賦能下一代5G平臺

將終端用戶(hù)設備連接到中央電信網(wǎng)絡(luò )和云的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)（RAN）和相關(guān)的核心網(wǎng)絡(luò )層次結構，對于構建無(wú)處不在的蜂窩網(wǎng)絡(luò )連接至關(guān)重要，它將擴大該技術(shù)所支持的應用場(chǎng)景的數量和廣度。在制定開(kāi)發(fā)和實(shí)施5G RAN和核心設備戰略時(shí)，要對5G的要求有一個(gè)深層次的理解，并了解該技術(shù)將在何處、如何以及何時(shí)發(fā)展，有助于管理預期。

本文概述了5G標準和推廣的現狀，總結了5G RAN需要支持的全新的應用場(chǎng)景，并研究了標準的演進(jìn)以支持更高的帶寬和更多的應用場(chǎng)景。最后，本文還解釋了開(kāi)發(fā)人員如何利用Achronix現場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）技術(shù)來(lái)應對他們面臨的基本挑戰——通過(guò)一種節省成本、功耗和面積的方式，將部分處理工作負載從CPU卸載到基于FPGA的加速器上，從而支持5G RAN架構的優(yōu)化。

5G部署和宏觀(guān)趨勢

顯然，現在5G不僅僅是用于手機連接的下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。5G和蜂窩網(wǎng)絡(luò )連接技術(shù)的發(fā)展可賦能多個(gè)全新的應用場(chǎng)景，并為那些以前沒(méi)有將蜂窩網(wǎng)絡(luò )連接作為其產(chǎn)品組合一部分的公司開(kāi)辟了新的商業(yè)機會(huì )。5G不再只是提供電信連接，而是成為了賦能其他各種應用場(chǎng)景的連接，諸如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)、智慧城市和其他應用。5G旨在支撐家庭、城市和工廠(chǎng)中的數十億個(gè)新器件（如攝像頭和其他各種傳感器）的連接，為醫生和患者提供遠程醫療支持，支持與IT技術(shù)的融合，并全面取代有線(xiàn)連接。

從根本上說(shuō)，5G是一種比前幾代技術(shù)更具頻譜效率的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現方案，具有顯著(zhù)增加的空中接口容量，結合波束形成/定向技術(shù)，以及聚合4G和5G信道的能力，所有這些都得到了很好的利用。

5G基礎設施部署開(kāi)始增加，預計5G的采用速度比4G更快，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商（MNO）推出的5G網(wǎng)絡(luò )已覆蓋10億用戶(hù)，這比4G達到類(lèi)似水平提前了兩年。

下表描述了引領(lǐng)未來(lái)技術(shù)發(fā)展和演進(jìn)的宏觀(guān)趨勢。

表1 影響5G演進(jìn)的宏觀(guān)趨勢

推動(dòng)5G轉型的構建模塊

以前的RAN架構（2G、3G和4G）是基于單塊構建模塊，邏輯節點(diǎn)之間很少有交互發(fā)生。然而，從新無(wú)線(xiàn)電（NR）研究的最初階段開(kāi)始，人們認為將gNodeB基站（gNB，即NR邏輯節點(diǎn)）在集中式單元（CU）、分布式單元（DU）和無(wú)線(xiàn)電單元（RU）之間拆分，將帶來(lái)更多的靈活性。靈活的硬件和軟件實(shí)現可支持更具可擴展性和成本效益的網(wǎng)絡(luò )部署——但前提是硬件和軟件組件是可互操作的，并且可以與來(lái)自不同供應商的組件進(jìn)行組合和匹配。

這種拆分化split架構（在集中式單元和分布式單元之間）支持對性能特征、負載管理、實(shí)時(shí)性能優(yōu)化進(jìn)行協(xié)調，并能夠適應各種應用場(chǎng)景。這種拆分架構還提供了各種應用（如游戲、語(yǔ)音和視頻）所需的服務(wù)質(zhì)量（QoS），這些應用對傳輸有不同的延遲容忍度和依賴(lài)性，再加上諸如農村和城市等不同的部署場(chǎng)景也有不同的傳輸方式，例如光纖與無(wú)線(xiàn)。下圖介紹了5G部署所需的主要構建模塊。

