賦能下一代5G平臺

將終端用戶設備連接到中央電信網(wǎng)絡和云的無線接入網(wǎng)（RAN）和相關的核心網(wǎng)絡層次結(jié)構(gòu)，對于構(gòu)建無處不在的蜂窩網(wǎng)絡連接至關重要，它將擴大該技術(shù)所支持的應用場景的數(shù)量和廣度。在制定開發(fā)和實施5G RAN和核心設備戰(zhàn)略時，要對5G的要求有一個深層次的理解，并了解該技術(shù)將在何處、如何以及何時發(fā)展，有助于管理預期。

本文概述了5G標準和推廣的現(xiàn)狀，總結(jié)了5G RAN需要支持的全新的應用場景，并研究了標準的演進以支持更高的帶寬和更多的應用場景。最后，本文還解釋了開發(fā)人員如何利用Achronix現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）技術(shù)來應對他們面臨的基本挑戰(zhàn)——通過一種節(jié)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(gòu)的優(yōu)化。

5G部署和宏觀趨勢
顯然，現(xiàn)在5G不僅僅是用于手機連接的下一代蜂窩網(wǎng)絡技術(shù)。5G和蜂窩網(wǎng)絡連接技術(shù)的發(fā)展可賦能多個全新的應用場景，并為那些以前沒有將蜂窩網(wǎng)絡連接作為其產(chǎn)品組合一部分的公司開辟了新的商業(yè)機會。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景的連接，諸如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、汽車、智慧城市和其他應用。5G旨在支撐家庭、城市和工廠中的數(shù)十億個新器件（如攝像頭和其他各種傳感器）的連接，為醫(yī)生和患者提供遠程醫(yī)療支持，支持與IT技術(shù)的融合，并全面取代有線連接。

從根本上說，5G是一種比前幾代技術(shù)更具頻譜效率的蜂窩移動通信網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)方案，具有顯著增加的空中接口容量，結(jié)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基礎設施部署開始增加，預計5G的采用速度比4G更快，移動網(wǎng)絡運營商（MNO）推出的5G網(wǎng)絡已覆蓋10億用戶，這比4G達到類似水平提前了兩年。

下表描述了引領未來技術(shù)發(fā)展和演進的宏觀趨勢。

表1：影響5G演進的宏觀趨勢

同的參與者帶來各自相關領域的專業(yè)知識。

推動5G轉(zhuǎn)型的構(gòu)建模塊?
以前的RAN架構(gòu)（2G、3G和4G）是基于單塊構(gòu)建模塊，邏輯節(jié)點之間很少有交互發(fā)生。然而，從新無線電（NR）研究的最初階段開始，人們認為將gNodeB基站（gNB，即NR邏輯節(jié)點）在集中式單元（CU）、分布式單元（DU）和無線電單元（RU）之間拆分，將帶來更多的靈活性。靈活的硬件和軟件實現(xiàn)可支持更具可擴展性和成本效益的網(wǎng)絡部署——但前提是硬件和軟件組件是可互操作的，并且可以與來自不同供應商的組件進行組合和匹配。

這種拆分化split架構(gòu)（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、實時性能優(yōu)化進行協(xié)調(diào)，并能夠適應各種應用場景。這種拆分架構(gòu)還提供了各種應用（如游戲、語音和視頻）所需的服務質(zhì)量（QoS），這些應用對傳輸有不同的延遲容忍度和依賴性，再加上諸如農(nóng)村和城市等不同的部署場景也有不同的傳輸方式，例如光纖與無線。下圖介紹了5G部署所需的主要構(gòu)建模塊。

圖1：推動5G轉(zhuǎn)型的構(gòu)建模塊

5G不再只是一種RAN，而是需要包含從客戶端到數(shù)據(jù)中心整個網(wǎng)絡連接的技術(shù)。從歷史上看，智能位于蜂窩網(wǎng)絡的任一端，包括客戶端、基站和核心網(wǎng)絡。隨著我們向萬億臺互聯(lián)設備邁進，MNO無法再增加越來越多的容量，以便將數(shù)據(jù)從無線電傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進行應用處理，然后再返回到客戶端設備。例如，聯(lián)網(wǎng)的圖像傳感器數(shù)量從今天的4億只增加到10億只，那么網(wǎng)絡流量將從今天的大約150 EB增加到400 EB。

