5G Döneminde programlanabilir Mantık

Küresel yarış, ubiquitous, yüksek performanslı 5G ağlarının silikon temel istasyonlarını, veri merkezlerini ve kenar düğümlerini dönüştürmüş olmasına rağmen, ağ mühendisleri radyo erişim ağının (RAN) içindeki fiziksel bir işleme ve paket işlemenin ultra-düşük gecikmeli bir mantığın eşsiz bir kombinasyonunu talep ediyor; büyük paralellik ve tasarım standartların geliştirilmesine yönelik tasarım yeteneği ve kullanım kolaylığın arttırılmasına yönelik 17GAR değerindeki 5G özelliği.

Operatörler 5G Standalone (SA) dağıtımlarına doğru itiyor ve 5G-Advanced'i araştırıyorlar, temel bant işleme talepleri üst düzeye çıkarmaktadır. Carrier aggregation across multiple bands, higher-order MIMO configurations, and katı gecikmeli bütçeler endüstri URLLC uygulamaları için optimize edilebilir donanım gerektirir. FPGAs tam olarak bu yeteneği teslim eder.

FPGA Mimarisini Anlayın

Bir FPGA, VHDL veya Datalog gibi donanım devresini tanımlar ve cihaza yüklenen yapılandırma, her görünüm tablosunu, Flip-flop'ı ve yönlendirmeyi onaylar.Bu temel olarak talimatları yerine getiren bir mikroişlemciden gelen talimatlara göre değişir. FPGAs algoritmaları doğrudan donanımda, düşük çözünürlükte performans ve büyük iç bant genişliğini tanımlar - birkaç saat boyunca devam eder.

AMD (Xilinx) ve Intel (eski olarak Alternatif)'den gelen modern cihazlar, çok sayıda yapıştırıcı mantığının ötesinde gelişti.Spek transceivers, PCIe Gen5 veya CXL arabirimleri ve özel AI motorları, bu heterojen hesaplama yaklaşımı, büyük bir MIMOfiksiyonel olarak görevlerin üstesinden gelmek için tek bir çipin sabit bir şekilde yerine getirilmesini sağlar ve dışlayıcı olmayan bir akışla sabit bir şekilde sabitlenebilir.In a 5G altyapısı bağlamında, donanım determinism provided by FPGA kumaşı, dört katlı bir sabit bir sabit bir sabit bir sabitleme ile karşı karşıya kalabilir.

Neden 5G Geleneksel Silikondan Daha Fazlaya İhtiyacı Var

5G vaadi - akabinde Mobil Broadband (eMBB), Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC), ve büyük makine Type İletişim (mMTC) – ağdaki çatışma talepleri, bir tek temel istasyonda, bir ülkenin spektrumu açıklanması ve endüstri kontrolü için geç saatlerde gerekli olan 15 metrekarelik bir süre içinde fiziksel katmanlar için gerekli olan 100 inçlik bir araya gelmeleri için kolay bir şekilde gerekli olabilir.

FPGAs, 5G altyapısında satın alma işlemi, güç verimliliğine ve ASIC seviyelerine yaklaşırken donanım veripath'sini güncelleme yeteneği gibi eşsiz bir tatlı nokta işgal ediyor.Bu yönlü hesaplama modeli, 5G dağıtımlarında birçok başlangıç noktası yaptı. 5G altyapısının satın alınması, 5G dağıtımlarında daha düşük maliyetli bir şekilde geri yükleme işlemine devam ediyor.

Derin Dive FPGA Rols Across the RAN

Massive MIMO ve Beamform Processing

Altı boyutlu yazıcılar için çok sayıdaki farklı değişkenler (MIMO) 64T64R ile diziler (64 ile iletiler ve 64,0) her saat boyunca çok sayıda veri akışının işlenmesini sağlar.Her bir altta DSP bloklar ve yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükler sağlar. FPGA'lar bu alandan tam olarak bu hesaplamaları yaparak dijital sinyallerin işlenmesini sağlarlar.

Bu donanım düzeyinde paralellik operatörlerin kullanıcılara karşı kirişleri dinamik olarak yönlendirmelerine olanak sağlar, per-symbol temelinde, yüksek hızlı trenler veya teknik iletişim gibi yüksek hızlı sistemlerdeki hızlı kanal varyasyonlarının yüksek hızlı sistemlerde veya hızdaki 30-40'da% 30-40 oranında artış gösterdiğini göstermiştir. FPGA aynı zamanda per-symbol temelinde, yüksek hızda trenler veya hızdaki hızdaki senaryolarda hızlı kanal varyasyonları takip edebilir.

