【FPGA電源技術(shù)專輯】度身定制電源管理,讓FPGA系統(tǒng)快馬加鞭

 FPGA跟隨工藝提升的步伐從不曾歇停，融合創(chuàng)新的速度也不斷加快，顯現(xiàn)出愈加明顯的競爭優(yōu)勢，也迎來了廣泛的市場空間。隨著FPGA不斷成為系統(tǒng)核心，其不但成為系統(tǒng)性能的主推手，也成為電源設(shè)計的主要推動力量。如今的設(shè)計者們都期望能夠開發(fā)低功耗設(shè)計，而大部分FPGA功耗都與FPGA設(shè)計人員的實現(xiàn)選擇有關(guān)，這會影響系統(tǒng)的開關(guān)頻率、輸出負(fù)載、供電電壓、互聯(lián)數(shù)量以及邏輯和互聯(lián)模塊的結(jié)構(gòu)，這些選擇反過來也會影響電源設(shè)計人員的選擇以及系統(tǒng)設(shè)計的綜合考慮，影響最終系統(tǒng)的功耗和性能。因而，在設(shè)計時就考慮滿足基于FPGA的設(shè)計對電源的要求和約束，對于系統(tǒng)的整體性能提升日趨重要。相應(yīng)的，電源管理已日益成為FPGA戰(zhàn)略性的競爭優(yōu)勢。

FPGA 需量身定制電源IC

然而，為功能越來越多、性能越來越高、工藝越來越先進(jìn)的FPGA提供優(yōu)化的電源IC殊非易事，畢竟如今的FPGA對電源IC的要求已然“今非昔比”。

Altera公司電源業(yè)務(wù)部市場總監(jiān)Mark Davidson就此表示，F(xiàn)PGA和SoC集成度更高，系統(tǒng)級性能已前所未有，相應(yīng)地也需更高性能的電源與之匹配，這需要電源IC滿足嚴(yán)格的FPGA電源軌要求、滿足系統(tǒng)功耗和散熱預(yù)算限制，同時又能構(gòu)建魯棒而又可靠的系統(tǒng)、符合預(yù)算要求按時完成其項目。

而與此相對應(yīng)的是FPGA更高復(fù)雜性和更多不確定性的影響。“影響電源設(shè)計的兩個關(guān)鍵FPGA規(guī)范是電壓和電流要求。”Altera技術(shù)專家 Robert Cravotta表示，“因所需要的電源軌越來越多，F(xiàn)PGA電壓要求越來越復(fù)雜。以前，內(nèi)核和I/O單元需要兩個電源軌，還有可能采用第三個用于其他功能，而現(xiàn)在的高端FPGA會需要數(shù)十個外部驅(qū)動的電源軌。除了需要越來越多的電源軌之外，當(dāng)今的FPGA工作電壓要低于以前的產(chǎn)品代，這對于降低功耗和提高集成度很重要，但是由于電源必須維持要求越來越嚴(yán)格的電壓容限，因此這也提高了復(fù)雜度。并且，隨著FPGA的密度越來越高，外設(shè)/功能/IP模塊的數(shù)量越來越多。雖然FPGA的供電電壓是恒定的，但是，這些電壓的工作電流卻不是，隨FPGA邏輯的實現(xiàn)方式而波動。因而，在FPGA上實現(xiàn)系統(tǒng)帶來了很多不確定性，會在很大程度上影響電源設(shè)計。”

Robert Cravotta進(jìn)一步補(bǔ)充道，這類不確定性會特別影響FPGA系統(tǒng)，部分原因在于使用FPGA的一個關(guān)鍵特性是設(shè)計人員能夠建立任意的處理資源，與軟件編程處理器相比能以更少的時間、更低的功耗來解決問題。因此，雖然軟件編程處理器有很多能夠同時工作的處理資源，而FPGA提供了機(jī)會來建立特殊的、優(yōu)化的定制處理資源，所以需要定制電源IC。

看來定制電源IC已勢在必行。然而要注意的是，除了要量身定制電源IC之外，更先進(jìn)的開發(fā)方法也是不可或缺的。Robert Cravotta提到，在開發(fā)過程中，盡管可以使用各種開發(fā)工具，但最好能夠在設(shè)計早期階段，考慮電源系統(tǒng)的最差情況，而不是最佳情況，因在硬件設(shè)計完成之后、測量功耗之前，動態(tài)負(fù)載需求還有很大的不確定性，會在靜態(tài)低電流狀態(tài)和全速工作狀態(tài)之間波動。實踐證明，采用并行工程(CE)為使用FPGA器件的開發(fā)團(tuán)隊提供了一種方法，可更方便快速地找到并提取出處理性能、材料表(BOM)成本和能效的最佳平衡點。