圖1 推動(dòng)5G轉型的構建模塊

5G不再只是一種RAN，而是需要包含從客戶(hù)端到數據中心整個(gè)網(wǎng)絡(luò )連接的技術(shù)。從歷史上看，智能位于蜂窩網(wǎng)絡(luò )的任一端，包括客戶(hù)端、基站和核心網(wǎng)絡(luò )。隨著(zhù)我們向萬(wàn)億臺互聯(lián)設備邁進(jìn)，MNO無(wú)法再增加越來(lái)越多的容量，以便將數據從無(wú)線(xiàn)電傳輸到數據中心進(jìn)行應用處理，然后再返回到客戶(hù)端設備。例如，聯(lián)網(wǎng)的圖像傳感器數量從今天的4億只增加到10億只，那么網(wǎng)絡(luò )流量將從今天的大約150 EB增加到400 EB。

解決此資本支出問(wèn)題的一種方法是在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中更均勻地分配智能。這種變化需要分配更多的計算能力，以便能夠做出更快、更有效的決策。例如，上圖中標記為“多項接入邊緣計算處理（Multi Access Edge Compute Processing）”的方框表示支持這種智能分配的附加類(lèi)型。

上圖中圈出的美元值顯示了過(guò)去四年內在RAN和網(wǎng)絡(luò )分層結構中設備支出的估計費用。無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )本身的花費非常巨大，為研發(fā)支出的費用就高達1200億美元。

上圖表示了構成5G無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )的不同單元。為了支持從增強型移動(dòng)寬帶（eMBB）和大規模機器類(lèi)通信（mMTC），到超高可靠、低延遲通信（URLLC）等一系列不同的5G應用場(chǎng)景，需要靈活地確定這些單元在網(wǎng)絡(luò )中的物理位置。例如，該圖表示分布式單元（DU）如何作為靠近無(wú)線(xiàn)電單元（RU）的獨立單元，以支持5G的低延遲、更加實(shí)時(shí)性的需求，而對于eMBB等非延遲密集型應用，DU可以與CU在類(lèi)似vRAN的部署中位于同一位置。

這種對靈活性的需求促使那些用于這些設計的構建模塊也要具有同樣的靈活性，并支持這些設計以多種方式對共同的單元進(jìn)行劃分。SoC設計的多樣性以及如何實(shí)現加速器功能是應對這些挑戰的重要因素。

5G RAN需要支持哪些應用場(chǎng)景？

作為定義5G的第一步，國際電信聯(lián)盟電信標準化局（ITU-T）確定了消費者、企業(yè)和行業(yè)現在和將來(lái)使用蜂窩網(wǎng)絡(luò )的方式，然后3GPP開(kāi)始實(shí)施所需標準的制定。作為3GPP所推動(dòng)的新服務(wù)和市場(chǎng)技術(shù)推動(dòng)者研究項目SMARTER項目的一部分，其團隊確定了蜂窩網(wǎng)絡(luò )當前和未來(lái)的先進(jìn)應用場(chǎng)景以及所需的特性和功能。

除了一個(gè)名為固定寬帶的類(lèi)別外，該機構還定義了三類(lèi)移動(dòng)應用場(chǎng)景：mMTC、eMBB和URLLC。雖然這些類(lèi)別的名稱(chēng)并不是特別吸引人，但它們已成為行業(yè)標準術(shù)語(yǔ)：

●   mMTC——大規模機器類(lèi)通信引入了對大規模的機器對機器交互的支持，包括電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設備?？偟膩?lái)說(shuō)，這些設備需要相對較低的延遲、高度可靠的連接和高能源效率。其所面臨的挑戰是為數十億臺物聯(lián)網(wǎng)設備提供可擴展性和一致的連接性，這些設備的通信頻率相對較低、通信時(shí)間較短。廣泛的覆蓋范圍和深入的室內穿透性是很重要的，同樣低成本也是非常重要的。

●   eMBB——如果mMTC主要是解決機器如何使用蜂窩網(wǎng)絡(luò )，那么eMBB就主要解決人類(lèi)如何使用蜂窩網(wǎng)絡(luò )。此類(lèi)應用場(chǎng)景包括8K視頻流、沉浸式增強現實(shí)/虛擬現實(shí)（AR/VR）、互聯(lián)交通信息娛樂(lè )和支持移動(dòng)寬帶連接的企業(yè)。該類(lèi)別的關(guān)鍵要求是超高的頻譜效率、極高的數據速率和超低的中斷時(shí)間。