İleri Hata düzeltmesi (FEC) Offload

5G, düşük seviyeli Parity-Check (LDPC) kodlarını kontrol kanalları için ve Polar kodları tanıttı. Bu kodları çok-Gbps veri oranlarında hesaplamak için çok yoğun bir şekilde hesaplamak için. Bir çok paralel dekoder mimarisi ile yapılandırılabilir, çünkü birden fazla kontrole sahip değildir ve farklı bir işlem birimini kullanarak otomatik olarak kontrol eder.

LDPC'nin FPGA'ya tahsis edilmesiyle, genel bazili güç tüketimi, geç bütçe için tercih edilen platformu garanti ederken önemli ölçüde azalır. Bu çift kodlu iptal listeleri algoritmaları kullanarak, aynı zamanda FPGA uygulamalarından yararlanın.

Fronthaul Interface Adaptation ve eCPRI Routing

Radyo Birimi (RU) ve Dağılış Birimi (DU), gelişmiş Ortak Halk Radyo Arayüzü (eCPRI) olarak standartlaştırılmış olan arayüz, yüksek hızlı seri bağlantı ve kesin paket zamanlamasını gerektirir. FPGAs ile SerDes Transceresi 25 Gbps veya 50 Gbps trafiğinin birden fazla eCPRI bağlantılarını sona erdirebilir, IQ örneklerini alabilir ve bunları uygun düşük seviyeli işleme zincirine yönlendirebilir.

Çünkü FPGA'lar yeniden programlanabilir, ağ operatörleri farklı ön bölme seçenekleri arasında geçiş yapabilir (örneğin, donanım değiştirme, otomatik satış makinesine sahip olmadan 72x veya bölünmüş 8 ), açık RAN ekosisteminde farklı radyo satıcıların işlem yüklerini dengelemek. Bu esneklik, farklı radyo birimlerinin farklı bölünmüş seçenekleri kullanabileceği çok değerli.

Gerçek Zamanlı MAC Scheduler Assist

Medium Access Control (MAC) programcı, kullanıcıların fiziksel kaynak bloklarına hangi kaynaklar aldıklarına karar verir. Pure software uygulamaları işletim sistemi zamanlaması, önbellekleme ve diğer yazılım tasarım dışı davranışların belirlenmesi nedeniyle değişkenliği tanıtabilir. FPGA tabanlı donanım hızlandırıcısı, özellikle de QoS kısıtlamalarına karşı bunları doğrulayabilir ve MAC yazılımına öncelik verebilir.

Programlamaya yardımcı olan programcı genellikle donanımda doğrulayıcı algoritmaları uygular, her kullanıcı için paralel olarak tüm kaynak blokları için metrik bilgileri hesaplar. FPGA kumaşı, binlerce kullanıcı kaynaklı blok kombinasyonunu tek bir slot süresi içinde değerlendirir, üst düzey adaylara son doğrulama raporlarına göre sunar. Bu, farklı trafik türleri boyunca son dereceleri azaltır.

5G Core ve Edge Network'te FPGAs

programlanabilir mantık değeri hücre kulesinin ötesine geçer. 5G çekirdeği ağında, Kullanıcı Plane Function (UPF) düğümleri paket sınıflandırması, GTP-U encapsulation ve decapsulation ve QoS uygulamaları, DPD üzerinde inşa edilmiş birkaç yüz Gbps'ye kadar genişletilebilirken, bir FPGA tabanlı SmartNIC, donanımda tüm kullanıcı uçak verilerini kontrol etmek, ücretsiz sinyallendirme ve değerlendirme sistemleriyle ilgili tüm hizmetleri önemli ölçüde azaltır.

Mobil kenarda (MEC), FPGA hızlandırıcıları, işlem yoğun uygulamaları – gerçek zamanlı video analizleri, artırılmış gerçeklik oluşturma veya endüstriyel makine vizyonu – son derece düşük gecikmeli durumlarda, FPGA tabanlı bir işlemde yer alan bir FPGA-yaratıcısı, yüksek ağ altında bile stabiliteyi garanti altına alabilir, alt robot ağının dağıtımını engelleyebilir.Bu işlem modeli URLLC kullanım koşulları için merkezidir.