解決此資本支出問題的一種方法是在整個網(wǎng)絡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型。

上圖中圈出的美元值顯示了過去四年內(nèi)在RAN和網(wǎng)絡分層結(jié)構(gòu)中設備支出的估計費用。無線通信網(wǎng)絡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(gòu)成5G無線電網(wǎng)絡的不同單元。為了支持從增強型移動寬帶（eMBB）和大規(guī)模機器類通信（mMTC），到超高可靠、低延遲通信（URLLC）等一系列不同的5G應用場景，需要靈活地確定這些單元在網(wǎng)絡中的物理位置。例如，該圖表示分布式單元（DU）如何作為靠近無線電單元（RU）的獨立單元，以支持5G的低延遲、更加實時性的需求，而對于eMBB等非延遲密集型應用，DU可以與CU在類似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(gòu)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行劃分。SoC設計的多樣性以及如何實現(xiàn)加速器功能是應對這些挑戰(zhàn)的重要因素。

5G RAN需要支持哪些應用場景？
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(xiàn)在和將來使用蜂窩網(wǎng)絡的方式，然后3GPP開始實施所需標準的制定。作為3GPP所推動的新服務和市場技術(shù)推動者研究項目SMARTER項目的一部分，其團隊確定了蜂窩網(wǎng)絡當前和未來的先進應用場景以及所需的特性和功能。
除了一個名為固定寬帶的類別外，該機構(gòu)還定義了三類移動應用場景：mMTC、eMBB和URLLC。雖然這些類別的名稱并不是特別吸引人，但它們已成為行業(yè)標準術(shù)語：

• mMTC——大規(guī)模機器類通信引入了對大規(guī)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。總的來說，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(zhàn)是為數(shù)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、通信時間較短。廣泛的覆蓋范圍和深入的室內(nèi)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，那么eMBB就主要解決人類如何使用蜂窩網(wǎng)絡。此類應用場景包括8K視頻流、沉浸式增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實（AR/VR）、互聯(lián)交通信息娛樂和支持移動寬帶連接的企業(yè)。該類別的關鍵要求是超高的頻譜效率、極高的數(shù)據(jù)速率和超低的中斷時間。

• 3GPP的R15版本中定義的5G NR滿足了所有這些要求。隨著支持5G NR的基礎設施開始擴展，這些應用場景變得更加廣泛。這一類別可以被認為是發(fā)展和變革的結(jié)合，因為使用蜂窩網(wǎng)絡進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(shù)據(jù)密集型應用在前幾代蜂窩網(wǎng)絡中并沒有真正實現(xiàn)。

• URLLC – 作為一種服務，為超高可靠性、低延遲通信提供支持，是5G真正革命性的一個方面，因為它提供了在實際應用中尚未出現(xiàn)的性能等級。增加對URLLC的支持可實現(xiàn)智能交通等應用，包括能夠在復雜的路況下導航并通過相互協(xié)作避免碰撞的車輛，以及與第四次工業(yè)革命相關的應用場景，包括時間關鍵型的工廠自動化等。它還包括遠程醫(yī)療，其中包括測量生命體征并根據(jù)需要自動或半自動響應的設備，以及遠程治療，包括在救護車上、在災難情況下或在偏遠地區(qū)，根據(jù)遠程醫(yī)生的實時指導進行的手術(shù)。

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

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

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圖2：5G應用場景分類

滿足3GPP的R17和R18版本要求的演進
5G的演進發(fā)展帶來了一系列新的標準，這些標準得到了參與ETSI 3GPP組織的多家公司的認同。但5G標準的演進可能帶來哪些技術(shù)要求呢？

下圖顯示了3GPP新標準制定過程的當前狀態(tài)。當今5G網(wǎng)絡中部署的設備主要由3GPP規(guī)范R15版本和R16版本中規(guī)定的技術(shù)組成。更先進的應用場景和由此產(chǎn)生的網(wǎng)絡需求將由3GPP規(guī)范的未來版本（R17和R18版本）來滿足。

