滿足5G無線基礎(chǔ)設(shè)施的故障安全要求

如果您一直關(guān)注有關(guān)5G的新聞，您就會知道它可以顯著提高帶寬，最高可達10Gbps。此外，它還具有低于1ms的系統(tǒng)時延，與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)相比，功耗大大降低。5G將在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車輛間通信和互聯(lián)邊緣計算等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大量新應(yīng)用。除了高帶寬和超低時延以外，這些應(yīng)用還需要具備另外兩個不太受關(guān)注的特性，即99.99x％的可靠性和24x7的全天候可用性。本文討論了無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中NOR Flash 存儲器的重要選擇標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)

為了在壓縮的上市時間內(nèi)響應(yīng)不斷變化的市場標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）以及互補式片上系統(tǒng)（SoC）在各種無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。FPGA和SoC需要在每次系統(tǒng)啟動時進行配置。FPGA和SoC可以通過各種類型的存儲器進行配置，例如Flash、eMMC、非托管型NAND和SD卡。與NAND Flash（托管或非托管）和SD卡不同，NOR Flash存儲器可在初始響應(yīng)和啟動時提供高可靠性，并具有低時延，同時能在市場上存活10年或更長時間。此外，與浮柵技術(shù)相比，MirrorBit技術(shù)（每個存儲單元存儲兩位）的進步支持更大的密度縮放。更高的密度可實現(xiàn)5G無線基礎(chǔ)設(shè)施所需的單芯片1Gb和更高密度的NOR Flash產(chǎn)品。由于這些特性，NOR Flash存儲器已廣泛用于無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中，用來配置FPGA和SoC，從而快速可靠地啟動這些設(shè)備。

圖1：5G系統(tǒng)原理圖。64x64天線陣列增加了天線與數(shù)字前端之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而對接入單元（AU）和云單元（CU）提出更高的處理要求。

密度

5G能夠使用6GHz以下的頻段和28GHz的頻段。這些載波頻率遠(yuǎn)高于典型的4G LTE頻率。雖然隨著頻率的增加，較高的載波頻率有可能支持更多的信道，但傳播會變得更糟。在這些頻率下，由于自由空氣衰減且信號無法穿透固體，連接被限制在短程視線范圍內(nèi)。

因此，收發(fā)器將不得不依賴于諸如波束成形之類的技術(shù)。波束成形提供相長干涉以增強接收端的信號，但是單元格必須更緊密地連接在一起。MIMO天線及其射頻前端是實現(xiàn)5G接入單元的關(guān)鍵。對于基站，天線可能是64x64陣列。64x64 MIMO將爆發(fā)前傳（天線與數(shù)字前端之間的連接）帶寬要求。與4G LTE數(shù)字單元中使用的相比，接入單元中使用的FPGA/SoC必須具有更多的邏輯元件（更高的密度）、更高的DSP能力和更多的收發(fā)器。這些需求的增加將導(dǎo)致更大的配置圖像，需要更高密度的單片NOR Flash存儲器，用于配置FPGA/SoC。對于5G接入單元，這種密度范圍在512Mb到2Gb之間。

接口

FPGA和SoC可以通過兩種不同的接口類型（并行和串行）來配置/啟動閃存。雖然并行接口支持更快的讀寫時間，但接口需要太多的IO。例如，考慮將1Gb并行NOR Flash與FPGA接口連接，所需的IO數(shù)量為49。但隨著密度的每次增加（2G、4G、8G等），引腳數(shù)量就增加1。

NOR Flash串行接口基于控制器上常見的SPI接口。其采用SPI（1位）、Dual-SPI（2位）、Quad-SPI或Q-SPI（4位）甚至Octal-SPI（8位）接口。工程師正在從并行接口遷移到串行接口，以進行新系統(tǒng)設(shè)計。串行接口同時減少存儲器和SoC的引腳數(shù)量，縮小PCB，從而降低成本，縮小外形尺寸。Octal SPI和HyperBus接口現(xiàn)在可提供高達400MB/秒的性能，與并行接口相媲美。請注意，雖然最近發(fā)布的賽靈思Versal FPGA可支持Octal SPI和Q-SPI接口，但14nm及更高級別的FPGA/SoC僅支持Q-SPI接口。

電壓

除了并行接口和串行接口以外，接口的電壓需求也是一個重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)。如今，用于5G的FPGA/SoC將以最先進的工藝節(jié)點開發(fā)，將減少3V電壓的I/O支持，以提高IC的可靠性和性能。市場上大多數(shù)閃存都是3V組件（這意味著它們需要在2.7V至3.6V的電壓范圍下工作）。而最新的FPGA/SoC需要1.8V NOR Flash組件（這些組件需要在1.7V至2.0V的電壓范圍下工作）。隨著FPGA和其他控制器繼續(xù)向更小的外形尺寸和電源電壓邁進，現(xiàn)在，1.2V NOR Flash組件將逐漸可用。雖然大多數(shù)NOR Flash組件只需要一個電源電壓，但1.2V組件需要兩個不同的電源。一個用于核心，另一個用于IO（輸入和輸出的高低條件參考V_IO定義）。將V_IO與V_CC分離可為系統(tǒng)設(shè)計師提供更大的靈活性，但需要額外的電源。

