系统控制架构设计复杂性和5G ORAN热潮，FPGA如何应对行业两大趋势？

后疫情时代，远程办公、数字化转型成为越来越多企业的共同选择，“分散化”的远程工作环境为服务器、数据中心、网络和通信系统带来了巨大的压力，并越来越依赖于云服务、5G和LTE基础设施来进行日常工作所需的计算处理任务。这种转变使各种具备大型数据中心基础设施的云服务供应商或系统厂商不得不快速扩展计算能力，以满足新的、更复杂的系统控制架构和计算需求，对系统控制解决方案提出了更大的挑战，因此简化系统设计和集成的方案越来越不可或缺。

莱迪思半导体亚太区应用工程总监谢征帆指出，系统控制架构愈加复杂，在一块控制的单板BoM上的芯片越来越多，整个需要控制的部件也随之越来越复杂。同时，CPU/SoC的工艺不断地迭代，可能从16/12纳米到7纳米甚至是5纳米更新的工艺，工艺的提升导致I/O的接口标准越来越向低电压的方向发展。与此同时，其他外围器件还停留在老过去的3.3V或2.5V电平，缺乏对3.3V的I/O的支持，需要新的芯片来解决这个问题。“对安全的系统监控和可靠性的需求与日俱增，这就需要更多的控制系统功能。在此趋势下，我们还需要把系统的设计和系统的集成进一步简化，使其变得不可或缺。”

在数据中心架构中，以一个服务器主板为例，在传统的服务器主板有CPU，BMC等模块，主要做板级管理功能，可能还有一些控制FPGA，主要控制单板的上电、电源管理和监控功能。“现在，新的服务器的主板开始会把一些相对固定功能的模块单独做一个模块化的设计，比如越来越多的客户会把BMC的模块单独放在一个子卡上来实现。”他解释，这主要有以下几点考虑：第一，主板上的模块越来越多，包括CPU的管脚数目增加，导致主板的设计成本会越来越高。如果能把BMC这些模块相对设计比较简单、对于PCB要求不高的模块放在子板上，主板的PCB尺寸就可以减小，就可以降低主板的设计。另外，在很多情况下安全控制模块的功能是相对独立的，这样就可以复用模块，比如在主板有不同的迭代和版本的情况下可以复用BMC的模块来降低整个TOC的成本。

谢征帆还表示，在做模块化设计的时候要尽量把中间接口的连线简化，因为接口的线越多会导致接口设计越来越复杂，这时就需要用莱迪思的FPGA把一些低速的总线汇聚，通过尽量少的接口来进行这两块板之间的通信。这实际上是在OCP的协议组里定义一个协议，即所谓的DC-SCM，帮助实现模块化的主板设计。

为应对上述需求，莱迪思推出了新一代的MachXO5家族系列产品MachXO5-NX安全控制FPGA，通过增加逻辑和存储器资源、支持稳定的3.3V I/O以及差异化的安全功能集，实现最新一代的安全控制功能。MachXO5-NX FPGA旨在强化服务器计算、通信、工业和汽车市场的系统监控和控制，可提供行业领先的低功耗和可靠性。

MachXO5-NX FPGA可提供更多资源应对日益复杂的系统设计趋势，在提供高级特性的同时，兼具安全性、低功耗和可靠性，满足客户不断变化的需求。“第一，从硬件架构上，MachXO5-NX提供了更多的FPGA资源，不管是逻辑单元的密度、内嵌的存储器的数目，还是内置的用户闪存的数目；另外还包括了DSP的模块。在设计资源上给客户提供了多种选择，在平台上可以搭建更复杂的逻辑。第二，在芯片中集成闪存，就不需要再加外挂，一可以降低客户的成本，二则可以减少PCB的面积，更主要的是把闪存集成到芯片里，避免把一些管脚的数据流暴露在外，安全性上得到更大的提高，因此莱迪思也将继续支持这样一个比特流的加解密和一些比特验证功能。”谢征帆解释，“相比竞品，MachXO5-NX FPGA采用嵌入式器件的存储器，即EBM，与Spartan7或Spartan10相比存储容量更高，能够减少成本以及设计尺寸。其次，为预留了9.2到9.3KB的闪存容量，比竞品容量多达36倍。最后，得益于FDSOI工艺可以提供更低的静态功耗，从而延长电池使用时间，简化系统散热管理，降低系统总体运营成本，软失效率也非常低，基本上是竞争对手的1%。”

据悉，MachXO5-NX FPGA的样片已经推出并交付给几个重点客户，并已开始在其产品中推广应用。

ORAN部署重塑5G范式

Kenneth Research数据显示，受5G技术快速普及的推动，到2028年全球ORAN市场规模预计将达到220亿美元，2020年到2028年间的复合年增长率高达85%。为应对市场的高速增长，通信行业正不断推进ORAN的解聚合和开放，从而提高灵活性和创新，降低成本。这种开放环境需要安全可靠的通信、跨多个组件的紧密同步以及高效的低功耗硬件加速。

莱迪思半导体亚太区资深市场开拓经理林国松表示，ORAN解决方案集合的引进会有助于提升安全性，这也是莱迪思的初衷，因此，针对ORAN公司希望推出一些安全性的解决方案，公司也在这上面进行了持续的投入，最近更发布了Lattice ORAN解决方案集合。该产品可实现稳定的控制数据安全、灵活的前传同步和低功耗硬件加速，从而实现安全、灵活的开放式无线接入网络（ORAN）的部署。该解决方案的推出，拓展了莱迪思全面的、面向应用、基于低功耗FPGA的解决方案产品组合。

据介绍，莱迪思ORAN解决方案集合具备以下几个特点：一是提供的是更加安全的交互，由于OPEN-RAN的特点允许有更多的供应商能够加入，且供应商和供应商之间是需要互联的，由于互联增加导致对于互联之间的安全性需求也随之增加。二是从RU到DU之间的互相传递有更加紧密、高速的交付需求。当然，低功耗永远是绕不开的需求，而莱迪思在低功耗方面有明显的优势，因此该方案能够对器件提供更优的功耗支持。此外，该方案还提供了几个层面上的应用，包括使用硬件和基于硬件上的IP核，以及开发软件，并提供参考设计和定制化服务。

林国松还强调，这次ORAN解决方案集合1.0最重要的一点是其安全特性，着重在数据传输方面增加了安全性，来保证各个安全点之间的传输线路安全，满足这些安全性的同时，也不会有明显的针对速度或性能上的持续功耗的增加。

“莱迪思ORAN解决方案集合延续了莱迪思FPGA本身的优势：一是莱迪思FPGA器件低功耗的特点，同样基于之前提到的FDSOI的工艺，能够在等同情况下提供更低的功耗，需要的封装尺寸也更小，我们会努力地实现零信任安全机制。”他解释，“第二点是ORAN提供的传输线路上的安全性。第三点是瞬时启动，也就是莱迪思硬件的FPGA本身带有的特性。最后一个是数据的稳定性，这也是得益于莱迪思器件所选用的工艺，保证能有更好的数据正确性和降低失效率，实现性能稳定。”（校对/Mike）