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

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

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(nèi)核加速

• 復雜的L1 MAC調(diào)度加速

• 頻譜效率、波束管理和動態(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)絡處理和平衡，包括緩沖區(qū)和隊列管理

計算和應用加速：

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

• 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分析

• 將邊緣計算托管放在更接近于無線電單元的地方

• 帶機器學習的無線電和基于應用的處理

本文將在后面的章節(jié)中將對這些類別和特征進行更詳細的討論。

圖3：3GPP規(guī)范新版本時間表

Rel-18或5G Advanced（5G-A）在Rel-17基礎上更上一層樓，通過在無線電和網(wǎng)絡層次結(jié)構(gòu)中集成機器學習技術(shù)來提供更智能的網(wǎng)絡解決方案，以支持新的更多的應用場景，并提高網(wǎng)絡效率。具體到無線電方面的變化，Rel-18（先進天線系統(tǒng)）是支持提高頻譜效率的主要工具，進一步增強了波束形成和大規(guī)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的新應用場景而言，除了汽車和工業(yè)領域，還有國家安全和公共安全應用。在這些應用場景中，這些新功能可用于支持無人機的遠程控制和惡意無人機檢測等。

5G網(wǎng)絡分層結(jié)構(gòu)和無線電——下一代網(wǎng)絡推動了對多樣化解決方案的需求
有許多驅(qū)動因素影響著對平臺多樣性的需求。移動網(wǎng)絡運營商一直希望將他們的網(wǎng)絡建立在基于網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡（SDN）的技術(shù)上，并在商用現(xiàn)成（COTS）服務器上運行。然而，Achronix認為單一的同質(zhì)化設計無法滿足5G發(fā)展的所有要求。不同的工作負載給網(wǎng)絡帶來了不同的壓力，從而推動對不同解決方案的出現(xiàn)，以來滿足這些需求。

新的架構(gòu)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5G NR功能，這種架構(gòu)帶來的好處包括：

• 更靈活的硬件實現(xiàn)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(diào)性能特征、負載管理、實時性能優(yōu)化等功能，并根據(jù)應用場景啟用NFV/SDN技術(shù)。

• 不同的部署場景可賦能eMBB、uRLLC和mMTC等不同的應用場景。反過來，這些不同的部署場景通過適應網(wǎng)絡分層結(jié)構(gòu)/架構(gòu)（例如ORAN）的變化，以及通過網(wǎng)絡切分等新功能動態(tài)分配網(wǎng)絡資源，進而支持無線電技術(shù)的發(fā)展。

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

圖4：應用場景、切分和多樣性

上圖顯示了3GPP標準中規(guī)定的不同選項切分，以支持新興的應用場景和相應的不同流量類型。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。其中兩個最受歡迎的選項是：

• L2 Option 6 split，這時上層功能被集中在網(wǎng)絡中，但與無線電相關的特定流量調(diào)度和無線電鏈路控制被推向更靠近射頻網(wǎng)絡的位置。

• L1 Option 7.x split，此時上層的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帶來的挑戰(zhàn)，即支持某些新天線配置所需的大量處理性能。圖中左側(cè)為具有2路發(fā)送和2路接收（2T2R）的低頻段（20 MHz）MIMO天線，右側(cè)為具有64路發(fā)送和64路接收（64T64R）的中頻段（100 MHz）天線。從低頻段到中頻段的演進支持更高的頻譜通道，有可能實現(xiàn)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，此時所需的計算能力，尤其是L1處理所需的計算能力，隨著這些更高的帶寬開始呈指數(shù)級增長?？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（來源：愛立信博客）

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

5G設備的分布化推動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了對更高靈活性，以及從單一CPU架構(gòu)子系統(tǒng)中加速卸載負載的需求。下圖顯示了5G網(wǎng)絡中的主要單元：RU、DU和CU。對于這些單元中的每一個，都需要考慮如何利用由CPU、DSP和加速器（例如GPU、FPGA和eFPGA）構(gòu)成的異構(gòu)架構(gòu)，來滿足這些新設計的延遲、功耗、面積和成本目標。

