技术文章—满足5G无线基础设施的故障安全要求

如果您一直关注有关5G的新闻，您就会知道它可以显著提高带宽，最高可达10Gbps。此外，它还具有低于1ms的系统时延，与现有的网络相比，功耗大大降低。5G将在工业物联网、车辆间通信和互联边缘计算等领域实现大量新应用。除了高带宽和超低时延以外，这些应用还需要具备另外两个不太受关注的特性，即99.99x％的可靠性和24x7的全天候可用性。本文讨论了无线基础设施应用中NOR Flash 存储器的重要选择标准。

技术

为了在压缩的上市时间内响应不断变化的市场标准，现场可编程门阵列（FPGA）以及互补式片上系统（SoC）在各种无线基础设施应用中得到了广泛的应用。FPGA和SoC需要在每次系统启动时进行配置。FPGA和SoC可以通过各种类型的存储器进行配置，例如Flash、eMMC、非托管型NAND和SD卡。与NAND Flash（托管或非托管）和SD卡不同，NOR Flash存储器可在初始响应和启动时提供高可靠性，并具有低时延，同时能在市场上存活10年或更长时间。此外，与浮栅技术相比，MirrorBit技术（每个存储单元存储两位）的进步支持更大的密度缩放。更高的密度可实现5G无线基础设施所需的单芯片1Gb和更高密度的NOR Flash产品。由于这些特性，NOR Flash存储器已广泛用于无线基础设施应用中，用来配置FPGA和SoC，从而快速可靠地启动这些设备。 

图1：5G系统原理图。64x64天线阵列增加了天线与数字前端之间的数据传输，从而对接入单元（AU）和云单元（CU）提出更高的处理要求。

密度

5G能够使用6GHz以下的频段和28GHz的频段。这些载波频率远高于典型的4G LTE频率。虽然随着频率的增加，较高的载波频率有可能支持更多的信道，但传播会变得更糟。在这些频率下，由于自由空气衰减且信号无法穿透固体，连接被限制在短程视线范围内。

因此，收发器将不得不依赖于诸如波束成形之类的技术。波束成形提供相长干涉以增强接收端的信号，但是单元格必须更紧密地连接在一起。MIMO天线及其射频前端是实现5G接入单元的关键。对于基站，天线可能是64x64阵列。64x64 MIMO将爆发前传（天线与数字前端之间的连接）带宽要求。与4G LTE数字单元中使用的相比，接入单元中使用的FPGA/SoC必须具有更多的逻辑元件（更高的密度）、更高的DSP能力和更多的收发器。这些需求的增加将导致更大的配置图像，需要更高密度的单片NOR Flash存储器，用于配置FPGA/SoC。对于5G接入单元，这种密度范围在512Mb到2Gb之间。

接口

FPGA和SoC可以通过两种不同的接口类型（并行和串行）来配置/启动闪存。虽然并行接口支持更快的读写时间，但接口需要太多的IO。例如，考虑将1Gb并行NOR Flash与FPGA接口连接，所需的IO数量为49。但随着密度的每次增加（2G、4G、8G等），引脚数量就增加1。 

NOR Flash串行接口基于控制器上常见的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。工程师正在从并行接口迁移到串行接口，以进行新系统设计。串行接口同时减少存储器和SoC的引脚数量，缩小PCB，从而降低成本，缩小外形尺寸。Octal SPI和HyperBus接口现在可提供高达400MB/秒的性能，与并行接口相媲美。请注意，虽然最近发布的赛灵思Versal FPGA可支持Octal SPI和Q-SPI接口，但14nm及更高级别的FPGA/SoC仅支持Q-SPI接口。

电压

除了并行接口和串行接口以外，接口的电压需求也是一个重要的选择标准。如今，用于5G的FPGA/SoC将以最先进的工艺节点开发，将减少3V电压的I/O支持，以提高IC的可靠性和性能。市场上大多数闪存都是3V组件（这意味着它们需要在2.7V至3.6V的电压范围下工作）。而最新的FPGA/SoC需要1.8V NOR Flash组件（这些组件需要在1.7V至2.0V的电压范围下工作）。随着FPGA和其他控制器继续向更小的外形尺寸和电源电压迈进，现在，1.2V NOR Flash组件将逐渐可用。虽然大多数NOR Flash组件只需要一个电源电压，但1.2V组件需要两个不同的电源。一个用于核心，另一个用于IO（输入和输出的高低条件参考VIO定义）。将VIO与VCC分离可为系统设计师提供更大的灵活性，但需要额外的电源。