市場上幾乎所有的1.2V NOR Flash存儲器都針對消費類應(yīng)用。與5G無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的需求相比，消費類應(yīng)用本質(zhì)上具有低密度，因此不適合在這些應(yīng)用中配置FPGA。由于可用的密度選項和對FPGA中1.8V IO的廣泛支持，1.8V NOR Flash存儲器仍然是最適合配置各種FPGA或為無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用啟動SoC的NOR Flash。

額定溫度與低功耗模式

無線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，尤其是無線電和小型蜂窩等數(shù)字前端，通常安裝在室外并面臨極端環(huán)境條件的挑戰(zhàn)。更糟糕的是，系統(tǒng)設(shè)計師在5G中使用的組件上安裝散熱器和風(fēng)扇的能力可能有限。因此，設(shè)計師通常選擇高于工業(yè)級溫度（-40℃至+105℃）的NOR Flash組件，以承受惡劣的環(huán)境條件，以及在功耗方面提供額外的保護帶，并確保在上述高溫下啟動和運行。

深度節(jié)能與待機模式

NOR Flash組件通常在FPGA/SoC配置周期之間是空閑的。某些NOR Flash組件上設(shè)有深度節(jié)能與待機模式，可以在配置完成后通過將NOR Flash組件置于低功耗狀態(tài)來幫助降低功耗。

耐用性與數(shù)據(jù)保留

NOR Flash針對可靠性與性能進行了優(yōu)化，而不是成本（與NAND Flash和SD卡等以消費者為導(dǎo)向的技術(shù)不同）。該技術(shù)使用相對較大的存儲單元，可提供高耐用性與較長的數(shù)據(jù)保留。我們發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品具有100K編程/擦除（P/E）周期的耐用性和長達10年的數(shù)據(jù)保留能力也不足為奇。請注意，通常人們不會擔(dān)心此類應(yīng)用的耐用性，因為Flash只能寫入少量次數(shù)。如果我們只考慮將配置圖像存儲在Flash中，則情況確實如此。此外，一些設(shè)計師還使用Flash來高速緩存事務(wù)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)錯誤日志。在這種使用場景下，系統(tǒng)日志每隔幾分鐘就會在Flash中更新一次。因此，8到10年壽命期間的P/E周期總數(shù)可超過最大耐用性規(guī)格而無損耗平衡。

市場上的新產(chǎn)品通過提供高達1M P/E周期的耐用性或25年的數(shù)據(jù)保留選擇，使工程師能夠為耐用性和數(shù)據(jù)保留之間的平衡進行優(yōu)化。這些更高可靠性的產(chǎn)品有時會帶有詳細(xì)的故障模式影響分析，可幫助設(shè)計師設(shè)計系統(tǒng)，以滿足或超越5G規(guī)格的超高可靠性和可用性要求。例如，賽普拉斯提供多種功能安全文檔，包括設(shè)備安全手冊和詳細(xì)的安全分析報告，其中記錄了產(chǎn)品安全架構(gòu)和假設(shè)使用情況、匯總FIT率、FMEDA結(jié)果、完整的安全分析直至封鎖電平、安全機制和診斷范圍（參見面向汽車與功能安全的NOR Flash）。

安全功能

最近有一份針對全球電信公司的長期大規(guī)模攻擊的新聞報道。安全研究公司Cybereason稱，攻擊者在這次襲擊中泄露了調(diào)用數(shù)據(jù)記錄，但是他們已經(jīng)控制了網(wǎng)絡(luò)，甚至可以將其關(guān)閉。由于類似這樣的事件，人們越來越關(guān)注無線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的保護。保障這些系統(tǒng)安全的最簡單的方式是通過部署安全啟動和訪問控制流程來保護配置圖像/啟動代碼。為了對保護嵌入式系統(tǒng)日益增長的興趣做出響應(yīng)，NOR Flash供應(yīng)商已經(jīng)開始開發(fā)具有內(nèi)置安全功能的產(chǎn)品，例如基于公鑰基礎(chǔ)設(shè)施的身份驗證和訪問控制以及安全啟動。這些功能可以添加額外的措施，以確保專有IP的安全性，防止對配置圖像/啟動代碼進行篡改，并確保網(wǎng)絡(luò)持續(xù)可用。

在存儲FPGA配置圖像和SoC啟動代碼方面，NOR Flash比NAND和SD卡更受歡迎。5G無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用需要1Gb或更高密度，1.8V Q-SPI或Octal SPI，高于工業(yè)級溫度的NOR Flash來配置或啟動系統(tǒng)中使用的FPGA和/或SoC。隨著設(shè)計師開始研究5G無線基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品，人們越來越關(guān)注故障安全操作，以滿足電子健康、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和自動駕駛汽車等應(yīng)用的需求。閃存供應(yīng)商現(xiàn)在開始推出提供功能安全和安全啟動機制的產(chǎn)品。這些功能使設(shè)計師能夠?qū)⑾到y(tǒng)級安全與安全功能的一些處理工作卸載到存儲器中。此外，可用的附屬品有助于實現(xiàn)這些功能并縮短產(chǎn)品上市時間。最終，選擇合適的存儲器將有助于確保產(chǎn)品的成功。