FPGA



글: 론 워너(Ron Warner) FPGA 마케팅 매니저
      래티스 반도체 / www.latticesemi.com
      마우리 우드(Maury Wood) 고속 변환기 제품 라인 매니저

SERDES 기반의 확장 가능한 JESD204A 인터페이스는 ADC/DAC와 FPGA간의 간결한 저전력 저가의 데이터 버스를 제공한다. 다양한 기능, 저가의 FPGA는 타임 투 마켓과 타임 투 수익이 가능하게 하고, 효과적인 가격으로 제공될 수 있는 유연성도 갖추고 있다. 시스템 디자인 엔지니어들은 끊임없이 진화하는 광대역 무선 시장의 도전을 극복을 위한 향상되고 흥미로운 툴셋을 장착하고 있다.

인터넷 무선 가입자가 폭발적으로 증가에 따라, 다양한 서비스 형태가 지속적으로 풍부해지고, 포터블 인터넷 접속이 더욱 증가하게 됨에 따라, 인프라 수용력의 필요성은 매일 증가된다. 3G 스마트폰, 3G장치를 사용하는 노트북과 태블릿 디바이스들은 폭발적인 무선데이터와 기지국 용량 요구를 창출하는 주요 원동력이다. HSPA+와 EV-DO(3G+)와 같은 현재 무선 광대역 장치의 성능은 이러한 데이터 처리량 수요에 맞게 발전되어 왔다. 그러나, 무선 서비스 사업자는 특히나 대도시 지역의 느린 서비스로 인하여 사용자들로부터 비판을 받아왔다.
무선 사업자들은 이러한 부분을 해결하기 위하여 LTE와 LTE-Advanced에 대한  로드맵을 가지고 있으나, 데이터 처리량의 요구가 지속적으로 증가됨으로 인하여 이러한 4G 기술은 단지 수년간만 유효할지도 모른다. "데스크-탑 수준"의 무선 광대역 서비스 요구에 따라 유비쿼터스 세상이 되며(산업 분석가는 차기 6년 이내 일 것이라 예측한다) 무선 서비스 사업자는 기지국 수용력 증가에 대한 압박을 받을 것이다. 이는 시장에서의 치열한 경쟁력이 결합된 상당한 인프라 장비설치 증가의 필요와 기지국 가격 상승을 유도한다.

저가, 저전력을 갖춘 성능-신화인가? 현실인가?

그동안 통신업계에서 기지국의 성능이 높아질수록 일반적으로 높은 전력 소모와 높은 가격이 형성되어 왔다. 그러나, 이러한 역동성에 변화가 예상된다. 아시아와 아프리카에서 적용되어있는 그린 필드 3G와 개선된 3G는 전반적인 무선 인프라구조를 통하여 전력 소모 및 가격 감축을 유도하게 될 것이다. 무선 인프라구조 OEM에 있어서, 유지와 개선된 수익성은 기지국 BOM가격 절감에 의존된다. BOM가격을 낮출 수 있는 접근방식은 그림 1에서 보여진 것과 같이 기지국의 예전의 일관된 배치로부터 분산 운영 모델로 이동한다는 것이다.

이 토플로지는 위에서 언급한 몇몇 도전을 향하고 있고, RRU(Remote Radio Unit)로부터 BTS로의 광데이터 전송을 위한 SERDES 기반 로직 디바이스 사용을 확대하고 있다. 그러나 RRU는 여전히 전체적인 BOM 가격의 중요부분을 차지하고 있는데, 이는 RF와 데이터 전환 장비가 포함되어 있기 때문이다. 래티스 ECP3와 같은 저가, 저전력 FPGA는 CPRI와 OBSAI 베이스밴드 인터페이스를 지원하는 통합된 SERDES가 결합된 유연한 데이터 처리 능력을 제공함으로써 전체적인 RRU의 가격을 낮추고 있다. 그러나, 데이터 처리량 요구의 증가는 예전의 병렬 데이터 전환 인터페이스, 성능, PCB 레이아웃의 복잡성과 가격의 제한을 극복하고, 무결성 데이터를 유지하기 위한 노력이 필요하다. 이러한 노력은 그림 2에서 보이는 것 같이, BTS 인터페이스로부터 디지털 데이터/제어 인터페이스를 위한 SERDES기능과 데이터 처리를 위한 FPGA 통합에 있다. 2008년 산업계의 표준화된 JEDEC JC-16위원회에 의해 주창된 이러한 새로운 인터페이스는 JESD204A라 불리고, RRU에서 더욱 많은 BOM 가격을 낮추기 위한 방법으로 이야기되고 있다.

JESD204A 인터페이스가 갖추어진 NXP반도체의 CGVTM 데이터 전환기는 CML 차동신호 레벨과 8B/10코딩을 이용하고 있는 고속 직렬 인터페이스다. 현재 최대 데이터 레이트는 3.125Gbps이며, 한 레인은 초당 312.5Mbyte로서, 데이터 전환기와 FPGA간의 다수 레인은 시스템 대역폭을 선택적으로 적용할 수 있다. JESD204A는 정밀한 인터-레인 동기화를 지원하기 때문에, 3G/4G 인터페이스의 기본이 되는 OFDM 변조에 근간을 두고 있는 샘플링을 지원하고 있다.

