5G-modeemin muistille asettuu erilaiset vaatimukset sen mukaan, onko kyseessä solujen välillä liikkuva kännykkämodeemi vai samaan tukiasemaan jatkuvasti liittynyt reititin. Winbondilla on juuri sopiva ratkaisu 5G-reitittimeen.

Teknologia-alustana 5G soveltuu monenlaisiin käyttökohteisiin ja lopputuotteisiin: erittäin nopeasta mobiilista laajakaistasta seuraavan sukupolven älypuhelimiin, tehtävien kannalta kriittisistä ja hätäpalvelujen viestintäverkoista vähän tehoa kuluttaviin ja aina toiminnassa oleviin tiheisiin langattomiin anturiryhmiin, joita käytetään esineiden internetin ja älykkään kaupungin sovelluksissa.

Mutta samalla kun teknologian antamat potentiaaliset mahdollisuudet ovat valtavat, laaja sovellusten käyttöönotto vaatii vielä aikaa ennen kuin 5G-laitteiden kuluttajien massamarkkinat alkavat olla todellisuutta. Vaikka suuret tapahtumat kuten olympialaiset (seuraavat Tokiossa ehkä jo tänä vuonna) ovat osaltaan auttamassa 5G:n markkinavalloitusta, ollaan tällä hetkellä vielä käyttöönoton alkuvaiheessa suurimmassa osassa maailmaa. Etelä-Koreassa on tällä hetkellä otettu lukumääräisesti eniten käyttöön 5G-tukiasemasoluja. Muualla peittävyys rajoittuu yleensä suurten kaupunkien pienille alueille ja 5G-puhelinten käyttäjien määrä kuluttajien keskuudessa on varsin rajoittunutta.

5G-modeemien markkinanäkymät

Yksi langattoman 5G-teknologian erityinen käyttöalue näyttää kuitenkin hyvin lupaavalta jo nyt: kuluttajille suunnatut kiinteät 5G-liityntä- ja päätelaitteet, jotka tarjoavat koteihin ja pientoimistoihin nopeat laajakaistaiset verkkopalvelut.

Kiinteiden 5G-modeemien tilanne on mitä parhain, sillä ne ovat edullinen vaihtoehto perinteisille xDSL- ja kaapelimodeemeille, jotka vaativat kupari- tai kuituoptisella kaapelilla tehtävän kytkennän. Kustannuksia saadaan säästymään, koska niin sanotun ’viimeisen mailin’ osalta asennuskustannukset puhelinvaihteen ja käyttäjän asunnon välillä muodostuvat paljon pienemmiksi perinteisiin vaihtoehtoihin verrattuna. Asiakkaan tilojen ulkoseinään kiinnitettävä 5G-modeemi muodostaa yhteyden 5G-tukiasemaan ja asiakastilojen sisäpuolella olevaan Wi-Fi-reitittimeen langattomasti, jolloin ainoa tarvittava johdotus on modeemin tehonsyöttökaapeli.

Sen sijaan ensimmäistä kertaa asennettava kaapeli- tai xDSL-modeemi vaatisi tavallisesti maakaapeloinnin lähimmästä verkon keskusyksiköstä asiakkaan tiloihin, mikä on kallista, työlästä ja vie paljon aikaa (kuva 1).

Kuva 1: Maanalaisen viestintäinfrastruktuurin valvonta ja asennus on hankala ja aikaa vievä prosessi (kuvituskuva Muñizin kansallisesta lentotukikohdasta San Juanista vuodelta 2018).

Näinpä esimerkiksi amerikkalaiset verkkopalvelujen tuottajat Verizon, AT&T ja T-Mobile hyödyntävät nyt aktiivisesti 5G-modeemien tarjoamaa kaupallista potentiaalia: laajakaistainen verkkoyhteys kotiin ilman kaapeli- tai xDSL-modeemien vaatimaa kaapelointia. 5G-modeemi soveltuu hyvin myös päivitysvaihtoehdoksi xDSL-asiakkaille, jolloin suurinta latausnopeutta saadaan lisättyä tyypillisesti 300 megabittiin sekunnissa verrattuna nykyisen xDSL:n puolta hitaampiin suurimpiin latausnopeuksiin ilman, että tarvitsisi päivittää asiakkaan tai verkon vaihteen xDSL-infrastruktuuria.