網(wǎng)絡運營商一直希望盡可能多地使用云原生、基于軟件的技術(shù)來實現(xiàn)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提供服務。其結(jié)果是實現(xiàn)了集中的DU和CU功能，使用光纖連接到RU，在無線電中只有最少的處理功能。

在各種部署中，都可以利用一個COTS服務器來處理一個具有單個CPU內(nèi)核的低頻段單元的所有事務。對于這些類型的部署，將軟件中的所有內(nèi)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)絡功能一起位于小型服務器中。

然而，隨著各種部署轉(zhuǎn)向6 GHz以下的中頻段，如大約在3.5至3.6 GHz范圍內(nèi)，正如在前面的圖中所看到的，無線電處理（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(shù)級增長。在這種情況下，下行和上行處理負載會增加20-40倍。在沒有加速功能的情況下，運行一個帶有完整負載的中頻段單元將需要超過16個x86內(nèi)核。然而，這樣一個系統(tǒng)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層功能卸載到專用硬件中，其重要性在未來日益凸顯——硬件加速器要么位于CU中，要么分布在遠程DU和RU中更接近于無線電接口的位置。

圖6：5G設備的分散化推動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(tǒng)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行網(wǎng)絡處理和分類管理，包括傳輸/后傳/安全接口、eCPRI前傳接口，或需要流量管理器、分類器等的地方

• L1處理和波束形成是必須使用加速的另一個領域，可利用DSP或eFPGA技術(shù)或兩者兼而有之來實現(xiàn)加速功能，這對實現(xiàn)吞吐量最大化和優(yōu)化功耗至關重要。

此外，在2025年前，幾乎所有RAN SoC的默認要求都可能是機器學習加速——這一功能不僅可以應用于在5G上運行的應用場景中的學習和推理功能，還可以應用于RAN L1物理層的增強。研究表明，AI/ML可以顯著提高L1 PHY性能，其中第一個研究領域是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，F(xiàn)PGA和eFPGA技術(shù)可用于5G設計的各個領域。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利弊權(quán)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，F(xiàn)PGA已被廣泛用于前幾代的蜂窩網(wǎng)絡的設計中。在3G和4G設計中，系統(tǒng)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(jié)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ASIC中集成FPGA功能可使5G設計所面臨的一些挑戰(zhàn)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上進行集成，可提供更高的帶寬、更低的延遲和更低的功耗，同時還能隨著規(guī)格的變化對已部署的設備進行實時現(xiàn)場升級，從而提高靈活性。

圖7：5G Advanced：用于異構(gòu)計算加速的eFPGA IP和FPGA

在上圖中，紅色方框說明了如何使用Achronix eFPGA和FPGA技術(shù)將靈活性集成到全新的RU、DU和CU設計中，其實現(xiàn)方式既可以是一個獨立的器件、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，可以使用一個或多個FPGA來支持非常高的數(shù)據(jù)速率和計算密度，以幫助服務器卸載各種面向特定的網(wǎng)絡和無線電的工作負載。

Achronix正在與該領域內(nèi)的許多伙伴進行合作，他們正在開發(fā)有針對性的解決方案。Napatech和Accolade等公司正在開發(fā)面向智能網(wǎng)卡（SmartNIC）的FPGA半導體知識產(chǎn)權(quán)（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、PDCP、安全（空中接口和回傳）、OVS和L1卸載的技術(shù)。未來，這些解決方案很可能還將用于多接入邊緣計算的機器學習推理，特別是無線電應用。

上圖中的紅色單元代表了RU和DU中的eFPGA功能，以及如何將一個或多塊嵌入式FPGA（eFPGA）邏輯塊與CPU、DSP和存儲子系統(tǒng)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(nèi)核。該IP可以通過購買授權(quán)獲得并使用，這類似于半導體設計中使用的其他IP。與獨立FPGA的設計過程不同，eFPGA設計人員可以根據(jù)其客戶應用的需要，選擇確切數(shù)量的邏輯、DSP和存儲資源。在進入大批量生產(chǎn)時，eFPGA還可通過取代獨立的FPGA來降低系統(tǒng)成本、功耗和電路板面積。

