利用模塊化的可擴展參考設計瞄準ATCA和AMC市場機會
Rod Watt: 飛思卡爾半導體首席工程師
Colin Cureton:飛思卡爾半導體無線基礎架構系統市場部
Gavin Gall:飛思卡爾半導體ATCA/AMC系統市場部
我們為什么需要ATCA？
AdvancedTCA®作為基于標準的下一代電信計算平臺而廣受人們的歡迎。它是在PCI工業計算機制造商組織（PICMG®）的指導下，由100多家業內提供商和電信設備制造商開發出來的。這款基于標準的平臺設計用于滿足CompactPCI或專用系統無法輕松勝任的電信行業特殊需求。
新的分組基礎架構正在取代原來的TDM基礎架構。這就意味著機柜中的數據帶寬要求正在從10和100Mbps提高到千兆比特（Gb）或太比特（Tb）級別。Compact PCI中的PCI總線不能提供足夠的帶寬，即使使用千兆比特速率的 PICMG2.16底板，您也不能支持一個雙千兆以太網板。此外，隨著帶寬的增加，利用這些數據來進行一些有意義的工作所需的帶寬和功率也在不斷增加。
AdvancedTCA標準涵蓋了機架尺寸、功率和環境標準等問題，另外還包括了電信行業的特殊要求。這包括適合需要大量處理功能的高密度應用，如無線和語言應用、有線數據及線速最高達10Gb/s的光傳輸應用。
為了滿足這些應用的需求，PICMG 3.x AdvancedTCA技術規范定義了支持多種拓撲配置和互連技術的底板體系結構，包括千兆以太網和串行RapidIO®接口。高速率交換矩陣技術能在單個機架上實現2.5Tb/秒的交換和處理速率。ATCA還包含管理整個平臺的基本機制。這是一個演進步驟，為設備制造商提供了構建新型增值業務的基本平臺。
ATCAT用在什么地方？
最近的行業報告顯示，ATCA設備有著很大的市場：
  CCC（Crystal Cube Consulting），2006年3月: "預計到2009年底，AMC的市場交易額將達到140億美元，ATCA市場交易額將達到420億美元。"
  In-Stat/MDR，2004年3月：2003-2007年， ATCA標準底架的收入預計將達到184億美元（Eric Mantion - Instat/MDR）
  全球網絡設備---終端市場累計銷售額
  RHK，"Advanced TCA平臺及刀片展望，2003年10月"："…到2007年，收入將從現在的很小數量增加到37億美元。"
  研究預測，2003-2007年的累計收入將達到 26億美元和57億美元。
隨著".com"網絡泡沫的破滅和此后電信業發展速度的減慢，許多OEM和ODM解聘了大量工程人員。現在，隨著通信市場的逐步繁榮，面市時間成為重要的成功因素。標準平臺的使用能幫助公司迅速開發解決方案，將更多時間用于真正的增值業務（如軟件服務），從而在競爭中脫穎而出。
ATCA的目標是無線接入、無線邊緣、有線接入和核心傳輸市場。顯然，它首先很可能會在2/2.5/3G無線基礎架構市場上取得成功：基站控制器（BSC）、無線網絡控制器（RNC）、服務GPRS支持節點（SGSN）、網關GPRS支持節點（GGSN）、媒介網關（MGW）和移動交換中心（MSC）。
許多客戶正在為其最終用戶開發ATCA兼容系統，但是，根據飛思卡爾的經驗，我們的所有客戶都從將ATCA作為快速原型系統中受益。
現在，整個行業都在從PCI Mezzanine Card（PMC）和Switched Mezzanine Card（XMC）向Advanced Mezzanine Card