3GPP的R15版本中定義的5G NR滿(mǎn)足了所有這些要求。隨著(zhù)支持5G NR的基礎設施開(kāi)始擴展，這些應用場(chǎng)景變得更加廣泛。這一類(lèi)別可以被認為是發(fā)展和變革的結合，因為使用蜂窩網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連接的筆記本電腦并不完全是新事物，而沉浸式AR/VR和其他數據密集型應用在前幾代蜂窩網(wǎng)絡(luò )中并沒(méi)有真正實(shí)現。

●   URLLC–作為一種服務(wù)，為超高可靠性、低延遲通信提供支持，是5G真正革命性的一個(gè)方面，因為它提供了在實(shí)際應用中尚未出現的性能等級。增加對URLLC的支持可實(shí)現智能交通等應用，包括能夠在復雜的路況下導航并通過(guò)相互協(xié)作避免碰撞的車(chē)輛，以及與第四次工業(yè)革命相關(guān)的應用場(chǎng)景，包括時(shí)間關(guān)鍵型的工廠(chǎng)自動(dòng)化等。它還包括遠程醫療，其中包括測量生命體征并根據需要自動(dòng)或半自動(dòng)響應的設備，以及遠程治療，包括在救護車(chē)上、在災難情況下或在偏遠地區，根據遠程醫生的實(shí)時(shí)指導進(jìn)行的手術(shù)。

在所有這些情況下，連接都需要非常穩定，并且需要以毫秒級或更低的端到端延遲速率運行。3GPP規范的R16和R17版本中定義了支持URLLC所需的主要功能。換句話(huà)說(shuō)，URLLC代表著(zhù)5G的未來(lái)，即使這個(gè)未來(lái)只有幾年的時(shí)間。

每個(gè)3GPP規范版本中都增加了各種功能，旨在解決這三個(gè)類(lèi)別在不同方面的問(wèn)題。在早期的規范版本中，已經(jīng)解決了今天已經(jīng)活躍或即將到來(lái)的特定應用場(chǎng)景，而未來(lái)的應用場(chǎng)景將在以后的版本中得到解決——所有這些都是5G持續發(fā)展的一部分。

圖2 5G應用場(chǎng)景分類(lèi)

滿(mǎn)足3GPP的R17和R18版本要求的演進(jìn)

5G的演進(jìn)發(fā)展帶來(lái)了一系列新的標準，這些標準得到了參與ETSI 3GPP組織的多家公司的認同。但5G標準的演進(jìn)可能帶來(lái)哪些技術(shù)要求呢？

下圖顯示了3GPP新標準制定過(guò)程的當前狀態(tài)。當今5G網(wǎng)絡(luò )中部署的設備主要由3GPP規范R15版本和R16版本中規定的技術(shù)組成。更先進(jìn)的應用場(chǎng)景和由此產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò )需求將由3GPP規范的未來(lái)版本（R17和R18版本）來(lái)滿(mǎn)足。

今天，3GPP已經(jīng)通過(guò)了R17版本（Rel-17）工作的中點(diǎn)，并計劃在2022年中期發(fā)布。與此同時(shí)，圍繞R18版本（Rel-18）目標范圍的討論正在順利進(jìn)行。3GPP將Rel-18及其后續版本稱(chēng)為5G Advanced，以確認該技術(shù)的發(fā)展。

Rel-17的功能旨在提高現有和新應用場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò )性能。這些新功能在下圖中被分為三類(lèi)：