Mitä 5G-modeemien muistilta vaaditaan?

Langattoman viestinjärjestelmän modeemin erittäin nopea toiminta ja suuret datansiirtonopeudet edellyttävät, että käytetään kehittynyttä kantataajuista prosessoriarkkitehtuuria, joka pitää sisällään hyvin nopeatoimisen päämuistin ja sitä tukemassa riittävän määrän kapasiteettia modeemin protokollaohjelmiston koodikannan tallentamista varten.

Nykyisin markkinoilla olevissa 5G-modeemeissa tätä arkkitehtuuria voidaan toteuttaa laitteistosuunnittelulla, jossa on yhdistetty 1,8 V:n NAND-tyyppinen flash ja 1,8 V:n vähävirtainen LPDDR4x-piiri koteloituna yhteen monisirukoteloon (MCP).

Vähävirtaisen synkronisen DRAM (SDRAM) -muistiteknologian viimeisin versio on LPDDR5, joka tuli markkinoille vuoden 2019 puolivälissä. Sitä edeltävän sukupolven LPDDR4x-piirit ovat jo laajasti käytössä. 5G-modeemeissa nämä piirit tarjoavat vähän tehoa kuluttavan toiminnan ja suuret datansiirtonopeudet, joita sellaiset matkapuhelinsirujen valmistajat kuin Qualcomm, Samsung, Huawei ja Mediatek edellyttävät.

Tällä hetkellä 5G-modeemien suunnittelijat vannovat yleisesti ’4+2’ MCP:n nimiin, mikä tarkoittaa yhdistelmää 4 gigabitin NAND-flashia koodin tallennusta varten ja sitä tukemassa olevaa gigabitin LPDDR4x-sirua yksittäiseen MCP-koteloon pakattuna. Tätä ’4+2’-yhdistelmää käytetään kännykkämodeemeissa kuten 5G-mokkuloissa, jotka tuottavat langatonta laajakaistaa läppäri- ja tablet-tietokoneille. Kännykkämodeemin tulee pystyä käsittelemään monimutkaisia operaatioita kuten solujen välillä saumattomasti tapahtuvia siirtymisiä, jolloin laitteen yhteys siirtyy tukiasemasta toiseen katkeamatta.

Kuitenkin käyttäjän 5G-päätelaitteen (CPE) modeemin toiminnan tulee olla staattista eli yhteyden pitää pysyä kiinteänä yhteen tukiasemaan eikä solukkovierailu tukiasemien välillä saa olla koskaan mahdollista. Päätelaitteen modeemin ei myöskään tarvitse olla yhteensopiva vanhempien sukupolvien matkapuhelinteknologioiden 2G:n, 3G:n tai LTE:n kanssa, koska matkapuhelinjärjestelmän modeemien tulee taata peitto silloin kun ollaan 5G-tukiasemien tavoittamattomissa.

Tästä syystä 5G-protokollaohjelmiston koodikannasta kohtuullinen osuus voidaan jättää käyttämättä, jolloin koodin tallennusta varten voidaan käyttää pienempiä ja edullisempia NAND-flash-piirejä.

Edullinen muistivaihtoehto

Edellä mainittua tarkoitusta varten Winbond Electronics Corporation on tuonut markkinoille 1,8 voltin 2+2 gigabitin NAND-flashin ja LPDDR4x:n käsittävän W71NW20KK1KW-muistipiirin (kuva 2). Sen tarjoama flash-kapasiteetti on riittävän suuri staattisiin 5G-modeemeihin, joita käytetään käyttäjän päätelaitteissa. Pienemmän 2 gigabitin kapasiteetin ansiosta NAND-siru on kooltaan pienempi ja hinnaltaan edullisempi kuin 4 gigabitin piiri, joita nykyisin käytetään ’4+2’ MCP-koteloituina muisteina. Joten 5G-reitittimien modeemien suunnittelijoilla on nyt siis käytettävissään piiri, jonka avulla modeemien tuotannossa komponenttikustannuksissa saadaan säästöä.

