并行工程適用于FPGA電源設(shè)計(jì)嗎？

要想理解和管理FPGA設(shè)計(jì)師如何在設(shè)計(jì)周期早期在FPGA上實(shí)現(xiàn)高處理狀態(tài)和低處理狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，將顯著影響電源設(shè)計(jì)師優(yōu)化電源設(shè)計(jì)和滿足系統(tǒng)功耗要求的可選方法。FPGA中的每個(gè)電源軌沒(méi)有要求也沒(méi)有必要采用獨(dú)立的電源，因?yàn)檫@樣會(huì)增加成本，占用太多寶貴的電路板空間。相反，電源設(shè)計(jì)師可以使用分布式電源網(wǎng)絡(luò)，由降壓穩(wěn)壓器將系統(tǒng)電源降下來(lái)，然后分配給各個(gè)負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器再提供每個(gè)電壓軌。每個(gè)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)提供恒定的輸出電壓，只要確保輸入電壓和輸出負(fù)載電流在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

如果設(shè)計(jì)師可以在開(kāi)發(fā)過(guò)程早期就滿足基于FPGA的設(shè)計(jì)，提出的功耗要求和約束條件，那么在系統(tǒng)的最終實(shí)現(xiàn)階段就能形成極具競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)。然而，根據(jù)整個(gè)技術(shù)文獻(xiàn)中這種自我暗示式的反復(fù)禱告，今天基于FPGA的系統(tǒng)中還有什么會(huì)使得完全遵循這個(gè)建議變得不切實(shí)際或過(guò)于困難呢?盡管能夠使用各種開(kāi)發(fā)工具，如專(zhuān)門(mén)針對(duì)FPGA項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的早期功耗預(yù)估器和功耗分析器，但對(duì)電源設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)過(guò)程早期就考慮最壞情況而不是最佳情況的電源系統(tǒng)是有好處的，因?yàn)樵谠S多方面仍有太多的不確定性，比如在硬件設(shè)計(jì)完成和功耗可以測(cè)量之前，靜態(tài)小電流狀態(tài)與全速工作狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)負(fù)載要求將如何波動(dòng)。

采用并行工程(CE)技術(shù)，可以為在項(xiàng)目中使用FPGA器件的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，提供一種快速方便地在當(dāng)前設(shè)計(jì)的處理性能、材料清單(BOM)成本和效率之間尋找和實(shí)現(xiàn)最有效平衡的方法嗎?理解并行工程如何影響一個(gè)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)工作，以及它如何影響開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)從項(xiàng)目一開(kāi)始就解決FPGA及系統(tǒng)其余部分的電源要求的能力，都有助于回答這個(gè)問(wèn)題(參考副標(biāo)題“并行工程”)。

并行工程，是一種有助于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更加快速地發(fā)現(xiàn)和解決一起協(xié)作產(chǎn)生最終設(shè)計(jì)的各門(mén)科目之間假設(shè)脫節(jié)問(wèn)題的機(jī)制。任何開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)開(kāi)始就完全正確地獲得一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的全部要求基本上是不可能的——因此盡可能早地發(fā)現(xiàn)、判斷和放棄假設(shè)與設(shè)計(jì)決策的脫節(jié)、并用能夠以可能最低的成本指導(dǎo)項(xiàng)目更接近理想結(jié)果的條件與決策來(lái)代替是更加高效的一種方法。

后期設(shè)計(jì)階段和最壞情況下，F(xiàn)PGA電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和潛在后果足以證明采用并行工程方法的合理性嗎?為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們需要理解：FPGA電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和不確定性根源是什么，這些原因如何影響他們?cè)谠O(shè)計(jì)電源時(shí)必須做出的權(quán)衡決策?

復(fù)雜性和不確定性

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中的每位成員都在經(jīng)歷復(fù)雜性和不確定性的增加——幸運(yùn)的是，提高集成度和抽象水平多少可以降低一些復(fù)雜性和不確定性，并有助于將整體復(fù)雜性保持在人類(lèi)設(shè)計(jì)師能夠理解和應(yīng)付的范圍內(nèi)。正如任何會(huì)在設(shè)計(jì)后期增加其影響力的科目一樣，上游設(shè)計(jì)假設(shè)與決策可能會(huì)形成額外的復(fù)雜性與不確定性來(lái)源，如果能夠較早地協(xié)調(diào)與交流，可以最大程度地減小這些復(fù)雜性與不確定性。

電源設(shè)計(jì)是在復(fù)雜性日益增加的系統(tǒng)中這些潛在的下游科目之一。在本例中，讓我們從電源設(shè)計(jì)師的角度看一下復(fù)雜性和不確定性的來(lái)源。影響電源設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵FPGA因素是電壓和電流要求。