空中接口和管理功能：

●   上下拆分L1處理和卸載 – 用于上行和下行信道的L1內核加速

●   復雜的L1 MAC調度加速

●   頻譜效率、波束管理和動(dòng)態(tài)頻譜共享

●   靈活的DFE處理/卸載

連接性和安全性：

●   eCPRI卸載和處理（Split 7.x DU/RU靈活性）

●   回傳和安全卸載

●   網(wǎng)絡(luò )處理和平衡，包括緩沖區和隊列管理

計算和應用加速：

●   C和U平面管理：在用戶(hù)路徑選擇策略中的應用機器學(xué)習/人工智能（ML/AI）

●   網(wǎng)絡(luò )數據分析

●   將邊緣計算托管放在更接近于無(wú)線(xiàn)電單元的地方

●   帶機器學(xué)習的無(wú)線(xiàn)電和基于應用的處理

本文將在后面的章節中將對這些類(lèi)別和特征進(jìn)行更詳細的討論。

圖3 3GPP規范新版本時(shí)間表

Rel-18或5G Advanced（5G-A）在Rel-17基礎上更上一層樓，通過(guò)在無(wú)線(xiàn)電和網(wǎng)絡(luò )層次結構中集成機器學(xué)習技術(shù)來(lái)提供更智能的網(wǎng)絡(luò )解決方案，以支持新的更多的應用場(chǎng)景，并提高網(wǎng)絡(luò )效率。具體到無(wú)線(xiàn)電方面的變化，Rel-18（先進(jìn)天線(xiàn)系統）是支持提高頻譜效率的主要工具，進(jìn)一步增強了波束形成和大規模多輸入/多輸出（MIMO），特別是在中頻段和低于6 GHz的頻譜中。

就5G-A的新應用場(chǎng)景而言，除了汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域，還有國家安全和公共安全應用。在這些應用場(chǎng)景中，這些新功能可用于支持無(wú)人機的遠程控制和惡意無(wú)人機檢測等。

5G網(wǎng)絡(luò )分層結構和無(wú)線(xiàn)電——下一代網(wǎng)絡(luò )推動(dòng)了對多樣化解決方案的需求

有許多驅動(dòng)因素影響著(zhù)對平臺多樣性的需求。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商一直希望將他們的網(wǎng)絡(luò )建立在基于網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò )（SDN）的技術(shù)上，并在商用現成（COTS）服務(wù)器上運行。然而，Achronix認為單一的同質(zhì)化設計無(wú)法滿(mǎn)足5G發(fā)展的所有要求。不同的工作負載給網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)了不同的壓力，從而推動(dòng)對不同解決方案的出現，以來(lái)滿(mǎn)足這些需求。

新的架構將能夠靈活地在集中式單元和分布式單元之間拆分和移動(dòng)5G NR功能，這種架構帶來(lái)的好處包括：

●   更靈活的硬件實(shí)現方式，支持更具可擴展性、更具成本效益的解決方案。

●   能協(xié)調性能特征、負載管理、實(shí)時(shí)性能優(yōu)化等功能，并根據應用場(chǎng)景啟用NFV/SDN技術(shù)。

●   不同的部署場(chǎng)景可賦能eMBB、uRLLC和mMTC等不同的應用場(chǎng)景。反過(guò)來(lái)，這些不同的部署場(chǎng)景通過(guò)適應網(wǎng)絡(luò )分層結構/架構（例如ORAN）的變化，以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò )切分等新功能動(dòng)態(tài)分配網(wǎng)絡(luò )資源，進(jìn)而支持無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的發(fā)展。

新的網(wǎng)絡(luò )/功能切分可能會(huì )影響對不同設備和系統級芯片（SoC）選擇的需求。

圖4 應用場(chǎng)景、切分和多樣性

上圖顯示了3GPP標準中規定的不同選項切分，以支持新興的應用場(chǎng)景和相應的不同流量類(lèi)型。該圖顯示了L1、L2和L3的不同split，以及在CU、DU和RU上相應地運行的不同功能。其中兩個(gè)最受歡迎的選項是：

●   L2 Option 6 split，這時(shí)上層功能被集中在網(wǎng)絡(luò )中，但與無(wú)線(xiàn)電相關(guān)的特定流量調度和無(wú)線(xiàn)電鏈路控制被推向更靠近射頻網(wǎng)絡(luò )的位置。

●   L1 Option 7.x split，此時(shí)上層的L1處理被集中于L2和L3功能，只有下層L1 Phy功能被填充到RU中。

下圖以圖形方式展示了5G NR帶來(lái)的挑戰，即支持某些新天線(xiàn)配置所需的大量處理性能。圖中左側為具有2路發(fā)送和2路接收（2T2R）的低頻段（20 MHz）MIMO天線(xiàn)，右側為具有64路發(fā)送和64路接收（64T64R）的中頻段（100 MHz）天線(xiàn)。從低頻段到中頻段的演進(jìn)支持更高的頻譜通道，有可能實(shí)現頻譜共享、雙連接和4G載波聚合。這些中頻段要求還需要支持低于0.5 ms傳輸間隔，以及需要大量的波束形成和定向處理。

因此，如下圖所示，此時(shí)所需的計算能力，尤其是L1處理所需的計算能力，隨著(zhù)這些更高的帶寬開(kāi)始呈指數級增長(cháng)?？罩薪涌诘牡?層處理，以及管理中頻段頻譜波束形成和定向，需要比低頻段部署更高的處理要求。

