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用於推動超高速5G無線寬頻的新型低成本記憶體解決方案

5G是一個技術平台,能支持許多潛在的使用案例和終端產品。例如從下一代超高速傳輸的寬頻智能手機,到救援任務或緊急服務通信網絡,再到用於創新物聯網或智能城市應用的低功耗無線傳感器陣列。

雖然該技術有巨大的潛力,但5G設備的大眾消費市場尚未展露曙光,且需要一定的時間來佈建基礎設施。 雖然類似2020年東京奧運會之類的大型活動,將有助於更廣泛地採用5G,然而目前世界上大多數地區仍處於剛起步的基礎設施建設階段。南韓是最快佈建5G的國家之一,而在其他地區,5G信號覆蓋範圍通常僅限於大城市中的一小部分,5G手機的普及率也是相對較少的。

 

市場成長契機: 5G數據機

然而有一種使用場景是可立即應用到高速5G無線通訊的,那就是“固定式5G AP或客戶端設備(CPE)”,它將能提供給家庭或小型辦公室高速寬頻網路服務。

固定式5G數據機的使用場景很單純:它是傳統地下電纜或光纖連接的xDSL或數據機的低成本替代方案。因為在電信交換機和用戶家之間所謂的最後一英里路程的安裝花費成本不能太高,所以低成本的固定式5G數據機擁有相當大的潛力。5G數據機固定在用戶的屋外,經由無線連接的方式接通5G基地台和屋內的Wi-Fi®路由器,因此唯一需要的接線是數據機的電源線。

首次安裝電纜或xDSL數據機通常需要從最近的網絡交換單元透過地下電纜拉線到客戶屋內,相比之下,這是一個昂貴、破壞性、且耗時的過程(如圖1)。

1:檢或安裝地下通信基礎設施既困難又耗時,如2018年在波多黎各聖胡安的穆尼茲空軍國民警衛隊基地。(Image in the public domain)

 

這就是為什麼網絡服務供應商,如美國的Verizon、AT&T、和T-Mobile,看到這類服務擁有龐大的商業潛力,並正積極拓展5G布局,來為沒有電纜或xDSL佈線的房屋提供寬頻網路。這也是xDSL客戶可能的低成本升級選項之一,不僅僅是無需升級客戶或交換機的xDSL設備,而且與國內最快的xDSL下載速度相比,5G高速網路最高下載傳輸率能提高至300Mbps (1),是傳統xDSL的一倍以上。

 

5G數據機的記憶體系統考量

為了支援高速操作和高數據傳輸率,無線數據機需要先進的基頻處理器,其中包括高速主記憶體,且容量可滿足通訊協議所需的大量程式碼。

目前市場上的5G數據機能夠實現這種架構的,就是擁有包括1.8V NAND快閃記憶體和1.8V低功耗DDR4x(LPDDR4x)的多芯片封裝(MCP)了。

雖然LPDDR5是低功耗同步DRAM(SDRAM)主記憶體技術的最新版本,但它量產時間大概是在2019年中,為期尚短,相比之下,LPDDR4x早已廣泛應用在5G數據機中。舉例來說,LPDDR4x已經被廣泛使用在由高通,三星,華為和聯發科等等設計公司所開發的低功耗與高數據傳輸行動通訊處理器芯片組裡了。

到目前為止,5G數據機的設計人員通常選擇“4 + 2”MCP,也就是在單一封裝中包含了用於存儲代碼的4Gb SLC NAND快閃記憶體與用於動態執行的2Gb LPDDR4x芯片。目的是為了讓筆記型電腦或平板電腦,提供高速無線寬頻上網。這類型的5G CPE就需要這種4 + 2組合的MCP產品。此類CPE需要處理非常複雜的操作,例如在持續移動中,讓高速網路連線能夠無縫接軌的從一個基地台切換到另一個基地台。

