FPGA Rönesansı Mobile Altyapısında

Kablosuz temel istasyonlar, modern hücresel ağların fiziksel omurgasını oluşturur, yüksek hızlı dijital verileri milyarlarca cihaza ulaşan radyo sinyallerine dönüştürmek ve 6G için zemin iş birliği kurmak için yarışıyor, bu istasyonlarda mimari talepleri dramatik bir şekilde değişti.Aynı anda çok sayıda girişli kapı dizilerini (MIMO) anten dizilerini, gelişmiş kirişler, dinamik spektrum paylaşımı ve ultra-reli düşük seviyeli iletişim kurma yöntemleri olarak yeniden programlamak için uygun fiyatlı algoritmaları işlemek zorundasınız.

FPGAs, yapılandırılabilir bir mantık bloklarının matrisi etrafında inşa edilmiş yarı iletken cihazlardır, programlanabilir bağlantılar ve dijital sinyal işleme (DSP) dilimleri, bellek kontrolörleri ve yüksek hızlı transceivers.Bu esneklik doğrudan kablosuz altyapıdaki en baskı noktası ele alır: Maske seviyesindeki donanımın uzun döngüsü, FPGA'lar dağıtımdan sonra yeniden yapılandırılabilir.

Base Station Processing'ın Evrimi

Sabitten -Function toprogramlanabilir Borular

Daha önce kablosuz teknoloji, 2G GSM'den 4G LTE'ye kadar, gelişmiş inter-telif müdahale koordinasyonu veya taşıyıcılar gibi yeni özellikleri dahil etmek için aşırı güç verimliliği ve performans elde etmek için programlanabilirlik teklif etti.Sesame istasyonları genellikle her büyük güncelleme için yeni silikon revizyonları geri almak için mücadele etti. ASICs, yüksek çözünürlükte yüksek olmayan görevler için aşırı güç verimliliği ve performans elde etti ancak endüstride yapılan tasarım döngülerine doğru geçiş yaptı.

5G Yeni Radyo (NR) gelişi bu modeli parçaladı. Esnek numeroloji, ölçeklenebilir subcarrier spacing ve bant parçaları ASIC'lerin tek başına ekonomik olarak kapamadığı dinamik kaynak yönetimi seviyesine ulaştı. FPGA UltraScale+ RFSoC[FLT] ve “Santagramlayıcılar” (Seks) ile birlikte, tek başına sabitlenmiş bir veri kümesi ve kontrolleri ile birlikte, x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Anahtar İş Yükleri FPGAs tarafından Acelerated

Digital Front-Bitiş

Dijital ön uç (DFE) ham bitakın analog dünya ile buluştuğu yerdir. Modern DFE boru hatları, aynı anda yüzlerce adet DFE cihazını kullanarak, 18x27 çoklu dönüşüm (DPD) ve örnekleme hızları ile çalışır.Bu algoritmaların mantıksal olarak geç saatlere kadar tek bir FPGA'yı kullanarak, DFE'yi birden fazla DFE'yi aynı anda destekleyen yüzlerce altüstleştirme işlemine izin verir.

Massive MIMO ve Beamform

Massive MIMO baz istasyonları 64, 128 veya daha fazla anten elementlerini bireysel kullanıcılara enerji odaklanmak için kullanıyor. kirişler her slotu güncellemelidir (örneğin, kanal durumuna göre 0.125 ms olarak hızlı bir şekilde), bu, ikinci sırada yer alan (C-band) gibi dağıtım hatlarının tamamının tamamının sabitlediği gibi, çok sayıda kirişli vektörleri kullanarak, hızlı bir şekilde kontrol edilebilir.

Kanal Coding ve Decoding

5G, düşük seviyeli Parity-Check (LDPC) veri kanalları ve Polar kodları için kontrol kanalları için kodlar tanıttı. Her iki kodlu aileler, henüz düzensiz veri bağımlısı olmayan algoritmaların (örneğin, 6G için özelleştirilmiş bir kanal mimarisi uygulayabilirler – örneğin, LDPC için tabakalı inanç yayılımı) ile tümleşik destek sistemleri ve kaynak kullanımı ile.For kodlama standartların gelişebileceği için (örneğin, yeni kodlayıcılar veya daha uzun süreler)

Fronthaul Interface ve O-RAN Split Seçenekleri

[FONT=0]O-RAN Alliance), merkezileştirilmiş birim (CU) arasındaki fonksiyonel bölünmeleri ve sabitleme birimleri (DU), ve radyo ünitesi (RU) 7-2 bölünmüş durumda, DUH'ler daha yüksek fiziksel katman fonksiyonlarını yönetirken, RU'nin onları daha düşük PHY ve RF'leri sık sık sık sık sık sık sık köprülere yönlendirdiği ve GMPRI arabirimleri yerine getirmesi için, GSCRIWS'nin 10'u tekrarlamak için tekrarlama işlemine izin verir.