圖5 5G低頻段和中頻段頻譜所需的處理負載（來(lái)源：愛(ài)立信博客）

為了滿(mǎn)足L1處理負載的要求，業(yè)界必須考慮引入不同的異構解決方案，以高效地滿(mǎn)足處理需求（從性能和功耗的角度來(lái)看）。再加上新的網(wǎng)絡(luò )/功能split，這些新的解決方案可能會(huì )帶來(lái)多樣化的設備和SoC選項需求。因此，單一的同質(zhì)化解決方案無(wú)法滿(mǎn)足所有的RAN需求。

5G設備的分布化推動(dòng)了對靈活性和加速功能的需求

在Rel-17和Rel-18中提出的新要求推動(dòng)了對更高靈活性，以及從單一CPU架構子系統中加速卸載負載的需求。下圖顯示了5G網(wǎng)絡(luò )中的主要單元：RU、DU和CU。對于這些單元中的每一個(gè)，都需要考慮如何利用由CPU、DSP和加速器（例如GPU、FPGA和eFPGA）構成的異構架構，來(lái)滿(mǎn)足這些新設計的延遲、功耗、面積和成本目標。

網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商一直希望盡可能多地使用云原生、基于軟件的技術(shù)來(lái)實(shí)現所有的RAN功能（基于RAN的集中式部署），并假設在基于x86或Arm^?的CPU平臺上運行的解決方案能夠最大限度地提高靈活性。研究表明，對于低頻段部署（大約600-700 MHz，服務(wù)帶寬為50-25 Mbps），基帶和控制可以在CPU平臺上以最小量的加速卸載來(lái)提供服務(wù)。其結果是實(shí)現了集中的DU和CU功能，使用光纖連接到RU，在無(wú)線(xiàn)電中只有最少的處理功能。

在各種部署中，都可以利用一個(gè)COTS服務(wù)器來(lái)處理一個(gè)具有單個(gè)CPU內核的低頻段單元的所有事務(wù)。對于這些類(lèi)型的部署，將軟件中的所有內容作為虛擬化或容器化工作負載運行，其性能、成本和功耗需求都是可行的。在這種情況下，從圖中可以看出，DU中的L2+功能以及L1的大部分處理都可以與CU中的核心網(wǎng)絡(luò )功能一起位于小型服務(wù)器中。

然而，隨著(zhù)各種部署轉向6 GHz以下的中頻段，如大約在3.5至3.6 GHz范圍內，正如在前面的圖中所看到的，無(wú)線(xiàn)電處理（包括L1模塊中的基帶功能和L2模塊中的大部分功能）幾乎呈指數級增長(cháng)。在這種情況下，下行和上行處理負載會(huì )增加20-40倍。在沒(méi)有加速功能的情況下，運行一個(gè)帶有完整負載的中頻段單元將需要超過(guò)16個(gè)x86內核。然而，這樣一個(gè)系統的成本和功耗在商業(yè)上是不可行的，因此需要將某些L1層和L2層功能卸載到專(zhuān)用硬件中，其重要性在未來(lái)日益凸顯——硬件加速器要么位于CU中，要么分布在遠程DU和RU中更接近于無(wú)線(xiàn)電接口的位置。

圖6 5G設備的分散化推動(dòng)了對更高靈活性和加速功能的需求

除了CNF/VNF之外，這里列出的項目是從x86、Arm或R5 CPU子系統中卸載工作負載到硬件加速器的理想選擇。一些示例如下：

●   在盒子之間的接口上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )處理和分類(lèi)管理，包括傳輸/后傳/安全接口、eCPRI前傳接口，或需要流量管理器、分類(lèi)器等的地方

●   L1處理和波束形成是必須使用加速的另一個(gè)領(lǐng)域，可利用DSP或eFPGA技術(shù)或兩者兼而有之來(lái)實(shí)現加速功能，這對實(shí)現吞吐量最大化和優(yōu)化功耗至關(guān)重要。

此外，在2025年前，幾乎所有RAN SoC的默認要求都可能是機器學(xué)習加速——這一功能不僅可以應用于在5G上運行的應用場(chǎng)景中的學(xué)習和推理功能，還可以應用于RAN L1物理層的增強。研究表明，AI/ML可以顯著(zhù)提高L1 PHY性能，其中第一個(gè)研究領(lǐng)域是AI/ML增強可以應用于波束管理、信道估算和預測。

