FPGA Einführung in die gesamten Leistungskomponenten
Entwicklerleitfaden zum Verständnis der Gesamtleistung, die von externen Spannungsversorgungen benötigt wird, die die für den ordnungsgemäßen Betrieb des Geräts erforderliche elektrische Energie liefern.
Übersicht
Externe Netzteile liefern die elektrische Energie, die für den ordnungsgemäßen Betrieb sowohl intern als auch extern für eine FPGA oder CPLD benötigt wird. Bei der Implementierung von Stromversorgungslösungen müssen Entwickler die Gesamtleistung verstehen, die von diesen Stromversorgungen benötigt wird (auch als "Bahnstrom" bezeichnet). Darüber hinaus müssen Entwickler berücksichtigen, wie viel von dieser Gesamtleistung tatsächlich innerhalb des Geräts abgeführt wird (als "thermische Leistung" oder "Verlustleistung" bezeichnet) im Vergleich zu dem Teil der Gesamtleistung, der außerhalb des Geräts abgeführt wird, z. B. in kapazitiven Lasten mit externem Ausgang und symmetrischen Widerstandsabschlussnetzwerken.
Der Gesamtenergieverbrauch eines Geräts, der Ausgangslast und externer Terminierungsnetzwerke (falls vorhanden) besteht im Allgemeinen aus den folgenden Hauptleistungskomponenten:
- Standby
- Dynamische
- I/O
Die Standby-Stromversorgung erfolgt über denCCINT-Strom des Geräts im Standby-Modus. Die dynamische Kernleistung stammt aus dem internen Schalten innerhalb des Geräts (Lade- und Entladekapazität auf internen Knoten). Die E/A-Energie stammt von externem Schalten (Laden und Entladen externer Lastkapazität, die an Gerätepins angeschlossen ist), E/A-Treibern und externem Abschlussnetzwerk (falls vorhanden).
Die Wärmeleistung ist die Komponente der Gesamtleistung, die tatsächlich innerhalb des Gerätepakets abgeführt wird, während der Rest extern abgeführt wird. Die tatsächliche Verlustleistung innerhalb des Geräts ist das, was Entwickler bei der Entscheidung berücksichtigen sollten, ob die intrinsische Wärmeübertragungsfähigkeit des Geräts (als Wärmewiderstand bezeichnet) ausreicht, um die internen Die-Junction-Temperaturen innerhalb der normalen Betriebsspezifikationen zu halten, oder ob zusätzliche thermische Lösungen, wie z. B. Aluminiumkühlkörper, für eine noch bessere Wärmeübertragungsleistung erforderlich sind. Im Allgemeinen bilden die Standby-Leistung, die dynamische Leistung und ein Teil der E/A-Leistung die eigentliche thermische Leistungskomponente der Gesamtleistung.
Standby-Leistung
Das Gerät verbraucht im Standby-Modus aufgrund von Leckströmen Strom. Die Menge variiert je nach Werkzeuggröße, Temperatur und Prozessschwankungen. Die Standby-Leistung kann vor der vollständigen Charakterisierung des Geräts simuliert und in zwei Kategorien definiert werden: typische und maximale Leistung.
Stratix® II Geräte verwenden eine 90-nm-Prozesstechnologie, die für Energie und Leistung optimiert ist. Im Vergleich zu früheren Geräten der Prozesstechnik leiten 90-nm-Geräte aufgrund von Leckagen mehr Leistung ab und werden zu einem bedeutenden Bestandteil der Gesamtleistung. Die Standby-Leistung ist stärker als bei früheren Prozesstechnologien stark von der Temperatur des Chip-Sperrschichts am 90-nm-Prozessknoten abhängig. Entwickler müssen sich darauf konzentrieren, die Sperrschichttemperatur auf ein Minimum zu reduzieren, um die Standby-Komponente der Gesamtleistung zu senken. Abbildung 1 zeigt die Beziehung zwischen Standby-Leistung und Sperrschichttemperatur.
Abbildung 1. Standby-Leistungs- und Sperrschichttemperatur-Beziehung.