FPGA電壓要求趨勢(shì)正在推升復(fù)雜性，因?yàn)樗鼈円笕找嬖龆嗟碾娫窜?。今天的高端FPGA不再只是需要兩個(gè)電源軌用于內(nèi)核和I/O單元以及可能第三個(gè)電源軌用于輔助功能，而是要求十個(gè)以上的外部驅(qū)動(dòng)電源軌。

為什么需要的電源軌數(shù)量增加得如此顯著呢?SRAM單元可能要求比內(nèi)部邏輯門(mén)稍微高一點(diǎn)的電壓，以確?？煽康娜俟ぷ?，同時(shí)還需較低的電壓用于待機(jī)模式。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)防止不同的I/O單元共享相同的電源軌，從而增加所需的電源軌數(shù)量，因?yàn)樗鼈兛赡軐⒉煌腎/O單元和物理收發(fā)接口鎖定到具有不同電源噪聲極限和電壓值的不同電源。舉例來(lái)說(shuō)，以太網(wǎng)工作時(shí)的I/O電壓可能不同于I2C總線。一種是板上總線，另一種是外部總線，但兩者都可以用FPGA實(shí)現(xiàn)。減少抖動(dòng)或提高敏感電路(如低噪聲放大器、鎖相環(huán)、收發(fā)器和精密模擬電路)的噪聲余量，也可能增加對(duì)更多電源軌的需求，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法與較高噪聲元件共享相同的電源軌，即使它們工作在相同的電壓。

除了要求日益增多的電源軌外，當(dāng)前FPGA的工作電壓也要比以前的FPGA低，因?yàn)檫@有助于降低功耗，提高集成度，但也增加了復(fù)雜性，因?yàn)殡娫幢仨毮軌虮３衷絹?lái)越嚴(yán)格的電壓容差要求(見(jiàn)圖1)。舉個(gè)例子，自從用130nm工藝生產(chǎn)FPGA以來(lái)，基于28nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的FPGA的內(nèi)核電壓紋波容差的公開(kāi)幅度已經(jīng)降低了一半還多。誤差預(yù)算百分比已經(jīng)從5%下降到3%，并正在向2%邁進(jìn)。保持電壓容差要求與理解并滿足FPGA電流要求有關(guān)。

圖1：經(jīng)過(guò)4代工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)的發(fā)展，平均電壓紋波容差下降了一半還多，對(duì)電源設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)這就是增加復(fù)雜性的原因。

FPGA電流特征趨勢(shì)正在推動(dòng)復(fù)雜性的提高，因?yàn)镕PGA中更高的密度和包含的外設(shè)/功能/IP模塊的數(shù)量正在呈摩爾定律增長(zhǎng)——每?jī)纱に嚬?jié)點(diǎn)相比，相同面積的硅片所容納的模塊數(shù)量基本要翻倍。雖然提供給FPGA的電壓是固定的，但每個(gè)電壓的工作電流不是固定的，會(huì)根據(jù)FPGA邏輯的實(shí)現(xiàn)方法變化而發(fā)生波動(dòng)。

當(dāng)內(nèi)部邏輯門(mén)塊或I/O單元在高利用率和低利用率之間轉(zhuǎn)換時(shí)，電流波動(dòng)異常劇烈。隨著FPGA切換到更高的處理速率，消耗電流將增加，電壓將趨于下降。一個(gè)好的電源設(shè)計(jì)要防止壓降超過(guò)電壓瞬時(shí)門(mén)限。同樣，當(dāng)FPGA切換到較低處理速率時(shí)，電流消耗將下降，電壓將趨于提高，電源設(shè)計(jì)應(yīng)防止其超過(guò)相應(yīng)的門(mén)限?？傊?，可能會(huì)實(shí)質(zhì)影響電源設(shè)計(jì)的大量不確定性源自FPGA設(shè)計(jì)師如何在FPGA上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。

這類(lèi)不確定性特別影響FPGA系統(tǒng)，部分原因是因?yàn)槭褂肍PGA的關(guān)鍵特性之一是，設(shè)計(jì)師可以創(chuàng)建任何大小的處理資源和任意數(shù)量的冗余處理資源，以便與軟件可編程處理器相比能用較短的時(shí)間和/或較低的功耗解決他們的問(wèn)題。因此，雖然軟件可編程處理器擁有可以同時(shí)操作的有限處理資源，但FPGA提供了創(chuàng)建專(zhuān)門(mén)的、最優(yōu)的和定制的處理資源的機(jī)會(huì)，不過(guò)要求定制的電源設(shè)計(jì)。