FPGA vs. ASIC vs. GPU: Bir Dengeli Ticaret-Off

FPGA'ları ve ASIC'leri karşılıklı olarak özel yollar olarak görmek cazip, ancak kablosuz altyapıdaki gerçeklik daha fazla nuanced. ASICs, son derece yüksek hacimlerde kritik olan en iyi enerji verimliliği ve per-unit maliyetle, onları FFT/IFFT işleme gibi tercih edilen görevlerin sabit dalgalamalarda olduğu gibi, ASIC'ler için daha sonra ölçeklendirme ve zaman tabanlı üretim araçlarına izin verirken, ASIC'ler daha sonra 5G-Advanced veya 6G gibi yeni standartta kritik bir şekilde performans gösteren avantajları sunar.

Grafik işleme birimleri (GPUs) ayrıca RAN konuşmalarına da girdi, özellikle AI/ML inference ve bazı Katman 1 işleme. ancak GPUs, trans-loopsiyon-dönüşüm için optimize edilmiş, otomatik tekrarlama, düşük çözünürlük boru hatları için gerekli olan bir çok katlı bir mimariye sahip olabilir: SoCidye sabit bir şekilde sabit bir şekilde sabitlenmiş bir şekilde sabitlenmiş beton kaplamalar ve betonlu bir şekilde sabitlenmiş betonlar için.

O-RAN ve Sanallaştırma RAN Evolution

Sanallaştırmalı RAN (vRAN), yazılımları, genel amaçlı sunucularda kullanılan temel bant işlevlerinin yayınlanmasını amaçlamaktadır. FPGAs bu dönüşümde paradoksal bir rol oynamaktadır.Bir yandan, vRAN, donanım hızlandırıcıları olan x86 veya Arm tabanlı sunuculara geçiş yapar; diğer yandan, CPU veya GPU'lar tarafından otomatik olarak şarj edilebilir.

O-RAN Alliance özellikleri, hızlandırıcı ve dağıtılmış bir birim arasındaki arayüzleri standartlaştırır, üçüncü taraf FPGA hızlandırıcı kartlarının karıştırıldığı ve farklı DU yazılım yığınlarıyla eşleştirilebilirlik. Bu interoperability, satıcı kilitlemesini azaltır ve inovasyonu teşvik eder, FPGA'dan sürüm kontrol edilen ve dağıtan bir ağ kartının yanı sıra farklı değişikliklerle farklı değişikliklerle farklı bir şekilde desteklenmesine izin verir.

Güç Verimliliği ve Termal Yönetim

Base istasyonları genellikle güç kullanılabilirliğinin sınırlı ve soğutmanın pasif olduğu uzak yerlerde dağıtılır. Tarihsel olarak, FPGA'lar yüksek performanslı hesaplama için ASIC'lerden daha az güç tasarrufu kabul edildi. Ancak, modern FPGA süreçleri (7 nm ve 5 nm düğümleri) her iki gelişmiş güç yönetimi tekniği ile birlikte bu boşluğu önemli ölçüde kapatıyor. Cihazların artık sadece statik güç kullanımı sırasında 4G işlem bloklarının kullanılması ve daha önce değerlendirilmesi gereken mantığın değiştirilmesini sağlıyor.

Dahası, sert IP bloklarının entegrasyonu -ARM çekirdeği, hafıza kontrolleri, daha önce tasarımlara yol açan hataların düzeltilmesi ve hatta analog- sayısal dönüştürücülerin (ADC) ve dijital-to-ana dönüştürücülerin (DACs) RFSoC cihazlarına göre – RF soC, daha önce tasarımlara kıyasla elektriksel olmayan arayüzler için güç tüketimini %64 oranında azaltamaz.

Gerçek Dünya Scenarios

Lider altyapı sağlayıcıları, FPGA'ları birden fazla ağ nesiline dahil etti. 5G'nin ilk aşamalarında Ericsson ve Nokia, FPGA tabanlı erken aşama donanımını mevcut LTE ekipmanla doğrulama ve çalışma işlemini doğrulamak için kullandı. Samsung'un 5G mmWave küçük hücreleri, FPGA'lar son derece geniş bant genişliği için FPGA'lar için daha yaygın hale geldi (800 MHz ve üstü) işlem için gerekli olan bir işlem için, özel ASIC riski böylesine yüksekti.

Özel 5G ağları, fabrikalara, limanlara ve madenlere hizmet eden, FPGA programlanabilirlikten da yararlanabilir çünkü bu dağıtımlar genellikle PRONET veya EtherCAT gibi özel dalgaformları veya entegrasyon gerektirir. Tek bir FPGA, bir cep telefonu ve operasyonel teknoloji ağı köprüyü, donanım hızında ekstra kutular olmadan gerçekleştirebilir. Örneğin, Microchip gibi satıcılar FPGA tabanlı SmartFusion2 cihazlara özel olarak 5G ağlarına sahiptir.