5G Advanced、eFPGA和FPGA加速

未來(lái)，FPGA和eFPGA技術(shù)可用于5G設計的各個(gè)領(lǐng)域。正如前面所討論的，在可編程性和計算效率之間總是存在著(zhù)利弊權衡。雖然CPU提供了終極的可編程性，但基于圖形處理器（GPU）、FPGA和專(zhuān)用集成電路（ASIC）的硬件解決方案總是提供更低功耗這一優(yōu)勢，但靈活性卻大大降低。

從歷史上看，FPGA已被廣泛用于前幾代的蜂窩網(wǎng)絡(luò )的設計中。在3G和4G設計中，系統的重要部分是圍繞獨立FPGA設計的。這些FPGA用于加速空中接口的某些功能，它們與基帶單元上用于空中接口處理的DSP緊密結合。FPGA還用于CPRI連接的傳輸和安全接口、機箱接口和回傳以及安全接口。

在A(yíng)SIC中集成FPGA功能可使5G設計所面臨的一些挑戰得以解決。與獨立FPGA相比，在SoC中集成eFPGA功能可以提供一種更低成本的解決方案，因為設計人員能夠只選擇嵌入所需的資源，同時(shí)減少了電路板面積、增加了封裝和I/O。在與CPU和DSP資源緊密耦合的SoC上進(jìn)行集成，可提供更高的帶寬、更低的延遲和更低的功耗，同時(shí)還能隨著(zhù)規格的變化對已部署的設備進(jìn)行實(shí)時(shí)現場(chǎng)升級，從而提高靈活性。

圖7 5G Advanced：用于異構計算加速的eFPGA IP和FPGA

在上圖中，紅色方框說(shuō)明了如何使用Achronix eFPGA和FPGA技術(shù)將靈活性集成到全新的RU、DU和CU設計中，其實(shí)現方式既可以是一個(gè)獨立的器件、單片SoC，也可以在chiplet設計中作為其中一顆晶粒被封裝在多芯合封模塊中。

對于CU和核心RAN應用，可以使用一個(gè)或多個(gè)FPGA來(lái)支持非常高的數據速率和計算密度，以幫助服務(wù)器卸載各種面向特定的網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)電的工作負載。

Achronix正在與該領(lǐng)域內的許多伙伴進(jìn)行合作，他們正在開(kāi)發(fā)有針對性的解決方案。Napatech和Accolade等公司正在開(kāi)發(fā)面向智能網(wǎng)卡（SmartNIC）的FPGA半導體知識產(chǎn)權（IP）。這些SmartNIC可用于多種不同的5G需求，包括用于基于vRAN部署的DU。由此產(chǎn)生的設計包括用于網(wǎng)絡(luò )、PDCP、安全（空中接口和回傳）、OVS和L1卸載的技術(shù)。未來(lái)，這些解決方案很可能還將用于多接入邊緣計算的機器學(xué)習推理，特別是無(wú)線(xiàn)電應用。

上圖中的紅色單元代表了RU和DU中的eFPGA功能，以及如何將一個(gè)或多塊嵌入式FPGA（eFPGA）邏輯塊與CPU、DSP和存儲子系統一起集成到SoC設計中。

在SoC上集成eFPGA

eFPGA是集成到定制SoC或ASIC中的內核。該IP可以通過(guò)購買(mǎi)授權獲得并使用，這類(lèi)似于半導體設計中使用的其他IP。與獨立FPGA的設計過(guò)程不同，eFPGA設計人員可以根據其客戶(hù)應用的需要，選擇確切數量的邏輯、DSP和存儲資源。在進(jìn)入大批量生產(chǎn)時(shí)，eFPGA還可通過(guò)取代獨立的FPGA來(lái)降低系統成本、功耗和電路板面積。

Speedcore? eFPGA IP架構包含了許多架構性增強功能，可顯著(zhù)提高性能、降低功耗并縮小芯片面積。在選擇Speedcore eFPGA時(shí)，設計人員可以選擇架構性單元的最佳組合，包括：