然而,5G  CPE是固定的裝置,它與單一基地台保持永久連接,並且永遠不會在基地台之間漫遊。相較於行動數據機必須在沒有5G信號的區域轉而使用2G / 3G / LTE信號,固定式的5G數據機不需要向下相容於舊的2G / 3G / LTE網絡技術。

這降低了對5G CPE 通訊協議程式碼的要求,意味著可以使用容量小一點、相對更便宜的NAND快閃記憶體。

 

較低價位的記憶體選項

這就是華邦電子選擇推出1.8V 2Gb + 2Gb NAND快閃記憶體和LPDDR4x所合封的W71NW20KK1KW的原因之一(如圖2)。2Gb NAND快閃記憶體容量足以支援固定式5G數據機的程式碼需求,且較小的2Gb容量意味著NAND快閃記憶體比現在的4 + 2 MCP存儲器產品中使用的4Gb NAND快閃記憶體更便宜些。 因此,固定式5G數據機的開發人員可以使用W71NW20KK1KW來降低材料清單成本。

圖2:Winbond的W71NW20KK1KW將NAND Flash和LPDDR4x芯片合封在同一個封裝中

 

W71NW20KK1KW MCP使用8.0mm x 9.5mm x 0.8mm球型陣列(BGA)封裝。其中用於存儲程式碼的元件為Single Level Cell(SLC)NAND快閃記憶體。相較廣泛應用於智能手機和固態硬盤(SSD)的更高密度的Multi Level Cell(MLC)、Triple Level Cell(TLC)、和3D NAND快閃記憶體元件,SLC NAND是更強健的一種快閃記憶體。它提供更高的資料可靠性,其較低的位元出錯率只需使用較少位元的錯誤糾正演算法。

同時,SLC NAND快閃記憶體提供更長久的數據保存能力,並且比TLC、MLC NAND快閃記憶體元件能夠承受更多的寫入/擦除次數。相關的規格細節請參閱Winbond免費提供的可靠性報告

W71NW20KK1KW的NAND快閃記憶體元件使用8位元IO匯流排,每一個塊(block)裡面有64個頁面(page)。也提供了包括最大25 µs的頁面讀取時間與250 µs的標準頁面寫入時間。

LPDDR4x DRAM芯片的工作頻率高達2133MHz (2) ,支援LVSTL_11介面,具有8個可同步進行操作的內部存儲區,並採用16位元IO匯流排,資料傳輸率可高達4267MT / s,支援5G網絡電信商所推出的超高速寬頻下載速度。

對目前固定式5G無線數據機而言,W71NW20KK1KW的2Gb NAND+ 2GbLPDDR4x的配置組合是一個優秀且符合成本的選擇。 但是為了滿足某些應用程序需要更大的快閃記憶體容量來儲存更大的程式碼,華邦也積極開發4Gb NAND + 2Gb LPDDR4x MCP版本的產品,即將在不久的將來(2019年底)問世,並提供樣品到客戶手上。

 

華邦協助推展5G的技術普及

我們可預期,採用W71NW20KK1KW的新一代固定式5G CPE,將有助於加速消費者採用5G 來作為高速寬頻網絡的整個時程。

華邦現在是世界上唯一一家擁有自家的晶圓廠來生產NAND快閃記憶體和LPDDR4x芯片的MCP芯片製造商。 由於華邦全權掌控整個生產流程,因此訂購W71NW20KK1KW MCP的客戶可以100%信賴華邦對供貨數量、時程、品質、與服務的保證。

5G相關新聞稿:

華邦推出2Gb+2Gb NAND+LPDDR4x多晶片封裝產品支援5G高速使用者終端設備

備註:

  1. Verizon 5G Home service offers typical 300Mbps download data rates, see verizonwireless.com/5g/home/
  2. LPDDR4x DRAM芯片的工作頻率高達2133MHz僅指在單芯片下,而MCP相關產品則是1866MH

by 華邦電子 黃信偉 Wilson Huang 產品企劃經理; 李家慶 Justin Lee技術經理

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