FPGA introdução aos componentes de energia total
Projetistas orientam para entender a potência total necessária a partir de fontes de tensão externa que fornecem a energia elétrica necessária para a operação adequada do dispositivo.
Visão geral
Fontes de alimentação externas fornecem a energia elétrica necessária para a operação adequada, tanto interna quanto externa, a um FPGA ou CPLD. Ao implementar soluções de fonte de alimentação, os projetistas precisam entender a potência total necessária nessas fontes (também referida como "energia de trilho"). Além disso, os projetistas precisam considerar quanto dessa potência total é realmente dissipada no dispositivo (referida como "energia térmica" ou "energia dissipada") em comparação com a parte de energia total que é dissipada fora do dispositivo, como em cargas capacitivas de saída externa e redes de terminação de resistor equilibradas.
A energia total consumida por um dispositivo, o carregamento de saída e as redes de terminação externa (se presentes) são geralmente compostas pelos seguintes componentes principais de energia:
- Espera
- Dinâmico
- E/S
O consumo de energia em espera é originado pela correnteI CCINT no dispositivo em modo de espera. A potência dinâmica do núcleo é proveniente da comutação interna dentro do dispositivo (capacitação de carregamento e carregamento em nós internos). A potência de E/S é proveniente de comutação externa (carregamento e carregamento da capacitância de carga externa conectada a pinos do dispositivo), drivers de E/S e rede de terminação externa (se presente).
A potência térmica é o componente de energia total que é realmente dissipada no pacote do dispositivo, com o restante sendo dissipado externamente. A potência térmica real dissipada no dispositivo é o que os projetistas devem considerar ao decidir se a capacidade intrínseca de transferência de calor do dispositivo (referida como resistência térmica) é suficiente para manter as temperaturas internas da junção do circuito integrado dentro de especificações operacionais normais, ou se soluções térmicas adicionais, como dissipadores de calor de alumínio, são necessárias para um desempenho ainda melhor de transferência de calor. Em geral, potência em modo de espera, potência dinâmica e uma parte da potência de E/S serão compostas pelo componente de energia térmica real da potência total.
Potência em espera
O dispositivo consome energia durante o modo de espera devido a correntes de fuga. A quantidade varia de acordo com o tamanho da matriz, a temperatura e as variações do processo. A potência em espera pode ser simulada antes da caracterização completa do dispositivo e pode ser definida em duas categorias: potência típica e máxima.
Os dispositivos Stratix® II usam uma tecnologia de processo de 90 nm otimizada para potência e desempenho. Em comparação com dispositivos com tecnologia de processo anteriores, dispositivos de 90 nm dissipam mais energia devido a fuga, tornando-se um componente significativo da potência total. O poder de espera exibe uma forte dependência da temperatura de junção de matrizes no nó de processo de 90 nm, mais do que as tecnologias de processo anteriores. Os designers precisam se concentrar em manter a temperatura de junção ao mínimo para reduzir o componente de espera da potência total. A Figura 1 mostra a relação entre o consumo de energia em espera e a temperatura de junção.
Figura 1. Potência em espera e relação de temperatura de junção.
Os dispositivos Stratix II utilizam tecnologia de transistor de baixo vazamento, onde é possível reduzir o consumo de energia a partir de corrente de espera, minimizando assim o consumo global de energia em 90 nm (Leia mais com otimização do consumo de energia de silício de 90 nm).
Potência dinâmica
Os nós internos que mudam os níveis lógicos consomem energia dinâmica interna no dispositivo, pois a energia é necessária para carregar e descarregar capacitâncias internas na matriz lógica e redes de interconexão (por exemplo, de uma lógica 0 a 1). A potência dinâmica do núcleo inclui potência de roteamento e potência (LE) de elementos lógicos (LE) (ou módulo de lógica adaptativa (ALM) no caso do Stratix II). A alimentação de LE/ALM é consumida pelo carregamento e descarregamento da capacitância de nó interno, bem como de elementos resistivos internos. A potência de roteamento é da corrente necessária para carregar e descarregar a capacitância de roteamento externo impulsionada por cada LE/ALM. A potência dinâmica do núcleo também pode incluir recursos arquitetônicos como:
- Blocos de RAM (M512, M4K e M-RAM)
- Blocos multiplicadores de DSP
- Malhas de captura de fase (PLLs)
- Redes de árvore de clock
- Transceptores de interface diferencial de alta velocidade (HSDI)
A potência dinâmica total é calculada multiplicando a VCCINT (1,2 V para Stratix II) pela soma total de correntes de cada recurso arquitetônico listado acima:
Potência dinâmica = VCCINT × Σ ICCINT (LE/ALM, RAM, DSP, PLL, clocks, HSDI, roteamento)
Valores de capacitância equivalentes (fixas) são usados para calcular a potência dinâmica e são baseados na soma de múltiplas capacitâncias. Por exemplo, as capacitâncias de pinos, rastreamento e pacotes são resumidas para um sinal que impulsiona uma entrada ou saída. Essa aproximação é suficiente para que as frequências de comutação interna sejam determinadas com precisão. A Intel utiliza curvas de aproximação (com base em dados de caracterização) para determinar frequências de comutação interna, estimando com eficácia a potência dinâmica para a maioria das topologias de projeto. Estimar a potência total consumida por todos os recursos de um dispositivo leva em conta a frequência máxima de comutação do recurso, fatores de alternância estimados, saídas de ventoinha para lógica downstream e coeficientes para cada recurso obtido através da caracterização do dispositivo. Esses componentes são implementados em todos os aspectos do conjunto PowerPlay de ferramentas de análise e otimização de energia da Intel® para estimativas e análise de potência.