（AdvancedMC™ /AMC）移植，主要是因為AMC支持熱插拔。這樣，AMC就能提供具有編程功能的現場可替換模塊，為服務人員帶來極大的靈活性，幫助運行商降低資本開支。
新建議的 MicroTCA™平臺允許在1個機架中最多使用12個AMC而不需要ATCA載體卡，從而為這些標準模塊創造了更多機會。MicroTCA被視為ATCA的補充產品，它將為電信市場以外的市場提供成本更低的路由，特別是專用板卡領域，如軍事、醫藥和工業自動化市場中的高性能嵌入式應用。通過增強AMC和MicroTCA的市場支持和普及，更大的業務量將為提供標準板卡的主板公司帶來新的機會，這反過來又將幫助最終客戶降低每個模塊化組件的成本。
工程挑戰
ATCA和AMC技術規范的出臺為板卡設計人員提出了一系列新的挑戰。過去，板卡設計人員只需考慮總線負載、高速率設計和功率管理等問題。現在，他們還必須考慮板卡所需的空間和散熱性能，確保它們能與ATCA子系統無縫集成。這就迫使設計人員從電子工程師變成系統設計行家。
兩種技術規范都為板卡設計人員定義了包含獨特設計挑戰的新環境。其中最重要的兩個限制是板卡尺寸和散熱問題。
板卡尺寸
盡管AMC有時被誤認為是PMC卡，但它為板卡設計人員提供了比PMC卡更大的表面積。技術規范允許兩種不同的PCB尺寸，其中單寬度卡尺寸為75mm x 180mm左右，雙寬度卡為149mm x 180mm左右。在載體密度方面，標準的8U載體能夠容納4個單寬度卡，2個雙寬度卡或1個雙寬度卡和2個單寬度卡（假設卡為全高度。如果是半高度卡，數量就會增加）。
選擇哪種板卡尺寸顯然取決于特定應用所需的硅元件數量。但是，硅元件數量不是選擇設備尺寸的唯一考慮因素。雙高度PCB不僅意味著可用空間能夠增加一倍，還意味著可在前面板上提供I/O所需的額外空間。盡管一個板卡上要求的硅元件數量允許設計人員將此卡縮小為單寬度AMC，但I/O可能會要求使用雙寬度卡。例如，使用單寬度卡時，前面板上可能只有3個RJ45接頭（記住，LED和把手開關也要占用空間）。根據板卡的I/O，這可能遠遠不夠，從而迫使設計人員使用雙寬度卡。
人們已經開發出高度集成的處理器（包括集成的內存控制器、串行RapidIO 和 PCI Express SERDES模板），大大降低了對橋接芯片和外圍設備的需要。但即使如此，板卡空間仍然非常緊缺。
同樣，ATCA技術規范還為板卡設計人員帶來了嚴格限制。乍一看，技術規范提供的大板卡尺寸可提供放置組件的足夠空間。但是，嚴格的"預留空間"（為了支持AMC卡的添加、滿足電源要求、支持背板互連）限制大大減少了載體上的可用空間。
熱傳
盡管本規范為單寬度AMC卡規定了60W的預算功率，但設計人員發現，在有限的可用空間內有效散熱非常困難。人們普遍認為大多數AMC將安裝在ATCA機架上，這里提供的標稱氣流為1m/s。但應該記住，在由4個卡組成的載體上，最后1個AMC卡只能用前面3個卡排出的暖氣流進行冷卻。設計人員希望將散熱保持在最低水平。這時，集成的低功率處理器非常有用，但可能還需要使用某種吸熱裝置。
ATCA載體卡的預算功率目前規定為200W。當然，我們還應特別注意載體上最終使用的AMC卡。例如，如果增加2個額定功率為60W的AMC卡，載體其余部分就只有80W的預算功率了。與以前一樣，盡管我們完全可以在這個功率預算內設計一種卡，但設計人員應設法最大限度地降低功率。
對硅元件廠商的意義
對高度集成的低功率設備的要求已對硅廠商產生了重要影響，并且已經明顯影響到它們產品的定義。
例如，飛思卡爾半導體提供的包含PowerPC®核心的MPC8548處理器。
芯片的大量設計特征使它們非常適合此類環境。
1. 高級集成
MPC8548是一種高度集成的處理器，綜合了許多構建完整系統所需的芯片功能。例如，使用板上DDR1/2控制器后就不再需要外部橋接芯片。
2. 芯片上的粗管道（Fat Pipe）
處理器以板上串行RapidIO、PCI Express和千兆以太網模塊的形式在板上結合了一個粗管道。這不僅可以降低對外部芯片的需求（從而減少板卡占用的空間），還可以消除使用橋接/外設芯片時可能出現的系統瓶頸。這些板上模塊帶有自己的內置DAM引擎，使數據無需任何主CPU交互就能快速傳輸到卡的主內存中。
3. 低功耗設計
領先的結構和設計技術可以降低功耗，以便最大限度地提高每瓦的MIPS效率，進而提高"每插槽MIPS"效率。
參考平臺
當然，硅元件只是設計的一部分。為了加快產品上市，客戶普遍求助于硅制造商，希望獲得參考設計。這些設計既可以是一種物理板，也可以是詳細的可靠設計。客戶可以在此基礎上設計自己的產品。
讓我們看看飛思卡爾半導體提供的三款設計：
  MPC8548 AMC
  ATCA 參考設計
  多標準信道卡
MPC8548AMC
顧名思義，MPC8448AMC是基于MPC8548 PowerPC處理器的一種Advanced Mezzanine Card。
 
圖1：MPC8548AMC卡
如圖所示，此卡是單寬度、完高度AMC卡，符合AMC.4技術規范。也就是說，它采用的光纖互連是串行RapidIO。除2個x4串行RapidIO互連外，此卡還通過3個千兆以太網SERDES接口連接到后面板。第四個千兆以太網接口通過標準RJ45接頭從前面板外部提供。
該處理器的最高運行頻率為1.5GHz。它既可以從自己的板上ROM（16兆非易失性閃存）上啟動，也可以配置為從串行RapidIP上啟動。后一種方案主要用于主-備配置。程序空間由符合行業標準的SODIMM (小型雙內聯內存模塊)提供。該模塊提供2個1GB的DDR型內存，可以533MHz的速率傳輸數據。
1個小型D接頭為用戶提供到前面板外部的串行端口。
插入到ATCA機柜時，該卡可以作為大型系統的一部分運行，或者遠離標準電源獨立運行。
ATCA參考平臺
如圖2所示，ATCA參考平臺是一種ATCA載體卡。該平臺最多能夠裝載4個AMC卡或3個AMC卡外加1個Packet Telephony Mezzanine Card（PTMC）。
該卡上的連接是通過串行RapidIO交換機建立的。此外，AMC卡也可以通過千兆以太網連接。 
 