Speedcore? eFPGA IP架構(gòu)包含了許多架構(gòu)性增強功能，可顯著提高性能、降低功耗并縮小芯片面積。在選擇Speedcore eFPGA時，設計人員可以選擇架構(gòu)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，每個存儲塊容量為2 kb；對于LRAM4k，每個存儲塊容量為4 kb

• 塊RAM – 對于BRAM72k，每個存儲塊容量為72 kb；對于BRAM20k，每個存儲塊容量為20 kb

• DSP64 – 每個單元塊上帶有18 × 27乘法器、64位累加器和27位預加器

• 機器學習處理器（MLP） – 每單元塊上有32個乘法器/累加器（MAC），支持整數(shù)和浮點格式

在基于SoC的設計中集成eFPGA功能是一種理想的方式，可以提供一個靈活的、可擴展的平臺，以最大限度地提高RAN設計性能，同時仍能滿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，以滿足不斷演進發(fā)展的標準，并可對已部署在現(xiàn)場的設備進行更新

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

將FPGA功能與CPU、DSP和存儲子系統(tǒng)緊密耦合也帶來了優(yōu)勢。獨立的FPGA芯片是通過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(cè)芯片對SerDes接口的需求，并且只需要部署您實際需求所需的功能，因而在芯片面積上也當然有所節(jié)省。

設計人員可以選擇集成單個或多個eFPGA實例，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LUT擴展到幾十萬個LUT。這些eFPGA實例可以與CPU子系統(tǒng)緊密耦合，以高效地利用共享緩存和存儲子系統(tǒng)來執(zhí)行高性能、低延遲的任務。例如，Arm提供的可CHI-E總線作為其架構(gòu)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單元塊中進行專項處理。

圖8：使用eFPGA來滿足ASIC/SoC中的5G Advanced功能：RU、DU（和CU）實現(xiàn)

Speedcore eFPGA技術(shù)已經(jīng)過量產(chǎn)驗證。我們的客戶已經(jīng)為這些類型的應用提供了超過1000萬個搭載該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(shù)字預失真適應的無線電數(shù)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)來滿足5G-A和6G的需求。Achronix與合作伙伴一道致力于開發(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(gòu)——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(tǒng)——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(tǒng)包括了廣泛的合作伙伴，共同推動包括eCPRI、無線電卸載和芯片到芯片（C2C）互連等5G功能創(chuàng)新。

• 可從云擴展到無線電接口——Achronix解決方案提供了為服務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eFPGA擴展性能來滿足RAN中的吞吐量和功耗需求。此外，該架構(gòu)可在其間的所有的點上進行擴展。

本文重點介紹了5G演進發(fā)展過程中面臨的主要挑戰(zhàn)：

• 數(shù)據(jù)處理——為實現(xiàn)更高的頻譜效率并滿足端到端的延遲要求，5G RAN需要在數(shù)據(jù)處理中執(zhí)行更復雜的算法。在考慮這些算法的需求時，重要的是要在硬件和軟件任務之間找到適當?shù)钠胶?，以便系統(tǒng)達到其性能、功耗和成本的目標。對于從CPU子系統(tǒng)中卸載工作負載，eFPGA是一種理想的選擇。

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

• 無線電和頻譜——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。隨著新的頻譜資產(chǎn)可用，這些不同的要求需要由RAN系統(tǒng)來滿足。

• 供應鏈和生態(tài)系統(tǒng)——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，同時專有和開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(qū)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(tǒng)合作伙伴關系。

• 新興標準——對5G標準演進的投資規(guī)模是巨大的，以支持新的應用場景和附加功能。特別是Rel-17和Rel-18將支持許多新的應用場景。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運營和部署方面的工作。越來越多的人傾向于將O-RAN聯(lián)盟作為推動接口規(guī)范發(fā)展的關鍵行業(yè)組織。

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

總之，eFPGA IP是應對這些新設計挑戰(zhàn)的關鍵要素，這是因為它具有可擴展功能，用以滿足3GPP R17和R18即5G Advanced和6G中的新規(guī)范，以及實現(xiàn)一些尚未可知的功能。