圖1：FPGA供電解決方案的未來發(fā)展趨勢

Enpirion電源全面提升系統(tǒng)功效

量身定制說起來容易做起來難。Altera的Enpirion電源產(chǎn)品中國區(qū)高級業(yè)務(wù)經(jīng)理張偉超提到，一般大型電源公司的電源IC會有很多不同的應(yīng)用領(lǐng)域，他們不會也不可能把全部的精力投入到FPGA領(lǐng)域。而且，只有了解FPGA，才能設(shè)計更好的電源IC，為系統(tǒng)性能提升服務(wù)。

在這種情形下，是自救還是它救?Altera的選擇可謂“對癥下藥”，即通過收購電源企業(yè)來量身定制電源IC，在去年5月份即收購了Enpirion電源公司。Mark Davidson表示：“收購Enpirion，比與電源企業(yè)合作會帶來更多的好處，因為我們在成為一個公司后，圍繞著‘讓FPGA系統(tǒng)變得更好’的核心，可全面整合電源、FPGA系統(tǒng)工程以及電路板布局、信號完整性技術(shù)，共同開發(fā)出一個更好的解決方案，不斷優(yōu)化電源IC在FPGA方面的應(yīng)用。”

而收購之后的成效也是立竿見影，Altera已開發(fā)了一系列使用方便、高效、全面的電源解決方案，適合Altera全系列FPGA——從低功耗、低成本MAX系列直至全功能、大功率Stratix系列。去年年底，Altera展示了最新的FPGA、SoC及Enpirion電源解決方案，包括PowerSoC DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器、PWM DC-DC控制器和電源系統(tǒng)、DC-DC開關(guān)調(diào)節(jié)器、線性調(diào)節(jié)器、DDR存儲器匹配(VTT)、保護(hù)和管理等6種產(chǎn)品。

Enpirion電源解決方案可說是“身懷絕技”。張偉超介紹說，Enpirion電源解決方案系列在高頻集成電路設(shè)計、磁體工程、電源封裝和結(jié)構(gòu)以及DC-DC系統(tǒng)工程4個關(guān)鍵領(lǐng)域關(guān)注創(chuàng)新，為系統(tǒng)帶來顯著優(yōu)勢：一是實現(xiàn)了低噪聲性能、低波紋和快速瞬變響應(yīng)，提升了FPGA性能;二是通過高效的拓?fù)浜蛿?shù)字控制接口降低了系統(tǒng)功耗;三是采用先進(jìn)的硅片、磁體和封裝設(shè)計提高了功率密度，實現(xiàn)了最小的外形封裝，節(jié)省了20%-50%的PCB空間。四是提高了系統(tǒng)可靠性，包括大于45,000年的MTBF和高度的集成。五是可加快上市，通過提供經(jīng)過全面驗證的布板和設(shè)計文件，縮短了數(shù)星期的設(shè)計時間，節(jié)省了數(shù)千美元的開發(fā)成本。

圖2：EM1130與Altera的Arria10 FPGA配合，為系統(tǒng)帶來顯著的尺寸與性能優(yōu)化。

在不久的將來Altera在其Enpirion電源解決方案中新增的一款30amp PowerSoC DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器EM1130更是“身手不凡”。這款被Altera全球業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Patrick Wadden視作“里程碑”式的產(chǎn)品，是集成數(shù)字DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器系列的第一款產(chǎn)品，可為Altera的第10代FPGA提供電源管理功能，特別是Arria 10和Stratix 10 FPGA內(nèi)核以及收發(fā)器電源軌。Patrick Wadden介紹說，EM1130實現(xiàn)了“五宗最”：即最小的引腳布局，面積不到其他可選解決方案的一半;同類效率最高，比其他可選解決方案高出3-6%，遠(yuǎn)程測量精度提高了30~50%;領(lǐng)先的電源性能，超越了下一代嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵電源規(guī)范，如波紋、瞬變和精度等;集成PowerSoC和數(shù)字可編程能力以及可配置能力，解決方案靈活且便利;支持智能系統(tǒng)管理，實現(xiàn)全面的系統(tǒng)監(jiān)控。