●   邏輯 – 6輸入查找表（LUT）及集成廣泛的MUX功能和快速加法器

●   邏輯RAM – 對于LRAM2k，每個(gè)存儲塊容量為2 kb；對于LRAM4k，每個(gè)存儲塊容量為4 kb

●   塊RAM – 對于BRAM72k，每個(gè)存儲塊容量為72 kb；對于BRAM20k，每個(gè)存儲塊容量為20 kb

●   DSP64 – 每個(gè)單元塊上帶有18 × 27乘法器、64位累加器和27位預加器

●   機器學(xué)習處理器（MLP） – 每單元塊上有32個(gè)乘法器/累加器（MAC），支持整數和浮點(diǎn)格式

在基于SoC的設計中集成eFPGA功能是一種理想的方式，可以提供一個(gè)靈活的、可擴展的平臺，以最大限度地提高RAN設計性能，同時(shí)仍能滿(mǎn)足這些新設計嚴格的功耗目標。集成eFPGA技術(shù)可以在提供獨立FPGA所具有的優(yōu)勢之外，還可以提供一些額外的優(yōu)勢：

●   與CPU或GPU方案相比，在相同的計算能力下，這些基于eFPGA的設計的功耗更低，并可靈活地增加和更改功能。

●   eFPGA的可重新配置特性提供了靈活性，以滿(mǎn)足不斷演進(jìn)發(fā)展的標準，并可對已部署在現場(chǎng)的設備進(jìn)行更新

●   一個(gè)低延遲、高能效、高度靈活的eFPGA IP塊可以在多個(gè)SoC設計中重復使用

將FPGA功能與CPU、DSP和存儲子系統緊密耦合也帶來(lái)了優(yōu)勢。獨立的FPGA芯片是通過(guò)它自己及其他芯片上集成的高速SerDesS/PHY與它們相連，它們都需要消耗電能。將eFPGA集成到SoC中，就可以消除設計中兩側芯片對SerDes接口的需求，并且只需要部署您實(shí)際需求所需的功能，因而在芯片面積上也當然有所節省。

設計人員可以選擇集成單個(gè)或多個(gè)eFPGA實(shí)例，它們可以被集成在一顆SoC中的任何地方，其大小可以從幾千個(gè)LUT擴展到幾十萬(wàn)個(gè)LUT。這些eFPGA實(shí)例可以與CPU子系統緊密耦合，以高效地利用共享緩存和存儲子系統來(lái)執行高性能、低延遲的任務(wù)。例如，Arm提供的可CHI-E總線(xiàn)作為其架構的一部分，支持一致的網(wǎng)狀互連，從而支持一些應用程序將CPU上的高負載卸載到eFPGA單元塊中進(jìn)行專(zhuān)項處理。

圖8 使用eFPGA來(lái)滿(mǎn)足ASIC/SoC中的5G Advanced功能：RU、DU（和CU）實(shí)現

Speedcore eFPGA技術(shù)已經(jīng)過(guò)量產(chǎn)驗證。我們的客戶(hù)已經(jīng)為這些類(lèi)型的應用提供了超過(guò)1000萬(wàn)個(gè)搭載該IP的器件，它們已被用于各種功能，包括支持eCPRI連接、后傳和安全接口、用于數字預失真適應的無(wú)線(xiàn)電數字前端（DFE）算法功能卸載、波束形成卸載以及帶有Split L1（I/FFT、RACH、LDPC等）的基帶重新分隔。

eFPGA作為5G NR功能的加速器

Achronix的目標是使用Speedster^?獨立FPGA芯片和Speedcore eFPGA IP技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足5G-A和6G的需求。Achronix與合作伙伴一道致力于開(kāi)發(fā)各種解決方案，以應對影響5G發(fā)展所面臨的當前和長(cháng)期趨勢。Achronix的技術(shù)可以提供的一些優(yōu)勢包括：

●   用于加速各種5G工作負載的高性能架構——Achronix為每種功耗/面積預算提供高性能的解決方案，并支持FPGA和eFPGA技術(shù)以卓越的能效加速工作負載。

●   多樣化的解決方案和生態(tài)系統——Achronix支持設計人員可以自由地緊密耦合定制加速器，并為基于eFPGA和FPGA的環(huán)境提供補充操作。Achronix生態(tài)系統包括了廣泛的合作伙伴，共同推動(dòng)包括eCPRI、無(wú)線(xiàn)電卸載和芯片到芯片（C2C）互連等5G功能創(chuàng )新。