Programlama Kompleksi ve Ekosistem Maturity

Kablosuz olarak kabul edilen FPGA'nın bir bariyeri, donanım açıklaması dilleri (VHDL/Reallog) ile ilişkili dik öğrenme eğrisi olmuştur ve karmaşık tasarımlar için uzun derleme süresi.Bu hızla değişiyor. Yüksek seviyeli sentez (HLS) araçları, C/C++'da koda izin verir ve optimize edilmiş bir araç tasarımın geliştirilmesi için otomatik olarak optimize edilmesine olanak sağlar.

Ayrıca, modern FPGA geliştirme platformları sürekli bir bütünleme/kontinasyon (CI/CD) bulut tabanlı RAN yazılımlarında kullanılan yazılım güncelleştirmeleri ile uyumlu hale getirilebilir ve bir dijital ikiz ortamda test edilebilir ve Yosys ve SymbiFlow gibi açık kaynak araçlarına iterek, NI (şimdi Emerson'un bir parçası) FPGA'nın test ekipmanlarını kullanarak daha geniş bir şekilde araştırma yapan yazılım güncelleştirmeleri de sunar.

Güvenlik ve Tedarik Zinciri Tahmin Ediyor

Kablosuz temel istasyonlar kritik ulusal altyapıdır, bu yüzden güvenlik önemlidir. FPGA yapılandırmaları benzersiz bir güvenlik avantajı sunar: Donanım işlevselliği kalıcı olarak ayrımcı değildir. Belirli bir hızlandırıcı işlevinde, biraz daha fazla bir yama, her katmanın bütünlüğünün şifrelenmesi olmadan düzeltebilir, çünkü FPGA yapılandırmaları, hükümet ve HMAC motorlarını kullanarak şifrelenebilir ve güvenilir bir şekilde yapılandırılır.

Tedarik zinciri riskleri de FPGA programlanabilirliği ile azaltılır: operatörler birden fazla tedarikçiden kaynaklayabilir ve aynı küçük akışı farklı donanım platformlarına yükleyebilirler, ortak IP temel standartlarına uymaları sağlar. Bu özellikle jeopolitik gerilimler yarı iletkenliği etkiler. FPGA'ler de donanım değiştirmeden şifreleme standartlarına uymaya olanak sağlar.

Yol 6G

6G'ye yapılan araştırmalar hızlandığında, temel istasyon donanım üzerindeki talepler daha da yoğunlaşacaktır. Alt-THz iletişim, yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeyler ve AI-native hava arayüzleri, vektör işlemcileri ve AI motorlarını birleştiren sinyal işleme zorluklarını tanıtacaktır - özellikle de tümleşik AI motorlarıyla gelişmiştir - aynı anda tüm sinyal işleme işlemi için gerçek bir kanal işleme işlemine veya işlem için sabit bir donanım olarak konumlandırılır.

Ayrıca, açık ve dağınık RAN'ın eğilimi devam edecektir. FPGAs, farklı hızlandırıcı kartların ortak bir platforma yapıştırıldığı ve gelişmeye ihtiyacı olduğu birçok platformda ortaya çıkarılmasını beklemiştir.(ITU)), O-RAN Alliance'ın Open Test ve Entegrasyon Merkezlerinde, değiştirmeksizin bir şekilde donanıma sahip olmak için yapılan donanımlar sadece bir performansa ve donanıma sahip olacaktır.

Ekonomik ve Operasyonel Faydaları

Toplam mülkiyet perspektifinden, FPGA tabanlı çözümler, birden çok tek işlevli kutular için ihtiyaç ortadan kaldırarak sermaye harcamalarını azaltabilir ve gelecekteki dayanıklı dağıtım dağıtım dağıtımlarını genişletir. Katman 1 hızlandırıcı için FPGA tabanlı bir istasyonda, 5G tabanlı ağ yönetimi ve mobil uzmanlar tarafından yapılan bir çalışma, ASGA tabanlı donanıma dayalı olarak tasarruf sağlamak için 10 yıllık bir altyapıya ihtiyaç duyulabilir.

Gelişen pazarlar ve kırsal dağıtımlar için, trafik desenleri dramatik olarak farklı olabilir ve spektrum tahsisleri değişebilir, bu bölgelerdeki operatörler, daha sonra yeni frekans grupları veya bölgesel versiyonları olmadan destekleyebilirler.Bu adaptasyon, her bölgenin benzersiz spektrum planına uygun olarak inşa edilen dijital bölmeleri köprüleyebilir.

Sonuç: RANI'nın Görünmez Chameleon

FPGAs, bir panacea ile ham donanım performansı ile evlenmek için form değiştirmeli motorlar olarak hareket eden bir sonraki nesil kablosuz baz istasyonlarında önemli bir rol oynarlar - hızlı bir şekilde altyapı maliyetlerini azaltırlar - ancak 5G ve gelecekteki ağların manzaralarını tanımlamak için kablosuz ağların yeniden yapılandırılmasına olanak sağlar.