Açık RAN ve Sanallaştırma Talepleri

Open RAN mimarlıklarına doğru geçiş, O-RAN Alliance tarafından şampiyona edilen, özel bir ASIC spini beklemeden, standart arayüzlere bağlı donanım-abstracted speed-vendor bileşenleri, operatörlerin hızlı bir şekilde prototipe girmesine ve yeni RAN Akıllı kontrolör (RIC) xApps ve fiziksel bir plaka algoritmaların açılmasını sağlar. Bu programlanabilirlik sağlayıcı-abstracted acceleration abstraction katmanı (AAL) O-RAN özelliklerinde tanımlanan fiziksel bir uygulama ortağı bulur.

Network function virtualization (NFV) inisiyatifleri FPGA tabanlı donanım hızlandırmasından yararlanır. Tüm 5G Katman 1 işleme genel amaçlı işlemciler üzerinde çalışır, yoğunlaştırılmış bir DU sistem dağıtımlarında bulut destekli trafik modellerini yönetebilir. O-RAN Alliance'ın çalışma arayüzünü soyutlama üzerine yoğunlaştırmış, FPGA'nın tümünde standartlaştırılmış bir şekilde entegre edilmiş bir şekilde, çok karmaşık yazılım konsolidelerine entegre edilmiş bir şekilde entegre edilebilir.

FPGAs, ASICs ve 5G'lerde GPU'ları karşılaştırın

5G bazband ünitesi için anahtar silikon seçeneklerini karşılaştırmak için öğreticidir. ASICs, sabit, iyi tanımlanmış fonksiyonlar için en düşük gücü ve en yüksek akışları sunar, ancak çekirdek fırlatma maliyetleri nedeniyle 50 milyonun üzerindedir ve sabit noktalı bir şekilde bir ürün gecikmesi veya daha fazla standart değişikliği, fiziksel katmanı hükmedebilir.

FPGAs orta bir zemin sunuyor: Güç verimliliği birçok paralel iş yükleri için ASIC'lere yaklaşıyor, tam donanım determinizm ve bilgisayar destekli kartpostalları ile birlikte, FPGA'nın standart dışı prototipleme ve erken üretim için tercih ettiği gibi, bu ürünler, sabit işlemleyicileri birleştirip, L tabanlı bir işlemleyicisi ile sabitlenebilir.

Güç Verimliliği ve Termal Tahminler

5G üssü istasyonu siteleri ciddi bir termal ve güç kısıtlamaları ile karşı karşıya, özellikle de FFT, IFFT, kanal tahminleri ve eşitleştirme, cihaz üreticileri en sıcak veripathleri için genel mantığın kullanımını en aza indirmiştir. Modern 7nm FPGA performansına kıyasla 2x'e kadar yükseltebilir.

Adaptif bir gerilim ölçeklendirme ve dinamik kısmi yeniden yapılandırma ile bir araya gelin - bu, kullanılan blokların tamamen desteklenmesine izin verir - modern FPGA'lar, tipik bir radyo sitesi için daha fazla ısıtılabilir. Bu, ağ izleme veya güvenlik tarama gibi, özellikle de 5G temel istasyonlarında trafik yükü dramatik bir şekilde azalırken, kullanımsız kullanım koşulları güçlendirilebilir.

Güvenlik ve Baseband'da Güven

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.

Aynı FPGA aynı zamanda, sabit bir ASIC'nin sunamayacağı varsayılan kriptografik hızlandırıcılarla da yüklenebilir. FPGA, NAS bütünlüğü koruma dahil 5G güvenlik protokollerinin tam paketini uygulayabilir, bu görevleri işlemciden yüklenebilir ve kullanıcı şifrelemesi, tüm donanımda kullanılabilir.Bu donanım tabanlı güvenlik yaklaşımı, yazılım uygulamaları daha güçlü bir şekilde garanti altına alınamaz.

Alan Upgradability and Lifecycle Management

5G ağı statik bir varlık değildir. Carrier aggregation patternleri, yeni frekans grupları mmWave gibi ve sabit olmayan ağ (NTN) entegrasyonu yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş tanıtıldı. FPGA tabanlı donanım üzerinde inşa edilmiş bir ağ, bu değişiklikleri sadece işlemci kodundan daha fazla yapılandırabilir - bu donanım yeniden yapılandırılabilir. Bu donanım yeniden yapılandırma süresini dramatik bir şekilde genişletebilir.

Merkezileştirilmiş O-RAN yönetim platformları ile bir araya geldiğinde, bir operatör flaş bellekte çok sayıda görüntüyü kaydedebilir, bir güncelleme mekanizmasına geri dönülemezse, bir laboratuar ortamında yeni konfigürasyonları doğrulama yeteneğiyle birleştirin. FPGA tabanlı altyapıdaki güven operatörlerine güven verir. Alan deneyimine güven verenler genellikle flaş bellekte birden fazla görüntüyü depolayabilirler.

