如何通过高性能CPU和FPGA可重编程的SoC架构应对5G挑战

1.引言

我们目前处于蜂窝连接的转型时期，未来无处不在的无线连接正在兴起。在全球范围内，2G、3G和4G的成功推动手机使用量达到了令人难以置信的75亿部。令人震惊的是，这使得移动设备的数量比全球人口还要多。或许更具影响力的是，蜂窝连接对那些之前被数字化剥夺权利的人产生的影响；例如，2016年撒哈拉以南非洲地区每100人通常有1部固定电话，但有74台移动连接设备。

展望未来十年，随着5G的出现，无线基础设施将变得更加普遍，甚至与我们日常生活的方方面面完全融为一体。 5G延续了先前蜂窝标准（在驱动带宽方面）的模式，但也将其扩展到更多设备和使用模式。

主要趋势包括：

1．对增强型移动宽带（eMBB）和其他应用的带宽增加需求，特别是以10倍现有吞吐量或者更高速率驱动的瞬时可用带宽。

a. 这将是5G标准化带来的首波驱动力，其中3GPP已于2017年完成非独立（即LTE辅助）新无线电（NR），2018年可提供5G独立版，如图1所示。

b. 5G的部署也将根据频段情况分阶段进行，首先部署6GHz以下，然后是毫米波（mmWave）频率的连续频段，以便在稍后阶段支持关键eMBB应用。

如何通过高性能CPU和FPGA可重编程的SoC架构应对5G挑战

图1：5G的ITU和3GPP时间表

2．随着物联网（IoT）蜂窝网络连接的到来而连接到大量的设备。预计到2020年将有500亿台蜂窝网络连接的设备。这些需求当中的一部分可以通过现有标准满足，同时也要靠Release 16版本中海量机器类通信（mMTC）的现有规范去实现了。

3. 新的应用模式也在不断涌现，这对移动设备及其蜂窝无线基础设施提出了新的要求。示例包括：

a.用于连接多个电池供电物联网端点的低带宽、低功耗的要求，以实现mMTC相关的连接和监控；

b.用于车辆到车辆和车辆到基础设施的连接（C-V2X）高可靠性、低延迟蜂窝网络，以补充现有的V2X解决方案

c.为远程手术和增强/虚拟现实等新兴应用提供的高可靠性、低延迟支持

后两类应用将通过即将推出的3GPP超可靠、低延迟连接（URLLC）标准来解决。

4. 对边缘分析和移动边缘计算（MEC）的新需求。计算重心正在从以前估计的将数据发送到集中式计算资源进行处理，转变为移到位于数据生成原点附近的分布式计算资源的新范例。造成这种转变的原因是多方面的：新兴应用严格的延迟要求、越来越庞大的数据量，以及优化稀缺网络资源的愿望等等许多方面。

2.基带

在本文中，我们考虑如何通过具有高性能CPU子系统和包括FPGA可重编程加速硬件处理单元的SoC架构来成功应对5G的独特需求。

基带从网络接口（例如以太网）获取数据，并将其转换为通过前传（Fronthaul）接口传输到射频前端进行传入/传出的复杂样本。以下高级原理图包括用于LTE下行链路的发送器（图2a），以及用于上行链路的接收器（图2b）。

如何通过高性能CPU和FPGA可重编程的SoC架构应对5G挑战

（a）下行链路

如何通过高性能CPU和FPGA可重编程的SoC架构应对5G挑战

（b）上行链路

图2：基带处理的高级原理图

3.基带L1处理的案例研究

在这里，我们举例说明如何将基带处理（尤其是Layer-1层）映射到关键处理元器件上，如处理器子系统、CPU和DSP内核，以及固定和灵活的硬件加速，如图3所示。

图3：关键基带处理元器件

3.1. 前传（天线接口）连接

除了前面描述的处理元器件之外，还有一个灵活的天线接口功能模块：这是连接基带和射频单元所需的元件。传统上，这是通用公共无线电接口（CPRI），有时是开放式基站架构计划（OBSAI）兼容的部分。

