FPGA Introduction aux composants de puissance totale
Guide des concepteurs pour comprendre la puissance totale requise par les alimentations en tension externes qui fournissent l’énergie électrique nécessaire au bon fonctionnement de l’appareil.
Aperçu
Les blocs d’alimentation externes fournissent l’énergie électrique nécessaire au bon fonctionnement d’un FPGA ou CPLD à l’intérieur et à l’extérieur. Lors de la mise en œuvre de solutions d’alimentation, les concepteurs doivent comprendre la puissance totale requise à partir de ces alimentations (également appelée « alimentation ferroviaire »). En outre, les concepteurs doivent tenir compte de la quantité de cette puissance totale réellement dissipée dans l’appareil (appelée « puissance thermique » ou « puissance dissipée ») par rapport à la partie de la puissance totale qui est dissipée à l’extérieur de l’appareil, comme dans les charges capacitives de sortie externe et les réseaux de terminaison de résistance équilibrée.
La consommation totale d’énergie d’un appareil, de la charge de sortie et des réseaux de terminaison externes (le cas échéant) est généralement composée des principaux composants d’alimentation suivants :
- Veille
- Dynamique
- E/S
L’alimentation en veille provient du courantI CCINT de l’appareil en mode veille. La puissance dynamique de base provient de la commutation interne à l’intérieur de l’appareil (capacité de charge et de décharge sur les nœuds internes). L’alimentation d’E/S provient de la commutation externe (charge et décharge de la capacité de charge externe connectée aux broches de l’appareil), des pilotes d’E/S et du réseau de terminaison externe (le cas échéant).
La puissance thermique est la composante de la puissance totale qui est effectivement dissipée dans le boîtier de l’appareil, le reste étant dissipé vers l’extérieur. La puissance thermique réelle dissipée à l’intérieur de l’appareil est ce que les concepteurs doivent prendre en compte lorsqu’ils décident si la capacité de transfert de chaleur intrinsèque de l’appareil (appelée résistance thermique) est suffisante pour maintenir les températures de jonction des matrices internes dans les spécifications de fonctionnement normales, ou si des solutions thermiques supplémentaires, telles que des dissipateurs thermiques en aluminium, sont nécessaires pour des performances de transfert de chaleur encore meilleures. En général, l’alimentation en veille, l’alimentation dynamique et une partie de la puissance d’E/S constituent la composante de puissance thermique réelle de la puissance totale.
Alimentation en veille
L’appareil consomme de l’énergie en mode veille en raison des courants de fuite. La quantité varie en fonction de la taille de la matrice, de la température et des variations du procédé. La puissance de veille peut être simulée avant la caractérisation complète de l’appareil et peut être définie en deux catégories : la puissance typique et la puissance maximale.
Les appareils Stratix® II utilisent une technologie de gravure 90 nm optimisée en termes de puissance et de performances. Par rapport aux dispositifs de technologie de traitement précédents, les appareils 90 nm dissipent plus de puissance en raison de fuites, devenant un composant important de la puissance globale. L’alimentation en veille présente une forte dépendance à la température de jonction de la matrice au niveau du nœud de processus de 90 nm, plus que les technologies de traitement précédentes. Les concepteurs doivent s’efforcer de maintenir la température de jonction au minimum afin d’abaisser la composante de veille de la puissance totale. La figure 1 montre la relation entre l’alimentation en veille et la température de jonction.
Graphique 1. Relation entre l’alimentation de veille et la température de jonction.
Les appareils Stratix II utilisent, dans la mesure du possible, la technologie des transistors à faible fuite pour réduire la consommation d’énergie provenant du courant de veille, minimisant ainsi la consommation électrique globale à 90 nm (En savoir plus sur l’optimisation de l’alimentation sur silicium de 90 nm).
Puissance dynamique
Les nœuds internes qui changent de niveau logique consomment de l’énergie dynamique interne à l’appareil, car l’énergie est nécessaire pour charger et décharger les capacités internes dans le réseau logique et les réseaux d’interconnexion (par exemple, d’une logique 0 à une logique 1). La puissance dynamique de base comprend à la fois la puissance de routage et la puissance de l’élément logique (LE) (ou le module logique adaptatif (ALM) dans le cas de Stratix II). La puissance LE/ALM provient de la charge et de la décharge de la capacité interne du nœud, ainsi que des éléments résistifs internes. La puissance de routage provient du courant nécessaire pour charger et décharger la capacité de routage externe pilotée par chaque LE/ALM. La puissance dynamique de base peut également inclure des ressources architecturales telles que :
- Blocs RAM (M512, M4K et M-RAM)
- Blocs multiplicateurs DSP
- Boucles à verrouillage de phase (PLL)
- Réseaux d’arborescence d’horloges
- Émetteurs-récepteurs d’interface différentielle haut débit (HSDI)
La puissance dynamique totale est calculée en multipliant le VCCINT (1,2 V pour Stratix II) par la somme totale des courants de chaque caractéristique architecturale énumérée ci-dessus :
Puissance dynamique = VCCINT × Σ ICCINT (LE/ALM, RAM, DSP, PLL, Horloges, HSDI, Routage)
Des valeurs de capacité équivalentes (groupées) sont utilisées pour calculer la puissance dynamique et sont basées sur la somme de plusieurs capacités. Par exemple, les capacités de broches, de traçage et de boîtier sont additionnées pour un signal pilotant une entrée ou une sortie. Cette approximation est suffisante si les fréquences de commutation interne sont déterminées avec précision. Intel utilise des courbes d’approximation (basées sur les données de caractérisation) pour déterminer les fréquences de commutation internes, estimant efficacement la puissance dynamique pour la plupart des topologies de conception. L’estimation de la consommation totale d’énergie par l’ensemble des ressources d’un composant prend en compte la fréquence de commutation maximale de la ressource, les facteurs de basculement estimés, les ventilations vers la logique aval et les coefficients pour chaque ressource obtenue grâce à la caractérisation de l’appareil. Ces composants sont mis en œuvre dans tous les aspects de la suite PowerPlay d’outils d’analyse et d’optimisation de la puissance d’Intel® pour l’estimation et l’analyse de la puissance.
