FPGA電源的“護(hù)理和喂養(yǎng)”:成功的道與因
發(fā)布時(shí)間:2019-02-25 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】現(xiàn)代FPGA是有史以來最復(fù)雜的集成電路之一,它們采用最先進(jìn) 的晶體管技術(shù)和頂尖的架構(gòu),以實(shí)現(xiàn)令人難以置信的靈活性和 最高的性能。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn)步,這種復(fù)雜性決定 了,在用FPGA設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí),需要做出某些妥協(xié)。這一點(diǎn) 在電源中最為明顯,F(xiàn)PGA每次更新?lián)Q代,電源都要提高精度、 靈活性、可控性、效率和故障感知能力,還要減小體積。
可能有些讀者會(huì)質(zhì)疑本文的標(biāo)題, 乍一看,說“FPGA的護(hù)理和喂養(yǎng)(care and feeding)”似乎完全不合適。然而,對(duì)于這種反對(duì)意見的答案很簡(jiǎn)單:英語是一個(gè)有趣的語言。雖然人們對(duì)于“care and feeding”這一說法何時(shí)開始流行莫衷一是,但人們都知道,這個(gè)說法起源于簡(jiǎn)單的農(nóng)業(yè)時(shí)代,目前已經(jīng)被人們普遍使用(濫用),指任何脆弱或不穩(wěn)定的東西。在本文中,這一說法可謂一針見血。雖然對(duì)于FPGA是否需要“喂養(yǎng)”, 人們充滿爭(zhēng)議,但我們可以肯定的是,F(xiàn)PGA的確需要“護(hù)理”!
FPGA電源要求(解讀數(shù)據(jù)手冊(cè))
工程師應(yīng)該將大部分時(shí)間用于編程——他們不希望花費(fèi)時(shí)間和精 力去考慮如何設(shè)計(jì)合適的電源。實(shí)際上,最佳供電方案就是采用 一種既能滿足項(xiàng)目當(dāng)前需求,又能達(dá)到項(xiàng)目升級(jí)發(fā)展需求的,強(qiáng) 大、靈活且行之有效的設(shè)計(jì)方案。在此,我們將仔細(xì)考察一些重 要的電源規(guī)格及其含義。
電壓精度
內(nèi)核電源電壓是平衡 FPGA 功耗和性能的、最重要的關(guān)鍵要素之一。規(guī)格文檔給出了一系列可接受的電壓,但總的電壓范圍并不 是問題的全部。與所有事物一樣,需要進(jìn)行權(quán)衡和優(yōu)化。
表1是當(dāng)下流行的 Altera Arria 10 FPGA 的內(nèi)核電壓規(guī)格示例。雖然這些數(shù)字是Arria 10特有的數(shù)據(jù),但它們代表了其他 FPGA 內(nèi)核電壓要求。電壓范圍為標(biāo)稱電壓另加±3.3%的容差。在此電壓窗口 內(nèi),F(xiàn)PGA會(huì)正常運(yùn)行,但問題的全貌要復(fù)雜得多。
表1. Altera Arria 10內(nèi)核電壓規(guī)格
注意標(biāo)有“SmartVID”的行,其電壓范圍為 0.82 V 至 0.93 V。這表示,當(dāng) FPGA 通過 SmartVID2 接口(詳見后文)請(qǐng)求自身的內(nèi)核電壓 時(shí),F(xiàn)PGA 可以接受的各種電壓。該 SmartVID 規(guī)格表明了有關(guān) FPGA 的一個(gè)基本事實(shí):FPGA 可以在不同電壓下運(yùn)行,具體取決于其特 定的制造容差以及采用的特定邏輯設(shè)計(jì)。FPGA的靜態(tài)電壓可能各不相同。電源必須具備響應(yīng)和適應(yīng)能力。