然而，越来越多的方案在转向指定一个更灵活的前传接口，以允许基带和RF前端之间的不同映射（如图4所示）。IEEE对下一代前传接口NGFI（IEEE1914）进行了持续的跟进，包括用于基于分组的前传传输网络标准IEEE1914.1和以太网无线电（RoE）包封和映射标准IEEE1914.1。同时，还有其他行业项目指定了5G前传接口并可共享，例如eCPRI。

鉴于前传接口面临的各种规范、标准和要求，FPGA很适合其应用，并通常用于支持此接口，如图3所示。

3.2. 可加速5G上市时间的分立结构

图4将5G所需的处理元器件映射为具有独立器件的分立式架构，包括CPU SoC、辅助FPGA加速和天线接口。此配置反映了在可以提供经过优化的5G专用集成电路（ ASIC）之前，可以在5G原型设计和早期量产中部署的实施方案。

·CPU系统级芯片里面包括：Arm处理器组合以及用于Layer-1处理和硬化加速器的DSP内核，用于固定的、明确定义的功能。

在此示例中，假设现有的4G ASIC SoC可用，因此具有通用加速（例如MACSEC）以及LTE特定加速：前向纠错（特别是turbo编解码器）、快速傅立叶变换和离散傅里叶变换，以在上行链路上支持SC-FDMA。

·灵活的天线接口

如前所述，前传天线接口非常适合用FPGA来实现。这是在线配置的，数据从射频单元发出（在上行链路上），然后是被转换为诸如以太网等具有标准连接的协议。

·硬件加速FPGA

辅助加速FPGA实现了在基带SoC上不可提供的所有必要的计算密集型功能。这可以是5G特定的功能或先前未曾规划的功能。
在此处显示的示例中，使用了CCIX互连。该标准允许基于不同指令集架构的处理器将缓存一致性、对等处理的优势扩展到包括FPGA和定制ASIC在内的多种加速器件上。

图4：可加速5G上市时间的分立结构

3.3. 基于Chiplet的5G实现

图5显示了与图4所示类似的架构，但是使用了基于系统级封装芯片（chiplet）的方法进行了重新配置。在这种情况下，一个采用了更高带宽、更低延迟和更低功耗的接口将CPU SoC片芯晶粒与辅助硬件加速chiplet芯片连接起来。支持前传连接到射频单元的FPGA器件在该示例中可以但并不是封装集成在其中的；但实际上，如果有足够的资源，它可以是与硬件加速chiplet芯片相同的chiplet器件。

图5：基于Chiplet的方法可实现更高的集成度

用于封装集成的两种主要技术是使用硅中介层或有机基板，以及某种形式的超短距离（USR）收发器。

3.4.完全集成的5G实现方式

最后，图6展示了本文考虑的最终、最高集成度的基带架构。该方法包括与先前相同的处理元件，具有相同的功能，但嵌入式FPGA（eFPGA）集成在了芯片内。

图6：采用单片集成的、应用于5G基带的异构多核系统级芯片

这种紧密集成的单片集成方法具有许多优点。与基于chiplet的方法相比，该接口具有更高的带宽、更低的延迟和更低的每比特能耗。此外，资源组合可以根据所考虑的特定应用进行定制，因此避免了不需要的接口、存储器和核心逻辑单元。这样可以实现以上所考虑的三种架构中最低单位成本。

如前所述，现在的主要目标是提供更快的上市时间、更高灵活性和未来可用性。之所以能加快了上市时间，是因为SoC可以提前流片，因为可以针对eFPGA进行后期修改（例如5G标准中Polar码的出现）而不是完成即固定的ASIC。来自新算法或者未预计算法（例如新的加密标准）的灵活性可以通过嵌入式可编程逻辑而不是软件或外部FPGA来解决。最后，未来可用性可以延长SoC的生命周期，因为诸如URLLC和mMTC等新标准等大批量新兴需求可以通过现有产品解决，而不需要进行新的开发。