圖 2: ATCA 參考平臺
多標準信道卡
如圖3所示，飛思卡爾多標準信道卡是用來快速開發信道卡功能的開發卡，符合不同空中接口標準，包括但不限于802.16 和 WCDMA標準。
這種信道卡是根據雙寬度AMC、全高度AMC.4技術規范設計的。因此，既可以用于獨立模式，也可以插入到集成的AdvancedTCA 或 MicroTCA環境中。這樣，信道卡就可以用作基站系統解決方案的信道卡模塊或微微型小區基站的獨立平臺。
此卡由4個主要模塊組成。第一個模塊是PowerQUICC™ III (PQ3)子系統，是能以1GHz的頻率運行的MPC8555設備。它通常提供MAC層功能。第二個模塊是雙DSP子系統，包括2個MSC8122 StarCore™DSP。所有DSP都是4核心DSP，每個核心以500MHz的頻率運行。第三個和第四個子系統是符合算法的FPGA和SERDES FPGA。DSP和算法FPGA提供PHY層功能，而SERDES FPGA在背板外面提供所需的SERDES連接。 
 
圖3:多標準信道卡
與該卡的連接是通過背板上的兩條千兆以太網鏈路和串行RapidIO建立的。此外，還可以通過前面板上的千兆以太網、USB和RS232鏈路與PQ3連接，通過兩條快速以太網鏈路和兩條RS232鏈路與DSP子系統連接。算法FPGA提供與RF模塊的連接。
因此，這種信道卡非常靈活。這意味著，在相同投資下，信道卡能夠滿足多種設計要求。這種卡不需要太多設計就能安裝在ATCA或MicroTCA基站中，或者作為獨立系統的一部分運行，從而成為系統開發和系統部署的理想之選。
應用舉例
無線基站應用是常見的能利用ATCA和AMC平臺優勢的終端應用。如果在這個環境中考慮本文討論的幾種開發卡，就不僅能輕松地構建基站，還可以構建多標準基站。
MPC8548 AMC可以提供實施基站網絡接口卡功能所需的功能級別和連接。在802.16標準中，這將運行802.16標準的融合子層。信道卡隨后將在PowerQUICC™III設備上運行其它無線MAC。根據系統分區和體系結構，MSC8126設備將運行PHY部分。但是在802.16標準中，它通常運行用戶處理功能，而在3G標準中則運行SR信道編碼功能。FPGA將負責完成其余部分的PHY功能。 
 
圖 4:使用ATCA和AMC的基站體系結構
基站的最后一個組件是RF模塊。在信道卡上可以使用不同接口，如串行RapidIO連接。我們可以在系統上創建和插入RF AMC模塊，然后根據空中接口的類型使用不同的RF模塊。考慮到這類設計的靈活性，加上信道卡上支持多個空中接口的功能，這類設計允許修改RF模塊或在系統中使用多個RF模塊，這就使它成真正的多標準基站。另外一個可以修改的唯一組件是軟件。開發系統時，由于這會降低開發板卡所需的投資，因而具有明顯優勢。此外，它在部署方面也擁有諸多優勢。除了ATCA和AMC的優勢外，符合多個標準和使用多個低成本RF AMC模塊的功能意味著，工程師可以遠程升級軟件并在串行RapidIO交換機上配置路由表，從而遠程為不同空中接口配置基站。
顯然，我們現在可以根據不同因素來以多種不同方式實施無線基站。這表明，使用正確的模塊可以非常輕松地構建不同的體系結構。例如，如果到核心網或RNC的回程連接是通過ATM而不是IP建立的，就可以用包含另一設備的卡（如包含PowerPC® 核心的MPC8360 PowerQUICC™II Pro）來替換MPC8548AMC卡，以實現所需的互通功能。
小結
初看起來，轉而使用ATCA和AMC標準對公司而言是邁出了一大步。技術規范在板大小、散熱和板功能方面的嚴格要求向板卡設計人員和設備制造商提出了嚴峻挑戰。
但是，隨著大型硅元件廠商(如飛思卡爾等)開始提供參考平臺和設計資料，您可以隨時獲得幫助。
標準的靈活性和模塊化為系統集成商帶來了巨大優勢。"構建模塊"法能幫助他們輕松重新配置系統或快速生產出原型。這意味著開發和部署新系統將比以往任何時候都更經濟高效。這不僅有利于更頻繁地更新解決方案，還為最小的設計公司打開了新市場。