作者：賽普拉斯Manish Garg

 

如果您一直關注有關5G的新聞，您就會知道它可以顯著提高帶寬，較高可達10Gbps。此外，它還具有低于1ms的系統時延，與現有的網絡相比，功耗大大降低。5G將在工業物聯網、車輛間通信和互聯邊緣計算等領域實現大量新應用。除了高帶寬和超低時延以外，這些應用還需要具備另外兩個不太受關注的特性，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設施應用中NOR Flash 存儲器的重要選擇標準。

 

技術

 

為了在壓縮的上市時間內響應不斷變化的市場標準，現場可編程門陣列（FPGA）以及互補式片上系統（SoC）在各種無線基礎設施應用中得到了廣泛的應用。FPGA和SoC需要在每次系統啟動時進行配置。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，與浮柵技術相比，MirrorBit技術（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5G無線基礎設施所需的單芯片1Gb和更高密度的NOR Flash產品。由于這些特性，NOR Flash存儲器已廣泛用于無線基礎設施應用中，用來配置FPGA和SoC，從而快速可靠地啟動這些設備。 

 

圖1：5G系統原理圖。64x64天線陣列增加了天線與數字前端之間的數據傳輸，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。

 

因此，收發器將不得不依賴于諸如波束成形之類的技術。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5G接入單元的關鍵。對于基站，天線可能是64x64陣列。64x64 MIMO將爆發前傳（天線與數字前端之間的連接）帶寬要求。與4G LTE數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能力和更多的收發器。這些需求的增加將導致更大的配置圖像，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數量為49。但隨著密度的每次增加（2G、4G、8G等），引腳數量就增加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，以進行新系統設計。串行接口同時減少存儲器和SoC的引腳數量，縮小PCB，從而降低成本，縮小外形尺寸。Octal SPI和HyperBus接口現在可提供高達400MB/秒的性能，與并行接口相媲美。請注意，雖然較近發布的賽靈思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準。如今，用于5G的FPGA/SoC將以較先進的工藝節點開發，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）。而較新的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和其他控制器繼續向更小的外形尺寸和電源電壓邁進，現在，1.2V NOR Flash組件將逐漸可用。雖然大多數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分離可為系統設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用。與5G無線基礎設施應用的需求相比，消費類應用本質上具有低密度，因此不適合在這些應用中配置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存儲器仍然是較適合配置各種FPGA或為無線基礎設施應用啟動SoC的NOR Flash。

 

額定溫度與低功耗模式

 

無線基礎設施設備，尤其是無線電和小型蜂窩等數字前端，通常安裝在室外并面臨極端環境條件的挑戰。更糟糕的是，系統設計師在5G中使用的組件上安裝散熱器和風扇的能力可能有限。因此，設計師通常選擇高于工業級溫度（-40^OC至+105^OC）的NOR Flash組件，以承受惡劣的環境條件，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組件上設有深度節能與待機模式，可以在配置完成后通過將NOR Flash組件置于低功耗狀態來幫助降低功耗。

 

耐用性與數據保留

 

NOR Flash針對可靠性與性能進行了優化，而不是成本（與NAND Flash和SD卡等以消費者為導向的技術不同）。該技術使用相對較大的存儲單元，可提供高耐用性與較長的數據保留。我們發現產品具有100K編程/擦除（P/E）周期的耐用性和長達10年的數據保留能力也不足為奇。請注意，通常人們不會擔心此類應用的耐用性，因為Flash只能寫入少量次數。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，一些設計師還使用Flash來高速緩存事務數據與系統錯誤日志。在這種使用場景下，系統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周期總數可超過較大耐用性規格而無損耗平衡。

 

市場上的新產品通過提供高達1M P/E周期的耐用性或25年的數據保留選擇，使工程師能夠為耐用性和數據保留之間的平衡進行優化。這些更高可靠性的產品有時會帶有詳細的故障模式影響分析，可幫助設計師設計系統，以滿足或超越5G規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，包括設備安全手冊和詳細的安全分析報告，其中記錄了產品安全架構和假設使用情況、匯總FIT率、FMEDA結果、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

 

較近有一份針對全球電信公司的長期大規模攻擊的新聞報道。安全研究公司Cybereason稱，攻擊者在這次襲擊中泄露了調用數據記錄，但是他們已經控制了網絡，甚至可以將其關閉。由于類似這樣的事件，人們越來越關注無線基礎設施設備的保護。保障這些系統安全的較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日益增長的興趣做出響應，NOR Flash供應商已經開始開發具有內置安全功能的產品，例如基于公鑰基礎設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，并確保網絡持續可用。

 

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無線基礎設施應用需要1Gb或更高密度，1.8V Q-SPI或Octal SPI，高于工業級溫度的NOR Flash來配置或啟動系統中使用的FPGA和/或SoC。隨著設計師開始研究5G無線基礎設施產品，人們越來越關注故障安全操作，以滿足電子健康、工業物聯網（IIoT）和自動駕駛汽車等應用的需求。閃存供應商現在開始推出提供功能安全和安全啟動機制的產品。這些功能使設計師能夠將系統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這些功能并縮短產品上市時間。較終，選擇合適的存儲器將有助于確保產品的成功。