Stratix II Bausteine verwenden nach Möglichkeit eine Transistortechnologie mit geringem Leckage, um die Leistung aus dem Standby-Strom zu reduzieren und so den Gesamtstromverbrauch bei 90 nm zu minimieren (Lesen Sie mehr unter 90 nm Silizium-Leistungsoptimierung).
Dynamische Leistung
Interne Knoten, die die Logikpegel ändern, verbrauchen dynamische Energie innerhalb des Geräts, da Strom zum Laden und Entladen interner Kapazitäten im Logik-Array und in Verbindungsnetzwerken benötigt wird (z. B. von Logik 0 zu Logik 1). Die dynamische Kernleistung umfasst sowohl die Routingleistung als auch die Leistung des Logikelements (LE) (oder des adaptiven Logikmoduls (ALM) im Fall von Stratix II). LE/ALM-Energie wird durch das Laden und Entladen der internen Knotenkapazität sowie durch interne Widerstandselemente verbraucht. Die Routing-Leistung ergibt sich aus dem Strom, der zum Laden und Entladen der externen Routing-Kapazität erforderlich ist, die von jedem LE/ALM angetrieben wird. Core Dynamic Power kann auch architektonische Ressourcen umfassen, wie z. B.:
- RAM-Blöcke (M512, M4K und M-RAM)
- DSP-Multiplikator-Blöcke
- Phasenregelkreise (PLLs)
- Clock-Tree-Netzwerke
- High-Speed Differential Interface (HSDI) Transceiver
Die gesamte dynamische Leistung wird berechnet, indem VCCINT (1,2 V für Stratix II) mit der Gesamtsumme der Ströme aus jedem oben aufgeführten Architekturmerkmal multipliziert wird:
Dynamische Leistung = V CCINT × Σ ICCINT (LE/ALM, RAM, DSP, PLL, Taktfrequenzen, HSDI, Routing)
Äquivalente (gebündelte) Kapazitätswerte werden zur Berechnung der dynamischen Leistung verwendet und basieren auf der Summe mehrerer Kapazitäten. Beispielsweise werden Pin-, Leiterbahn- und Paketkapazitäten für ein Signal, das einen Eingang oder Ausgang ansteuert, summiert. Diese Näherung ist ausreichend, wenn die internen Schaltfrequenzen genau bestimmt werden. Intel verwendet Näherungskurven (basierend auf Charakterisierungsdaten), um interne Schaltfrequenzen zu bestimmen und die dynamische Leistung für die meisten Designtopologien effektiv abzuschätzen. Bei der Schätzung des Gesamtenergieverbrauchs aller Ressourcen eines Geräts werden die maximale Schaltfrequenz der Ressource, geschätzte Umschaltfaktoren, Fan-Outs zur nachgeschalteten Logik und Koeffizienten für jede Ressource berücksichtigt, die durch die Charakterisierung des Geräts erhalten werden. Diese Komponenten sind in allen Aspekten der PowerPlay Suite von Intel PowerPlay von Energieanalyse- und Optimierungstools zur Stromverbrauchsabschätzung und -analyse implementiert.
I/O-Leistung
Die E/A-Leistung istV-CCIO-Leistung , die durch das Laden und Entladen externer Lastkondensatoren, die mit den Geräteausgangspins verbunden sind, der Ausgangstreiberschaltungen, die im Widerstandsmodus arbeiten, und aller externen Abschlussnetzwerke (falls vorhanden) verbraucht wird. Die E/A-Leistung des Geräts wird wie folgt berechnet:
E/A-Leistung = (Anzahl der aktiven Ausgangstreiber × Verlustleistung) + 0,5 × (Summe aus Die-Pad, Gehäuseleiterbahn, Pin und Ausgangslastobergrenze) × E/A Standard-Spannungswechsel× fMAX × (Umschaltfaktor/100) ×V CCIO
Die Anzahl der aktiven Ausgangstreiber umfasst aktive bidirektionale Ausgänge. Neben der oben berechneten E/A-Leistung gibt es weitere Komponenten, die zur E/A-Leistung beitragen, einschließlich Elemente des E/A-Puffers, die ebenfalls von VCCIO gespeist werden. Abbildung 2 zeigt ein Modell des E/A-Puffers.