●   可從云擴展到無(wú)線(xiàn)電接口——Achronix解決方案提供了為服務(wù)器卸載工作負載所需的性能，包括適用于5G應用的FPGA SmartNIC設計，以及通過(guò)eFPGA擴展性能來(lái)滿(mǎn)足RAN中的吞吐量和功耗需求。此外，該架構可在其間的所有的點(diǎn)上進(jìn)行擴展。

本文重點(diǎn)介紹了5G演進(jìn)發(fā)展過(guò)程中面臨的主要挑戰：

●   數據處理——為實(shí)現更高的頻譜效率并滿(mǎn)足端到端的延遲要求，5G RAN需要在數據處理中執行更復雜的算法。在考慮這些算法的需求時(shí)，重要的是要在硬件和軟件任務(wù)之間找到適當的平衡，以便系統達到其性能、功耗和成本的目標。對于從CPU子系統中卸載工作負載，eFPGA是一種理想的選擇。

●   部署場(chǎng)景——一種給定的RAN所支持的特定應用場(chǎng)景對整個(gè)系統有很大的影響，因為每個(gè)應用場(chǎng)景（mMTC、eMBB、URLLC）都有其獨有的特點(diǎn)。一種方案可能不適用于所有場(chǎng)景。決定如何在不同的設備之間劃分網(wǎng)絡(luò )功能以支持給定的應用場(chǎng)景集可能會(huì )影響RAN設計。

●   無(wú)線(xiàn)電和頻譜——5G使用更多的頻譜，設備在低頻段（低于1 GHz）、中頻段（1 GHz至2.6 GHz或3.5 GHz至8 GHz）和高頻段（24 GHz至40 GHz）運行。每個(gè)頻段對邊緣性能、容量、速度和延遲都有自己的一組要求。隨著(zhù)新的頻譜資產(chǎn)可用，這些不同的要求需要由RAN系統來(lái)滿(mǎn)足。

●   供應鏈和生態(tài)系統——5G正在以多種方式顛覆供應鏈。一些計劃旨在減少對供應商的依賴(lài)，同時(shí)專(zhuān)有和開(kāi)放軟件平臺的可用性也在日益增加?；A設施的支持等級也因地區而異。原始設備制造商（OEM）可能需要重新評估和修正他們的生態(tài)系統合作伙伴關(guān)系。

●   新興標準——對5G標準演進(jìn)的投資規模是巨大的，以支持新的應用場(chǎng)景和附加功能。特別是Rel-17和Rel-18將支持許多新的應用場(chǎng)景。除了3GPP，還有一些獨立的行業(yè)組織，如電信基礎設施項目（TIP）和Open RAN聯(lián)盟（O-RAN），他們正在致力于5G運營(yíng)和部署方面的工作。越來(lái)越多的人傾向于將O-RAN聯(lián)盟作為推動(dòng)接口規范發(fā)展的關(guān)鍵行業(yè)組織。

總結

無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)和5G網(wǎng)絡(luò )分層結構將發(fā)生變化。將設備形態(tài)從今天的基帶和無(wú)線(xiàn)電功能分散到單獨的盒子中，將要求功能可能位于網(wǎng)絡(luò )的多個(gè)不同部分，以支持不同的可選split項。未來(lái)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商將需要使用切分技術(shù)動(dòng)態(tài)地劃分網(wǎng)絡(luò )功能。隨著(zhù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )功能的虛擬化，使用運行在商用標準化（COTS）服務(wù)器上的容器化和虛擬化功能將變得非常普遍。然而，5G的成功取決于實(shí)現靈活的、可擴展的平臺，其功耗、吞吐量和延遲是支持L1和天線(xiàn)中大規模MIMO的關(guān)鍵，尤其是在RAN中。在網(wǎng)絡(luò )分層結構中，邊緣計算等新功能將需要把機器學(xué)習功能推向更靠近無(wú)線(xiàn)電接口的位置。帶有CPU和DSP功能的可擴展、異構SoC架構，加上其可將工作負載卸載到FPGA和基于A(yíng)SIC、SoC、ASSP的eFPGA上的加速能力，將因為可滿(mǎn)足近期和中期的5G規范變化而被廣泛采用。

總之，eFPGA IP是應對這些新設計挑戰的關(guān)鍵要素，這是因為它具有可擴展功能，用以滿(mǎn)足3GPP R17和R18即5G Advanced和6G中的新規范，以及實(shí)現一些尚未可知的功能。