של חומרה פירושה כי כמו מודלים של AI לשפר לאורך זמן, מאיץ יכול להיות repurposed לחלוטין ללא החלפת לוחות, להבטיח כי תשתיות היום יכול להתפתח לרשת הקוגניטיבית של מחר.במסגרת זמן מתקדמת 5G, FPGA מבוסס תחנות בסיס יאפשר הקצאה דינמית משאבים ייצור בין אותות מסורתיים ו- AI האצה בהתבסס על תנאי תנועה והתאמה אישית זו, יאפשר שילוב של אסטרטגיות מחשוב עצמיות של אינטליגנציה עצמית, ואסטרטגיה מבוססת מחשוב עצמי.

מסקנה

ה-FPGA צמח כגורם יסוד בהתפתחות תשתיות 5G, לא משום שהוא האפשרות הזולה ביותר על בסיס אחיד, אלא משום שהוא פותר את הבעיות הרב-פניות של מהירות, עצלות, גמישות וחידושים, אשר קבוע-תפקודי אינו יכול.מיחידת רדיו למרכז הנתונים קצה, לוגיקה ניתנת לתוכנתית מאפשרת את העיבוד המקביל, ההסתגלות, ואת יכולת הגדלה של 5G עצמם לתכונות אבטחה מתקדמות של מוטציות- AI-ה-ה-ה-ה- .

בעוד התעשייה מחבקת את OpenRAN, מחשוב קצה ואופטימיזציה רשת מבוססת בינה מלאכותית, התפקיד של FPGA רק להעמיק - להפוך אותו מאיץ שימושי לתוך מאיץ מרכזי של הרשת המותקנת, מוגדרת תוכנה של העתיד.ההשקעות שנעשו ב-FPGA מבוסס 5G היום ישלמו דיבידנדים במשך שנים כדי להגיע, כמו פלטפורמות חומרה זהה כדי להתאים את 5G קדימה, ציוד לא רק עבור מערכת ההפעלה, רק, 000.