市场上几乎所有的1.2V NOR Flash存储器都针对消费类应用。与5G无线基础设施应用的需求相比，消费类应用本质上具有低密度，因此不适合在这些应用中配置FPGA。由于可用的密度选项和对FPGA中1.8V IO的广泛支持，1.8V NOR Flash存储器仍然是最适合配置各种FPGA或为无线基础设施应用启动SoC的NOR Flash。

额定温度与低功耗模式

无线基础设施设备，尤其是无线电和小型蜂窝等数字前端，通常安装在室外并面临极端环境条件的挑战。更糟糕的是，系统设计师在5G中使用的组件上安装散热器和风扇的能力可能有限。因此，设计师通常选择高于工业级温度（-40OC至+105OC）的NOR Flash组件，以承受恶劣的环境条件，以及在功耗方面提供额外的保护带，并确保在上述高温下启动和运行。 

深度节能与待机模式

NOR Flash组件通常在FPGA/SoC配置周期之间是空闲的。某些NOR Flash组件上设有深度节能与待机模式，可以在配置完成后通过将NOR Flash组件置于低功耗状态来帮助降低功耗。

耐用性与数据保留

NOR Flash针对可靠性与性能进行了优化，而不是成本（与NAND Flash和SD卡等以消费者为导向的技术不同）。该技术使用相对较大的存储单元，可提供高耐用性与较长的数据保留。我们发现产品具有100K编程/擦除（P/E）周期的耐用性和长达10年的数据保留能力也不足为奇。请注意，通常人们不会担心此类应用的耐用性，因为Flash只能写入少量次数。如果我们只考虑将配置图像存储在Flash中，则情况确实如此。此外，一些设计师还使用Flash来高速缓存事务数据与系统错误日志。在这种使用场景下，系统日志每隔几分钟就会在Flash中更新一次。因此，8到10年寿命期间的P/E周期总数可超过最大耐用性规格而无损耗平衡。

市场上的新产品通过提供高达1M P/E周期的耐用性或25年的数据保留选择，使工程师能够为耐用性和数据保留之间的平衡进行优化。这些更高可靠性的产品有时会带有详细的故障模式影响分析，可帮助设计师设计系统，以满足或超越5G规格的超高可靠性和可用性要求。例如，赛普拉斯提供多种功能安全文档，包括设备安全手册和详细的安全分析报告，其中记录了产品安全架构和假设使用情况、汇总FIT率、FMEDA结果、完整的安全分析直至封锁电平、安全机制和诊断范围。

安全功能

最近有一份针对全球电信公司的长期大规模攻击的新闻报道。安全研究公司Cybereason称，攻击者在这次袭击中泄露了调用数据记录，但是他们已经控制了网络，甚至可以将其关闭。由于类似这样的事件，人们越来越关注无线基础设施设备的保护。保障这些系统安全的最简单的方式是通过部署安全启动和访问控制流程来保护配置图像/启动代码。为了对保护嵌入式系统日益增长的兴趣做出响应，NOR Flash供应商已经开始开发具有内置安全功能的产品，例如基于公钥基础设施的身份验证和访问控制以及安全启动。这些功能可以添加额外的措施，以确保专有IP的安全性，防止对配置图像/启动代码进行篡改，并确保网络持续可用。

在存储FPGA配置图像和SoC启动代码方面，NOR Flash比NAND和SD卡更受欢迎。5G无线基础设施应用需要1Gb或更高密度，1.8V Q-SPI或Octal SPI，高于工业级温度的NOR Flash来配置或启动系统中使用的FPGA和/或SoC。随着设计师开始研究5G无线基础设施产品，人们越来越关注故障安全操作，以满足电子健康、工业物联网（IIoT）和自动驾驶汽车等应用的需求。闪存供应商现在开始推出提供功能安全和安全启动机制的产品。这些功能使设计师能够将系统级安全与安全功能的一些处理工作卸载到存储器中。此外，可用的附属品有助于实现这些功能并缩短产品上市时间。最终，选择合适的存储器将有助于确保产品的成功。