這些讓人“眼前一亮”的特性，充分表明在收購Enpirion之后，Altera帶來的新型電源管理IC的高功效，真正實現(xiàn)了針對FPGA的需求優(yōu)化電源管理，充分發(fā)揮FPGA系統(tǒng)性能。Mark Davidson表示，采用Enpirion電源解決方案，客戶可在盡可能最小的電路板上完成設(shè)計，同時還能最大程度地提高性能和降低功耗，加快產(chǎn)品上市、削減材料成本以及增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

電源IC重塑市場新價值

圍繞著“讓FPGA系統(tǒng)變得更好”的核心，Altera實現(xiàn)了更易設(shè)計、更高性能、更低功耗的電源IC方案，理所當(dāng)然在市場上受到了追棒。

目前采用Altera電源產(chǎn)品的客戶在不斷增多，Altera也在積極拓展中國市場，在過去一年中已與數(shù)十家新的中國客戶進(jìn)行了一些業(yè)務(wù)商談。特別值得一提的是，以華為，中興和烽火為代表的國內(nèi)領(lǐng)先通信企業(yè)已經(jīng)選擇了Altera的電源IC。

作為全球通信市場的領(lǐng)導(dǎo)者，客戶需要開發(fā)新一代的RRU來保持它在無線市場的競爭力，但是在他們用定制化的ASIC實現(xiàn)4.5G 系統(tǒng)的優(yōu)化特性之前，必須盡快解決諸多挑戰(zhàn)。“Altera的解決方案可幫助他們從根本上解決這些挑戰(zhàn)。除了對系統(tǒng)功耗的優(yōu)化之外，電源SoC也能幫助發(fā)現(xiàn)和定位以減少他們的板子尺寸，以提升在輕負(fù)載和重負(fù)載下的效率，最重要的是可滿足他們世界級的可靠性要求。” Mark Davidson指出，“他們之所以選擇我們，其背后最重要的原因之一就是，我們的模塊是行業(yè)內(nèi)已經(jīng)量產(chǎn)很長時間，大規(guī)模生產(chǎn)的先進(jìn)的性能和穩(wěn)固的可靠性都已經(jīng)過驗證，并被市場上眾多知名品牌客戶所認(rèn)可。”

Altera的電源IC除在通信、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)、新能源等領(lǐng)域“開花結(jié)果”外，Altera也在全力開拓一些新興應(yīng)用市場。張偉超提到，Altera已與很多無人機(jī)、工業(yè)打印機(jī)、印鈔機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)先公司在洽談合作，其中很多公司都是隱型的行業(yè)冠軍，產(chǎn)品銷至全球。他們對Enpirion有興趣的原因就在于希望擁有一個好用、易用、性能突出的電源產(chǎn)品，并借助Altera的整體技術(shù)實力幫助他們更快地推出更有競爭力的產(chǎn)品。

值得關(guān)注的是，Enpirion電源IC雖為FPGA而“熠熠生輝”，但也能為其它主芯片IC而“灼灼其華”。張偉超特地提到，除了為FPGA系統(tǒng)提供整體POL電源解決方案之外，我們也在系統(tǒng)板上的其它主芯片提供電源，如DDR存儲器、微處理器，Serdes以及許多其他數(shù)字或者模擬芯片供電等。我們已經(jīng)有很多成功的參考設(shè)計，目前也在和更多的公司接觸，有一些合作廠家非常認(rèn)同Enpirion方案帶給他們的價值，因為可以幫助他們更好的解決目前遇到的種種電源設(shè)計難題，可以使他們的參考設(shè)計方案更加的簡潔高效并能更快地贏得市場份額。

Altera攜FPGA和Enpirion電源IC并進(jìn)也將一起重塑更高的市場新價值。對于未來，Altera的電源解決方案有著非常清晰的目標(biāo)和更長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略規(guī)劃。張偉超表示，未來Altera主要關(guān)注三個關(guān)鍵電源產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域：加強(qiáng)傳統(tǒng)領(lǐng)先低輸入電壓軌小尺寸解決方案、拓寬寬輸入(12V總線)電壓軌解決方案以及重點研發(fā)高電流輸出數(shù)字電源解決方案，并將不斷加強(qiáng)在電源方面的技術(shù)創(chuàng)新，包括更高的集成度(集成電感以及LDMOS)、更快更好地簡化FPGA系統(tǒng)并進(jìn)一步解決系統(tǒng)功耗難題等，包括考慮將電源模塊進(jìn)一步集成進(jìn)FPGA內(nèi)。在這條智能化集成的道路上，相信Altera會走得更加穩(wěn)健和自信。