Abbildung 2. I/O-Puffer-Modell.
Wie bereits erwähnt, wird ein Teil der VCCIO-Leistung tatsächlich innerhalb des FPGA oder CPLD abgeführt, im Vergleich zur externen Ableitung über Abschlusswiderstandsnetzwerke und/oder kapazitive Ausgangslasten. Entwickler müssen bei der Planung von Wärmemanagementlösungen (entweder dem Gerät innewohnen oder über externe Kühlkörper) die interne Verlustleistung von VCCIO berücksichtigen. Entwickler sollten externe Verlustkomponenten als Teil des Gesamtbedarfs für die Stromversorgung durch die VCCIO-Spannungsregler oder -wandler (als Schienenleistung bezeichnet) in Betracht ziehen. Intels Power-Analysis-Technologie berichtet über die thermische Leistung im Vergleich zur Gesamt-/Schienenleistung, beginnend mit Stratix II Geräten. Zukünftige Geräte werden auch über diese Berichtsfunktion zur Leistungsanalysetechnologie verfügen.
Andere Überlegungen zur Leistungsaufnahme
Es gibt mehrere andere Faktoren, die Entwickler in Bezug auf die Gesamtleistung berücksichtigen sollten, wenn sie mit FPGAs und CPLDs entwerfen: Einschaltstrom, Konfigurationsleistung und VCCPD (nur Stratix II-Geräte).
Einschaltstrom
Der Einschaltstrom ist das, was das Gerät während der ersten Einschaltphase benötigt. Während der Einschaltphase muss dem Gerät für eine bestimmte Zeit ein Mindeststrom des Logik-Arrays (ICCINT) zur Verfügung gestellt werden. Diese Dauer hängt von der Strommenge ab, die von der Stromversorgung zur Verfügung steht. Wenn mehr Strom zur Verfügung steht, kann VCCINT schneller hochgefahren werden. Wenn die Spannung bis zu 90 Prozent ihres Nennwertes erreicht, wird der anfänglich hohe Strom in der Regel nicht mehr benötigt. Der maximale Einschaltstrom variiert umgekehrt mit der Temperatur des Geräts. Mit steigender Gerätetemperatur sinkt der beim Einschalten erforderliche Einschaltstrom (obwohl der Standby-Strom aufgrund seiner Temperaturfunktion ansteigt).
Konfigurationsleistung
Bei einem herkömmlichen FPGA ist die Konfigurationsleistung die Leistung, die für die Konfiguration des Geräts erforderlich ist. Während der Konfiguration und Initialisierung benötigt das Gerät Strom, um Register zurückzusetzen, E/A-Pins zu aktivieren und in den Betriebsmodus zu wechseln. Die E/A-Pins sind während des Hochfahrens sowohl vor als auch während der Konfiguration dreistellig angeordnet, um den Stromverbrauch zu reduzieren und zu verhindern, dass sie während dieser Zeit herausfahren. Weitere Informationen zu den Konfigurationsschemata in Stratix II Geräten sowie zu den entsprechenden Konfigurationspins desV CCPD für die Spannung finden Sie im Kapitel Konfiguration von Stratix II Geräten (PDF) in Band 2 des Stratix II Gerätehandbuchs.
VCCPD
VCCPD ist eine separate, kleinere Last-Strom-Stromversorgung für Ausgangsvortreiberschaltungen sowie Konfiguration und Joint Test Action Group (JTAG) E/A-Puffer. VCCPD sollte an 3,3 V angeschlossen werden, um die 3,3 V / 2,5 V-Puffer mit Strom zu versorgen, die den Konfigurationseingang und die JTAG-Pins ansteuern. Die Spezifikation desV CCPD finden Sie im Kapitel DC- und Schalteigenschaften (PDF) des Stratix II Gerätehandbuchs.
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