Kuva 2: Winbondin W71NW20KK1KW-muistissa on NAND-flash- ja LPDDR4x-piirit samassa kompaktissa paketissa.

W71NW20KK1KW-piiri on pakattu kompaktiin 8,0 x 9,5 x 0,8 millimetrin BGA-koteloon. Muistipiirin koodin tallennuselementtinä on yhden bitin muistisoluun tallentava SLC-piiri (Single Level Cell). SLC-flash on robustimpi ratkaisu kuin tiheämmät monitasoiset MLC- (Multi-Level Cell), TLC- (Triple-Level Cell) tai QLC-flashit (Quan-Level Cell), joita on käytetty useamman sukupolven ajan sulautettavina muisteina esimerkiksi älypuhelimissa ja SSD-kiintolevyissä. SLC-flashin tarjoama datan eheys on korkeaa luokkaa, koska sen pienemmän bittivirhesuhteen ansiosta pärjätään vähemmillä virheenkorjaustoiminnoilla ja korjausohjelmistoilla.

Lisäksi SLC-flash tarjoaa pitkän datan säilytyskyvyn ja se kestää useampia ohjelmointi- ja pyyhintäjaksoja kuin MLC-, TLC- ja QLC-pohjaiset NAND-piirit. Winbondilta on veloituksetta saatavissa spesifioidut kestävyyttä ja säilytyskykyä kuvaavat yksityiskohtaiset raportit.

W71NW20KK1KW-piirin NAND-flashissa on 8-bittinen väylä ja se on organisoitu 64-sivuisiin lohkoihin. NAND-sirun suorituskykyä kuvaavissa spesifikaatioissa määritetään suurimmaksi sivun lukuajaksi 25 mikrosekuntia ja tyypilliseksi sivun ohjelmointiajaksi 250 mikrosekuntia.

Piirin LPDDR4x-osan 2133 megahertsin kellotaajuudella toimiva DRAM-siru on varustettu LVSTL_11-liitännällä ja siinä on 8 sisäistä lohkoa rinnakkaisoperaatioita varten. x16-dataleveyden ansiosta se toimii jopa 4267 MT/s:n siirtonopeuksilla mahdollistaen 5G-verkkopalvelun tuottajien mainostamat erittäin suuret laajakaistaiset latausnopeudet.

W71NW20KK1KW:n konfiguraatio (2Gb+2Gb) soveltuu hyvin käyttäjän päätelaitteiden langattomiin 5G-modeemeihin. Tosin jotkut sovellukset vaativat suurempaa flash-muistikapasiteettia suuremman koodikannan tallentamiseen. Tähän tarkoitukseen Winbondilla on tarjolla myös 4Gb+4Gb:n MCP-versio, josta on saatavissa näyte-eriä halukkaille asiakkaille.

Winbond edistää 5G-teknologian käyttöönottoa

On odotettavissa, että W71NW20KK1KW-piirillä toteutettujen uuden sukupolven kustannuksiltaan optimoitujen 5G-päätelaitteiden tuotejulkistukset osaltaan nopeuttavat 5G-teknologian käyttöönottoa kuluttajien päätelaitteissa vaihtoehtona kupari- ja optisille xDSL-yhteyksille nopeiden laajakaistaverkkojen ’viimeisellä maililla’.

Nykyisin ainoana MCP-piirivalmistajana maailmassa Winbond valmistaa sekä NAND-flash- että LPDDR4x-puolijohdesiruja omissa puolijohdekiekkojen tuotantolaitoksissaan. Winbond vastaa kokonaisuudessaan muistikomponenttiensa tuotannon kaikista vaiheista. Tilatessaan W71NW20KK1KW-piirejä tuotantoerissä asiakas voi täysin luottaa, että saa tilaamansa tuotteet sovitusti. Winbond takaa, että toimitusmäärät, -ajat, laatu ja palvelu ovat sovitun mukaiset.