設(shè)計(jì)目標(biāo)是產(chǎn)生恰好能滿足編程功能需求的性能水平,不消耗不必要的功率。根據(jù)半導(dǎo)體的物理特性以及 Altera、Xilinx®(圖1)和 其他公司公布的數(shù)據(jù)可知,動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功率會(huì)隨著內(nèi)核 VDD 的增加而顯著提高,因此我們的目標(biāo)是確保,給 FPGA 提供的電壓剛好達(dá)到其時(shí)序要求即可。功耗過大無助于提高性能。實(shí)際上,功耗過多會(huì)使情況變得更糟,因?yàn)榫w管泄漏電流隨著溫度的升高而增加,從而消耗更多不必要的功率。由于這些原因,當(dāng)務(wù)之急是優(yōu) 化設(shè)計(jì)和工作點(diǎn)的電壓。
圖1. Xilinx Virtex V功率與內(nèi)核VCC。
這種優(yōu)化過程需要非常精確的電源才能獲得成功。必須將調(diào)節(jié)器 誤差納入誤差預(yù)算,并從可用于優(yōu)化的可用電壓范圍中減去。如 果內(nèi)核電壓降至要求電壓以下,則FPGA可能因時(shí)序錯(cuò)誤而發(fā)生 故障。如果內(nèi)核電壓漂移至最大規(guī)格值以上,結(jié)果可能會(huì)損壞 FPGA,或者可能會(huì)在邏輯中形成保持時(shí)間故障。為了防止所有 這些情況,必須考慮電源容差范圍,并且指令電壓必須保持在 規(guī)格限值以內(nèi)。
問題是大多數(shù)電源調(diào)節(jié)器都不夠準(zhǔn)確。調(diào)節(jié)電壓可能是指令電壓 容差范圍內(nèi)的任何電壓,可能隨負(fù)載條件、溫度和老化而漂移。 保證 ±2% 容差的電源可以在 4% 的電壓窗口內(nèi)任意調(diào)節(jié)電壓。為 了補(bǔ)償電壓可能比下限值低2% 的問題,必須將指令電壓提高到 比時(shí)序要求 2%的水平。如果調(diào)節(jié)器然后漂移到比指令電壓高 2% 的水平,它將在比該工作點(diǎn)所需的最小電壓高 4% 的水平運(yùn)行。這仍然符合FPGA的指定電壓要求,但卻浪費(fèi)了大量功率(圖2)。
圖2. 電源調(diào)節(jié)器容差權(quán)衡。
解決辦法是選擇能支持更嚴(yán)格的電壓容差的電源調(diào)節(jié)器。容差 為±0.5%的調(diào)節(jié)器可以在要求工作頻率下,在更接近最小規(guī)格要 求的范圍內(nèi)工作,并且保證與所需電壓的偏離幅度小于1%。這 種情況下,F(xiàn)PGA會(huì)正常工作,并且其功耗將達(dá)到該工作條件下 的最低水平。
LTC388x 系列電源控制器可在較寬的可配置電壓范圍內(nèi),保證調(diào) 節(jié)輸出電壓容差優(yōu)于±0.5%。LTC297x 系列電源系統(tǒng)管理器可保證 調(diào)整后的電壓調(diào)節(jié)器容差優(yōu)于±0.25%。在這些精度條件下,對(duì)于FPGA,顯然都能使其功耗與性能之間達(dá)到最佳平衡。
熱管理
就電源精度而言,一個(gè)更微妙的意義體現(xiàn)在熱預(yù)算當(dāng)中。由于靜 態(tài)功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到可以忽略不計(jì)的程度,因此FPGA即使在無所 事事的情況下也會(huì)升溫。溫度升高會(huì)導(dǎo)致更多的靜態(tài)功耗,從而 進(jìn)一步提高工作溫度(圖3)。向電源添加不必要的電壓只會(huì)使該 問題變得更加糟糕。不準(zhǔn)確的電源需要工作電壓保護(hù)段,確保有 足夠的電壓來完成此項(xiàng)工作。由容差、系統(tǒng)組件變化和工作溫度 的變化引起的電源電壓不確定性可能產(chǎn)生明顯高于所需最小值的 電壓。當(dāng)施加到FPGA時(shí),這種額外的電壓可能導(dǎo)致熱效應(yīng),甚至 可能在高處理負(fù)載下導(dǎo)致熱失控。
圖3. 電源電流與工作溫度的關(guān)系。
補(bǔ)救措施是選擇一種非常精確的電源,該電源僅產(chǎn)生恰當(dāng)且不超過必要的電壓,這正是 ADI 電源系統(tǒng)管理 (PSM) 器件所擅長(zhǎng)的。
SmartVID