Potência de E/S
A potência de E/S é energiaV CCIO , consumida devido ao carregamento e descarregamento de capacitores de carga externa conectados aos pinos de saída do dispositivo, os circuitos de driver de saída operando em modos resistivos e quaisquer redes de terminação externa (se presentes). A potência de E/S do dispositivo é computada como:
Potência de E/S = (número de drivers de saída ativos × coeficiente de dissipação de energia) + 0,5 × (soma de die-pad, rastreamento de pacote, pino e tampa de carga de saída) × × de oscilação de tensão padrão de E/S fMAX × (fator de alternância/100) × VCCIO
O número de drivers de saída ativos inclui saídas bidirecionais ativas. Além da potência de E/S computada acima, há outros componentes contribuintes para a potência de E/S, incluindo elementos do buffer de E/S que também são alimentados por VCCIO. A Figura 2 mostra um modelo do buffer de E/S.
Figura 2. Modelo de buffer de E/S.
Conforme mencionado anteriormente, uma parte da potência VCCIO será realmente dissipada dentro do FPGA ou CPLD, em comparação com ser dissipada externamente por redes de resistores de terminação e/ou cargas capacitivas de saída. Os projetistas precisam considerar a potência dissipada interna do VCCIO durante o planejamento de soluções de gerenciamento térmico (intrínsecas ao dispositivo ou através de dissipadores de calor externos). Os projetistas devem considerar os componentes de dissipação externa como parte do requisito total para entrega de energia dos reguladores ou conversores de tensão VCCIO (chamados de energia ferroviária). A tecnologia de análise de energia da Intel informa que a potência térmica versus energia total/trilha a partir dos dispositivos Stratix II. Os futuros dispositivos também terão essa capacidade de relatórios da tecnologia de análise de energia.
Outras considerações de poder
Há vários outros fatores que os designers devem considerar em relação ao consumo total de energia ao projetar com FPGAs e CPLDs: corrente inrush, potência de configuração e VCCPD (apenas em dispositivos Stratix II).
Corrente inrush
Corrente de inrush é o que o dispositivo requer durante a etapa inicial de inicialização. Durante a etapa de inicialização, um nível mínimo de corrente de matriz lógica (ICCINT) deve ser fornecido ao dispositivo, por uma duração específica. Esta duração depende da quantidade de corrente disponível na fonte de alimentação. Se houver mais corrente disponível, o VCCINT pode aumentar mais rapidamente. Quando a tensão atinge até 90% de seu valor nominal, a corrente alta inicial geralmente não é mais necessária. A corrente máxima de inrush varia inversamente com a temperatura do dispositivo. À medida que a temperatura do dispositivo aumenta, a corrente inrush necessária durante a redução da potência (embora a corrente de espera aumente, dada a sua função de temperatura).
Potência de configuração
No caso de um FPGA convencional, a potência de configuração é necessária para configurar o dispositivo. Durante a configuração e a inicialização, o dispositivo requer energia para redefinir os registros, habilitar pinos de E/S e entrar no modo de operação. Os pinos de E/S são três estados durante a etapa de inicialização, antes e durante a configuração, para reduzir o consumo de energia e impedi-los de sair durante esse período. Consulte o capítulo de configuração dos dispositivos Stratix II (PDF) no Volume 2 do manual do dispositivo Stratix II para obter mais informações sobre esquemas de configuração em dispositivos Stratix II, bem como os pinos de configuração aplicáveis do VCCPD para a tensão.
CCPD V
VCCPD é uma fonte de alimentação separada e menor de corrente de carga para circuitos de pré-unidade de saída, bem como buffers de E/S de configuração e grupo de ação de teste conjunto (JTAG). O VCCPD deve ser conectado a 3,3 V para alimentar os buffers de 3,3 V/2,5 V que impulsionam a entrada de configuração e os pinos JTAG. Consulte o capítulo características de DC > Comutação (PDF) no manual do dispositivo Stratix II para a especificação VCCPD .
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