现场可编程逻辑门阵列（FPGA）赋能下一代通信和网络解决方案

本文概要

了解网络基础设施功能迅速增长的一种便捷方法是回顾一下过去四十年的发展历程（如下图所示）。蜂窝网络技术的创新，加上新型的数据存储和搜索技术，正在转变行业的发展模式。创新的技术不仅为公司和个人提供了全新的应用场景，也使他们去认真思考如何利用那些原本不属于其产品组合的技术。也许最能说明问题的变化的是新的商业模式导致了价值从基础设施转向了服务。

联网设备正在从2G向5G演进，以支持移动应用的爆发，并为不断增长的用户群扩展连接。一个日趋成熟的行业需要一种具有竞争力的商业模式，而这种模式可以被诠释为优化带宽管理。据估计，到2023年，联网设备的数量将超过全球人口的三倍（如图1所示）。

图1：网络基础设施的演进

Voice calls： 语音通话

Analog： 模拟

9 years： 9年

Texting： 发送短信

10 years： 10年

Emails： 电子邮件

Low－Res Video： 低分辨率视频

Mobile Broadband：移动宽带

IoT： 物联网

Smart Cities： 智慧城市

Connected Car： 联网汽车

Telemedicine： 远程医疗

VR／AR： 虚拟现实／增强现实

AI／ML： 人工智能／机器学习

Cloud Gaming： 云游戏

图2：全球移动设备和连接增长（来源：思科）

Billions of Devices or Connections： 数十亿的设备或连接

3G and Below （55．3％， 29．0％）： 3G及以下（55．3％，29．0％）

LPWA （2．5％， 14．4％）： 低功耗广域技术（2．5％，14．4％）

注：此图表包括M2M。LPWA包括蜂窝LPWA（例如NB－IoT）和非蜂窝LPWA（例如LoRa）

＊数据（n）为2018 － 2023年网络连接类型份额

5G的兴起和数据中心的重构将更好和更多地集成和应用加速技术，这给通信和网络设计人员带来了巨大的压力，要求他们去打造每秒可处理和转发万亿字节数据的系统。这些新的系统不仅必须要具备高度可靠性，而且还需要满足人类思维级别的响应时间，以确保严格的性能保证（如图3所示），这就需要全新的架构。

尽管可编程逻辑提供了最佳的功能组合，以支持新一代通信和网络系统的复杂需求，但是传统的可编程芯片产品无法满足这些需求。为了平衡片上的处理、互连和外部I ／ O，必须对整个FPGA架构进行重新考虑。需要最先进的片上网络（NoC）和总线布线能力，来实现所需的带宽和性能。集成的NoC是唯一可行的方法来构建可支持高效计算、巨大数据吞吐量和深度内存层次结构的系统。大规模的并行性与FPGA独特的卸载和加速功能相结合，以实现单位功耗可实现的最高的性能和最高的性价比。

图3：5G性能指标

Quantifying the performance benefits of 5G

量化5G的性能优势

10XDecrease in latency： Delivering latency as low as 1 millisecond

延迟降低10倍：提供低至1毫秒的延迟

10XConnection density： Enabling more efficient signaling for IoT connectivity

10倍的连接密度：为物联网连接提供更高效的信令服务

3XSpectrum efficiency：Achieving even more bits per hertz with advanced antenna techniques

3倍的频谱效率：借助先进的天线技术来实现更高的比特／赫兹比率

10XExperienced throughput： Bringing more uniform， multi－Gbps peak rates

10倍的可体验吞吐量：带来更均匀的、多Gbps的峰值速率

100XTraffic capacity： Driving network hyperdensification with more small cells everywhere

100倍的数据流容量：通过遍布各地的更多小基站来推动网络超高密集化

100XNetwork efficiency： Optimizing network energy consumption with more efficient processing

100倍的网络效率：通过更高效的处理方式来优化网络能耗