SmartVID 是 Altera 公司出品的一種技術(shù),該技術(shù)用于按照FPGA本身 的要求,為每個(gè) FPGA 提供最佳電壓。FPGA 內(nèi)部有一個(gè)寄存器,其 中包含一個(gè)因器件而異的電壓(已在出廠中編程),可保證 FPGA 高效運(yùn)行。FPGA 內(nèi)部編譯的一項(xiàng)IP功能可以讀取該寄存器,并通過 外部總線向電源發(fā)出請(qǐng)求,要求提供這個(gè)精確的電壓(圖4)。一 旦達(dá)到電壓要求,它就會(huì)在運(yùn)行期間保持靜止。
圖4. Altera SmartVID結(jié)構(gòu)。
SmartVID 應(yīng)用對(duì)電源的要求包括特定的總線協(xié)議、電壓精度和速 度??偩€協(xié)議是 FPGA 用于將其所需電壓傳送到功率調(diào)節(jié)器的幾 種方法之一。在可用的方法中,PMBus 最為靈活,因?yàn)樗梢?滿足最廣泛的電源管理IC的需求。SmartVID IP 使用兩個(gè) PMBu s指令:VOUT_MODE 和VOUT_COMMAND,用于命令符合 PMBus 標(biāo)準(zhǔn)的功率調(diào)節(jié)器達(dá)到正確的電壓。
調(diào)節(jié)器的電壓精度和速度要求包括自主引導(dǎo)電壓(在PMBus激活之 前),能每10毫秒接受一個(gè)新電壓指令,在電壓調(diào)整階段每 10 毫秒能步進(jìn) 10 mV,并且能在10毫秒的步進(jìn)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定在目標(biāo)電壓30 mV (~3%)范圍內(nèi),最終升至指令電壓并在FPGA工作期間保持靜止。
雖然 Altera 使用的是 SmartVID 技術(shù),但業(yè)界使用的其他類似技術(shù)也 可以完成相同的任務(wù)。一種最簡(jiǎn)單的方法是在工廠測(cè)試每塊電路板,并在電源的非易失性存儲(chǔ)器中編程一個(gè)精確的電壓,優(yōu)化該 特定電路板的性能。使用該技術(shù)時(shí),不需要進(jìn)一步干預(yù),電源就能在正確的電壓下工作。這是搭載EEPROM 的電源管理器或控制 器的優(yōu)點(diǎn)之一。
LTC388x 系列電源控制器可滿足 Altera SmartVID 的所有要求。此外,LTM4675/LTM4676/LTM4677 µModule 調(diào)節(jié)器可以輕松滿足這些 要求,而且通過單一緊湊的形式提供了完整的解決方案。
時(shí)序收斂
任何邏輯模塊的計(jì)算速度均取決于其電源電壓。在限值范圍內(nèi), 電壓越高,性能越快。我們已經(jīng)看到,為什么不能采用簡(jiǎn)單的辦 法,即在最高電壓下運(yùn)行,保證獲得最佳速度。另一方面,我們必須使工作電壓足夠高,能滿足應(yīng)用需求,如圖5所示。
圖5. FPGA工作頻率與VDD之間的平衡關(guān)系。
圖5的一個(gè)重要啟示是,當(dāng)特定設(shè)計(jì)達(dá)不到其邏輯時(shí)序要求并處 于故障區(qū)域時(shí)可以采取哪些措施。通常,在將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成硬件 之前,很難準(zhǔn)確定義正常工作與故障之間的界限,也無法預(yù)先 確定它將在哪個(gè)特定電壓下超過時(shí)序要求。唯一的選擇是提前確 定一個(gè)遠(yuǎn)高于最小值的電壓,以浪費(fèi)功率為代價(jià)來保證功能;或 者設(shè)計(jì)一種靈活的電源,以在測(cè)試時(shí)適應(yīng)硬件需求,甚至在采用 SmartVID 技術(shù)的情況下,能在加電時(shí)適應(yīng)硬件需求。適應(yīng)未知需 求的能力使得 ADI PSM 器件的精度更具價(jià)值,因?yàn)?FPGA 設(shè)計(jì)師可以在實(shí)際設(shè)計(jì)階段和任何開發(fā)階段在功耗與性能之間進(jìn)行權(quán)衡。
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