滿足5G無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施的故障安全要求

作者：賽普拉斯Manish Garg

如果您一直關(guān)注有關(guān)5G的新聞，您就會(huì)知道它可以顯著提高帶寬，較高可達(dá)10Gbps。此外，它還具有低于1ms的系統(tǒng)時(shí)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(jì)算等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大量新應(yīng)用。除了高帶寬和超低時(shí)延以外，這些應(yīng)用還需要具備另外兩個(gè)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(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中NOR Flash 存儲(chǔ)器的重要選擇標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)

為了在壓縮的上市時(shí)間內(nèi)響應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）以及互補(bǔ)式片上系統(tǒng)（SoC）在各種無(wú)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(dòng)時(shí)進(jìn)行配置。FPGA和SoC可以通過(guò)各種類型的存儲(chǔ)器進(jìn)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(chǔ)器可在初始響應(yīng)和啟動(dòng)時(shí)提供高可靠性，并具有低時(shí)延，同時(shí)能在市場(chǎng)上存活10年或更長(zhǎng)時(shí)間。此外，與浮柵技術(shù)相比，MirrorBit技術(shù)（每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)兩位）的進(jìn)步支持更大的密度縮放。更高的密度可實(shí)現(xiàn)5G無(wú)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(chǔ)器已廣泛用于無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中，用來(lái)配置FPGA和SoC，從而快速可靠地啟動(dòng)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(duì)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(huì)變得更糟。在這些頻率下，由于自由空氣衰減且信號(hào)無(wú)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(zhǎng)干涉以增強(qiáng)接收端的信號(hào)，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(shí)現(xiàn)5G接入單元的關(guān)鍵。對(duì)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(chǔ)器，用于配置FPGA/SoC。對(duì)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(guò)兩種不同的接口類型（并行和串行）來(lái)配置/啟動(dòng)閃存。雖然并行接口支持更快的讀寫時(shí)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(jiàn)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(jìn)行新系統(tǒng)設(shè)計(jì)。串行接口同時(shí)減少存儲(chǔ)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(dá)400MB/秒的性能，與并行接口相媲美。請(qǐng)注意，雖然較近發(fā)布的賽靈思Versal FPGA可支持Octal SPI和Q-SPI接口，但14nm及更高級(jí)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(gè)重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)。如今，用于5G的FPGA/SoC將以較先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)開(kāi)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(chǎng)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(xù)向更小的外形尺寸和電源電壓邁進(jìn)，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(gè)電源電壓，但1.2V組件需要兩個(gè)不同的電源。一個(gè)用于核心，另一個(gè)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(jì)師提供更大的靈活性，但需要額外的電源。

市場(chǎng)上幾乎所有的1.2V NOR Flash存儲(chǔ)器都針對(duì)消費(fèi)類應(yīng)用。與5G無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的需求相比，消費(fèi)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(xiàng)和對(duì)FPGA中1.8V IO的廣泛支持，1.8V NOR Flash存儲(chǔ)器仍然是較適合配置各種FPGA或?yàn)闊o(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用啟動(dòng)SoC的NOR Flash。

額定溫度與低功耗模式

無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，尤其是無(wú)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(jì)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(jì)師通常選擇高于工業(yè)級(jí)溫度（-40^OC至+105^OC）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(hù)帶，并確保在上述高溫下啟動(dòng)和運(yùn)行。 

深度節(jié)能與待機(jī)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(jī)模式，可以在配置完成后通過(guò)將NOR Flash組件置于低功耗狀態(tài)來(lái)幫助降低功耗。

耐用性與數(shù)據(jù)保留

NOR Flash針對(duì)可靠性與性能進(jìn)行了優(yōu)化，而不是成本（與NAND Flash和SD卡等以消費(fèi)者為導(dǎo)向的技術(shù)不同）。該技術(shù)使用相對(duì)較大的存儲(chǔ)單元，可提供高耐用性與較長(zhǎng)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(zhǎng)達(dá)10年的數(shù)據(jù)保留能力也不足為奇。請(qǐng)注意，通常人們不會(huì)擔(dān)心此類應(yīng)用的耐用性，因?yàn)?/span>Flash只能寫入少量次數(shù)。如果我們只考慮將配置圖像存儲(chǔ)在Flash中，則情況確實(shí)如此。此外，一些設(shè)計(jì)師還使用Flash來(lái)高速緩存事務(wù)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)錯(cuò)誤日志。在這種使用場(chǎng)景下，系統(tǒng)日志每隔幾分鐘就會(huì)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(guò)較大耐用性規(guī)格而無(wú)損耗平衡。

市場(chǎng)上的新產(chǎn)品通過(guò)提供高達(dá)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?yàn)槟陀眯院蛿?shù)據(jù)保留之間的平衡進(jìn)行優(yōu)化。這些更高可靠性的產(chǎn)品有時(shí)會(huì)帶有詳細(xì)的故障模式影響分析，可幫助設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)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(cè)和詳細(xì)的安全分析報(bào)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(jī)制和診斷范圍（參見(jiàn)面向汽車與功能安全的NOR Flash）。

安全功能

較近有一份針對(duì)全球電信公司的長(zhǎng)期大規(guī)模攻擊的新聞報(bào)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?cè)絹?lái)越關(guān)注無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的保護(hù)。保障這些系統(tǒng)安全的較簡(jiǎn)單的方式是通過(guò)部署安全啟動(dòng)和訪問(wèn)控制流程來(lái)保護(hù)配置圖像/啟動(dòng)代碼。為了對(duì)保護(hù)嵌入式系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的興趣做出響應(yīng)，NOR Flash供應(yīng)商已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)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(yàn)證和訪問(wèn)控制以及安全啟動(dòng)。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(duì)配置圖像/啟動(dòng)代碼進(jìn)行篡改，并確保網(wǎng)絡(luò)持續(xù)可用。

在存儲(chǔ)FPGA配置圖像和SoC啟動(dòng)代碼方面，NOR Flash比NAND和SD卡更受歡迎。5G無(wú)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(jí)溫度的NOR Flash來(lái)配置或啟動(dòng)系統(tǒng)中使用的FPGA和/或SoC。隨著設(shè)計(jì)師開(kāi)始研究5G無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品，人們?cè)絹?lái)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(dòng)駕駛汽車等應(yīng)用的需求。閃存供應(yīng)商現(xiàn)在開(kāi)始推出提供功能安全和安全啟動(dòng)機(jī)制的產(chǎn)品。這些功能使設(shè)計(jì)師能夠?qū)⑾到y(tǒng)級(jí)安全與安全功能的一些處理工作卸載到存儲(chǔ)器中。此外，可用的附屬品有助于實(shí)現(xiàn)這些功能并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。較終，選擇合適的存儲(chǔ)器將有助于確保產(chǎn)品的成功。

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