Tasarım Kompleksi ve Mession

FPGA'lar geleneksel olarak gerekli uzman donanım mühendisleri RTL tasarımında akıcı bir şekilde geliştirmektedir. Ancak, araçlama alanı daha yüksek düzeyde özetlemeli, paralelleştirme ve hafıza haritalamalarına izin verir. 5G bazi gelişimi için, HLS özellikle de yazılım takımları için bariyeri azaltmıştır. HLS daha yüksek düzeyde tanımlı bir şekilde tanımlandırabilmeli.

Ek olarak, 5G-sped IP kütüphaneleri, önceden belirlenmiş temelleri ile, O-RAN-compliant vDU yığınları FPGA SoC'ye çalışır ve PRACH işleme sistemi mimarların tanıdık sürüklenme ve IP bütünlemelerini kullanarak bir temel bant hattına izin verir.Bu referans modeli genellikle FPGA SoC'ye giriş ve FPGA'ye odaklanacaktır.

Point'te Endüstri Örneği: RFSoC ve Direkt RF İşleme

5G için en dönüştürücü FPGA yeniliklerinden biri, yüksek hızlı RF analog-dijit dönüştürücülerin (ADCs) ve dijital-analog dönüştürücülerin (DACs) doğrudan antende, dijital FPGA'nın üzerindeki etkisini ortadan kaldırır ve temel bant IQ örneklerini fiziksel katman işleme zincirine uygular.

Bu doğrudan-RF mimarisi, çok yönlü örnekleme oranlarında çalışan 16 ADC ve 16 DAC kanallarının, milyonlarca mantık hücresi ve DSP dilimleri içeren bir FPGA kumaşını hızlandırıyor.Bu, 64T64R büyük bir MIMO radyo için bir çift ayrık cihazlardan, çok daha küçük bir çözünürlükte çalışan 16 ADC ve 16 DAC kanallarını azaltır ve üretim maliyetlerini azaltır.

Yol Ahead: AI ve Akıllı Hızlandırma

5G-Advanced ve 6G'ye doğru baktığımızda, makine öğrenimi giderek daha geleneksel sinyal işlemesini ekleyecek. Kanal tahminleri, kiriş yönetimi ve müdahale iptalleri, AI tabanlı algoritmaları için tüm adaylardır. FPGA'lar, bu algoritmaları kanal tahmin ve bitmemiş bir sinir ağının matematiksel yoğunluğunun her ikisine de uygulanabilmesini sağlar.

Donanım yeniden optimize edilmesi, AI modellerinin zamanla geliştiğini, hızlandırıcıların trafik koşullarına ve kanal kalitesine dayalı olarak tamamen yeniden kullanılabileceğini ifade eder.Bu adaptive hesaplama paradigması, yarı zamanlı optimizasyon şemalarına göre, makine öğrenimi tahminlerine dayanan 5G tabanlı baz istasyonlarının birleşimi dinamik olarak tüm kaynak işleme ve AI ivmesi olacaktır.Bu adaptive hesaplama paradigması, gerçek zamanlı ölçüm stratejilerinin optimizasyonuna olanak sağlayacaktır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

FPGA 5G altyapı geliştirmesinde temel bir unsur olarak ortaya çıktı, çünkü sürekli olarak en ucuz seçenek, ancak 5G çağının gerektirdiği çok yönlü problemleri çözmüş, hızlı ve geçncy, esneklik ve inovasyon jantrasyonelasyonun, sabitlenmiş AI motorlarından, gelişmiş güvenlik özelliklerine sahip, gelişmiş güvenlik özelliklerine sahip olan teknik donanıma sahip olması ve 5G çağının kendi evrimlerini talep ettiği için.

Endüstri Open RAN, kenar hesaplaması ve AI odaklı ağ optimizasyonunu kucaklarken, FPGA'nın rolü sadece derinleşecektir - 5G-Gelişen, 6G ve ötesindeki merkezi bir akıştan haberdar olacak.In network operatörleri, ekipman satıcılar ve sistem bütünleştirici ağ için yapılan yatırımlar, FPGA'nın sadece bir bileşeni değil; 5G verimliliğini ve 5G verimliliğini sağlamak için aynı donanım platformlarını belirleyen bir stratejik karardır.