Alimentation d’E/S
L’alimentation d’E/S est VCCIO , consommée en raison de la charge et de la décharge des condensateurs de charge externes connectés aux broches de sortie de l’appareil, aux circuits de pilote de sortie fonctionnant en mode résistif et à tout réseau de terminaison externe (le cas échéant). La puissance d’E/S de l’appareil est calculée comme suit :
Puissance d’E/S = (nombre de pilotes de sortie actifs × coefficient de dissipation de puissance) + 0,5 × (somme de la matrice, de la trace du package, de la broche et du plafond de charge de sortie) × variation de tension standard d’E/S × fMAX × (facteur de basculement/100) × VCCIO
Le nombre de pilotes de sortie actifs inclut les sorties bidirectionnelles actives. Outre la puissance d’E/S calculée ci-dessus, il existe d’autres composants contribuant à la puissance d’E/S, notamment des éléments du tampon d’E/S qui sont également alimentés par VCCIO. La figure 2 montre un modèle de mémoire tampon des E/S.
Graphique 2. Modèle de tampon d’E/S.
Comme mentionné précédemment, une partie de la puissance VCCIO sera en fait dissipée dans le FPGA ou le CPLD, par rapport à être dissipée à l’extérieur via des réseaux de résistance de terminaison et / ou des charges capacitives de sortie. Les concepteurs doivent tenir compte de la puissance dissipée interne de VCCIO lors de la planification des solutions de gestion thermique (intrinsèque à l’appareil ou via des dissipateurs thermiques externes). Les concepteurs doivent considérer les composants de dissipation externes comme faisant partie de l’exigence totale de fourniture d’énergie des régulateurs ou convertisseurs de tension VCCIO (appelée alimentation sur rail). La technologie d’analyse de puissance d’Intel rapporte la puissance thermique par rapport à la puissance totale/ferroviaire à partir des périphériques Stratix II. Les futurs appareils disposeront également de cette capacité de rapport sur la technologie d’analyse de puissance.
Autres considérations relatives à la puissance
Il existe plusieurs autres facteurs que les concepteurs doivent prendre en compte en ce qui concerne la puissance totale lors de la conception avec des FPGAs et des CPLD : courant d’appel, puissance de configuration et VCCPD (périphériques Stratix II uniquement).
Courant d’appel
Le courant d’appel est ce dont l’appareil a besoin lors de la phase de mise sous tension initiale. Pendant la phase de mise sous tension, un niveau minimal de courant de matrice logique (ICCINT) doit être fourni à l’appareil, pour une durée spécifique. Cette durée dépend de la quantité de courant disponible à partir de l’alimentation. Si plus de courant est disponible, VCCINT peut augmenter plus rapidement. Lorsque la tension atteint 90 % de sa valeur nominale, le courant élevé initial n’est généralement plus nécessaire. Le courant d’appel maximal varie inversement avec la température de l’appareil. À mesure que la température de l’appareil augmente, le courant d’appel requis pendant la mise sous tension diminue (bien que le courant de veille augmente, compte tenu de sa fonction de température).
Puissance de configuration
Dans le cas d’un FPGA classique, la puissance de configuration est la puissance nécessaire pour configurer l’appareil. Lors de la configuration et de l’initialisation, l’appareil nécessite une alimentation pour réinitialiser les registres, activer les broches d’E/S et passer en mode de fonctionnement. Les broches d’E/S sont tri-affirmées pendant la phase de mise sous tension, avant et pendant la configuration, afin de réduire la consommation et d’éviter qu’elles ne s’éteignent pendant ce temps. Reportez-vous au chapitre Configuration des appareils Stratix II (PDF) du volume 2 du manuel des appareils Stratix II pour plus d’informations sur les schémas de configuration des appareils Stratix II, ainsi que sur les broches de configuration applicables auCCPD V pour la tension.
VCCPD
VCCPD est une alimentation à courant de charge séparée et plus petite pour les circuits de précommande de sortie, ainsi que pour les tampons d’E/S de configuration et JTAG (Joint Test Action Group). VCCPD doit être connecté à 3,3 V afin d’alimenter les tampons de 3,3 V / 2,5 V qui pilotent l’entrée de configuration et les broches JTAG. Reportez-vous au chapitre DC & Switching characteristics (PDF) du manuel de l’appareil Stratix II pour la spécification VCCPD .
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