SERDES기반 데이터 전환기와 FPGA의 장점들

논리 프로그래밍과 고속 데이터 전환은 기지국 디자인 발전의 중요한 역할을 담당하는 기술이다. 데이터 전환기는 RF파워앰프와 RF 소신호 간의 브릿지를 제공하며, FPGA 유연성으로 인하여 에어 인터페이스 규격이 최종적으로 결정되기 전에 디자인을 시작할 수 있게 되었다.
기지국에서 요구되는 높은 데이터 처리량은 회로 기판과 복잡한 인터페이스 뿐만 아니라 높아진 신호 통합 부분과 관련된 라디오 부품 가격, 파워 소모를 증가시킨다. JESD204A을 제공함으로써 데이터 전환 디바이스의 BOM 가격 절감과 기술적인 장점은 BTS OEM들이 새롭고, 혁신적인 인터페이스 선택 사항에 대한 고찰하는데 드는 시간을 절감할 수 있도록 한다. 기술 도입 비용은 개선된 시스템의 신뢰성과 이와 관련된 가격 절감뿐만 아니라, BOM 가격 절감으로 빠르게 상쇄될 수 있다.

JEDEC JESD204A로 인하여 극적으로 간단해진 PCB 레이아웃에 의해 RRU BOM 가격 절감이 가능하게 되었고, 이러한 간단함은 가격을 상승시키는 주요 원인인 PCB 레이어 수와 PCB 사이즈를 줄일 수 있는 기회를 창출한다. 더욱이, JESD204A는 데이터 전환기와 FPGA간의 인터페이스 신호수를 현저하게 감소시키고, 시스템 전반에 걸쳐서 신뢰성을 개선시킨다. 낮은 전압으로 스윙하는 CML과 관련된 전력 소모 감소로 전원 공급 BOM 가격 절감 또한 가능하다. BOM 가격 절감으로 인한 장점에 추가적으로, JESD204A로 인하여 시스템 구조 레벨에서도 눈에 뛸만한 장점이 있다. 강력한 임베디드 프로토콜들은 데이터 스크램블링, 싱글 비트 에러 감지와 레인 싱크 로스 감지뿐만 아니라, 라디오 PCB의 아날로그와 디지털 부분 간에 뛰어난 분리, 소음 방지가 포함되어 있다. 많은 산업계의 전문가들은 소음 방지에 뛰어난 JESD204A로의 데이터 전환 인터페이스의 변화는 PC와 DSP 하드웨어 영역의 USB, PCI 익스프레스와 시리어 RapidIO 고속 직렬 전송과는 달리 필연적이라고 생각한다.

데이터 전환 디바이스에 따라, 가격, 전력 그리고 성능은 FPGA 구조를 혁신적인 변화, 상당한 성능, 특성과 로직 밀도의 증가로 이끌고 있다. 고유의 유연성과 타임-투-마켓이란 장점은 오랜 동안 ASIC으로 진행되었던 것을 저가의 FPGA로 제공된다. 예전의 FPGA는 전통적으로 "글루 로직"과 "버그 정정" 어플리케이션에 대해서만 제한적이었다. 그러나 더 이상 그렇지 않고, FPGA에 의해 제안된 가치로서 적용 어플리케이션이 확장되어 왔다. 예를 들면, SERDES, DSP 데이터 경로와 임베디드 메모리 성능과 같이 향상된 성능을 가진 새로운 저가, 저전력 FPGA가 래티스를 통하여 이용이 가능하고, 다양한 RRU 디자인에 중요한 핵심 부품이 되었다. 시스템 디자인 엔지니어들은 경쟁력 있는 SERDES를 지원하는 FPGA를 절반의 전력소모와 절반의 가격대에 디지털- 다운-컨버전(DDC)와 디지털-업-컨버전(DUC), 크레스트 팩터 리덕션(CFR)과 같은 복잡한 신호 경로 어플리케이션들을 위해 이러한 프로그래머블 플랫폼을 이용할 수 있다.

요약

BTS OEM들은 무선 인프라 장비에서 지속적인 가격절감을 위한 하나의 중요한 방법으로서 JESD204A 고속 직렬 인터페이스에 의한 RRU BOM과 가격 절감에 대해서 주의 깊게 고려해야 한다.
FPGA와 데이터 전환기는 그동안 RRU 디자인에 있어서 중요한 역할을 해 왔으나, 현재는 시스템 가격을 낮추는데 도움이 되면서 새로운 성능을 성취하고 있다. SERDES 기반의 확장 가능한 JESD204A 인터페이스는 ADC/DAC와 FPGA간의 간결한 저전력 저가의 데이터 버스를 제공한다. 다양한 기능, 저가의 FPGA는 타임 투 마켓과 타임 투 수익이 가능하게 하고, 효과적인 가격으로 제공될 수 있는 유연성도 갖추고 있다. 시스템 디자인 엔지니어들은 끊임없이 진화하는 광대역 무선 시장의 도전을 극복을 위한 향상되고 흥미로운 툴셋을 장착하고 있다.

 

그림 1. 기지국 네트워크 진화

그림 2. JESD204A 인터페이스
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