如何使用Power Design Manager(PDM)進(jìn)行功耗評(píng)估？

一、前言

在基于FPGA和 SoC器件的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，從器件選擇到系統(tǒng)級(jí)電源設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)，電源功率估算對(duì)于設(shè)計(jì)方案確定至關(guān)重要；早期進(jìn)行極端情況下的功耗分析，可以幫助用戶產(chǎn)品避免進(jìn)入系統(tǒng)電源、散熱設(shè)計(jì)過度或設(shè)計(jì)不足的陷阱。從Xilinx Power Estimator (XPE)工具問世以來，一直都是領(lǐng)先的FPGA 電源估算工具；但是隨著 FPGA、MPSoC 以及Versal ACAP 器件的邏輯容量、復(fù)雜性不斷增加，XPE工具面臨如下一些挑戰(zhàn)：

A. 只支持Windows操作系統(tǒng)；

B. XPE工具使用Microsoft Excel和宏來計(jì)算功率，Microsoft安全更新可能導(dǎo)致宏或ActiveX控件在Excel中停止工作；

C. FPGA器件的邏輯容量、復(fù)雜性增加，功耗估算需要復(fù)雜的決策和計(jì)算，Excel中宏的運(yùn)行速度慢；

為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，需要對(duì)電源估算工具功能進(jìn)行升級(jí)，支持大型復(fù)雜器件架構(gòu)，提高功耗估算的運(yùn)行速度，支持更多操作系統(tǒng)。

二、PDM工具介紹

Power Design Manager (PDM) 是 AMD 的全新一代電源估算平臺(tái)，旨在為 Versal? 和 Kria? SOM 產(chǎn)品帶來精確、一致的電源估算性能。PDM有如下特性:

A. 為 Versal 器件帶來了更高的速度和穩(wěn)定性；

B. 支持 Versal AI Core 系列、Prime 系列、Premium 系列、AI Edge 系列和 HBM 系列；

C. 支持 Kria K26 SOM 和Kria KV260 入門套件；

D. 面向硬件特定電氣和熱約束的全新 Export XDC 向?qū)В糜?Vivado? ML 版本電源設(shè)計(jì)和熱預(yù)算管理；

E. 支持 Windows 及 Linux 操作系統(tǒng)；

F. 支持XPE遷移到PDM；

PDM的首次公開發(fā)布是在2022.2年，在2023.1版本中，PDM可以使用統(tǒng)一安裝程序進(jìn)行單獨(dú)安裝，不需要安裝完整的Vivado工具，PDM是一個(gè)獨(dú)立的工具，不依賴Vivado。

PDM最新版本是2023.1.2，有單獨(dú)的安裝軟件包，可以獨(dú)立下載安裝，不需要license。

XPE將繼續(xù)支持 Versal 產(chǎn)品系列之前的所有產(chǎn)品系列，新的器件將僅在PDM中得到支持，例如，Versal HBM、Versal Edge。

三、PDM設(shè)計(jì)步驟

PDM支持兩種設(shè)計(jì)流程：手工流程和導(dǎo)入流程。手工流程要求工程師手動(dòng)輸入各種參數(shù)，如時(shí)鐘頻率、翻轉(zhuǎn)率、各類資源使用量以及使用模式等。導(dǎo)入模式可直接導(dǎo)入.xpe文件用于功耗評(píng)估,與XPE工具導(dǎo)入.xpe文件操作類似；.xpe文件可以是XPE工具導(dǎo)出文件，也可以是Vivado IDE生成的.xpe文件。

手工流程設(shè)計(jì)方法如下：

1. 建立工程

2. 器件選擇

選擇器件型號(hào)與實(shí)際使用器件一致；VCCINT電壓越高，功耗越高；Static Power為 Low的器件，靜態(tài)功耗低；如果按照最嚴(yán)苛情況功率估算，Process設(shè)置為Maximum。

導(dǎo)入流程設(shè)計(jì)方法如下：

使用現(xiàn)有的.xpe文件，或者從Vivado中導(dǎo)出.xpe文件，下圖是Vivado中導(dǎo)出.xpe文件的操作示意圖。

點(diǎn)擊下圖位置中的import.xpe按鈕，選擇.xpe文件目錄進(jìn)行導(dǎo)入。

導(dǎo)入成功后，進(jìn)入下面界面。

四、功耗評(píng)估實(shí)例

工作環(huán)境參數(shù)設(shè)置

工作環(huán)境參數(shù)設(shè)置非常重要，動(dòng)態(tài)功率隨結(jié)溫呈指數(shù)增長。在工作環(huán)境信息框中，設(shè)置產(chǎn)品的工作環(huán)境溫度、目標(biāo)結(jié)溫或者effective Theta JA參數(shù)，通過熱模擬或?qū)嶋H系統(tǒng)測(cè)量可以獲取有效的effective Theta JA參數(shù)。PDM會(huì)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)計(jì)算出結(jié)溫和功耗，計(jì)算的結(jié)溫超過器件溫度等級(jí)限制或者計(jì)算的功耗超過設(shè)置的功耗值，PDM會(huì)發(fā)出警報(bào)。

時(shí)鐘設(shè)置

選中界面中左側(cè)clock選項(xiàng)，再選中界面中右側(cè)上方 creat clock 按鈕，使用clock config wizard進(jìn)行添加clk 設(shè)置操作，設(shè)置完成后，點(diǎn)擊ok，生成clk_test、clk_out29兩個(gè)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。

選中界面中右側(cè)上方Edit clock 按鈕，使用edit clock wizard，可以對(duì)已經(jīng)生成的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編輯，可以從這里刪除不需要的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。完成時(shí)鐘配置后，可以觀察到相關(guān)的電源的功耗。

PS系統(tǒng)功耗計(jì)算

PS系統(tǒng)的功率估算分為LPD、FPD、PMC 3個(gè)區(qū)域，分別點(diǎn)擊PMC、LPD、FPD、MIO Config按鈕，設(shè)置參數(shù)，MIO 部分的功耗計(jì)入LPD區(qū)域。完成PS系統(tǒng)配置后，可以觀察到相關(guān)的電源的功耗。

PMC區(qū)域：

LPD 區(qū)域：

FPD區(qū)域：

MIO Config：

AI Engine功耗計(jì)算

AI Engine（AIE）在Versal ai Core系列和一些Versal ai Edge、Versal Premium 器件中使用。計(jì)算功耗時(shí)，需要提供Al Engine陣列的時(shí)鐘頻率、 AIE數(shù)量、數(shù)據(jù)類型、Vector Load信息。可以使用import流程，導(dǎo)入Vitis軟件平臺(tái)生成的.xpe文件，為Al Engine功耗估計(jì)提供準(zhǔn)確的信息。

.xpe文件導(dǎo)入后，將生成所有配置，與手動(dòng)輸入模式相比，可以更準(zhǔn)確地估計(jì)功率。AIE的時(shí)鐘在-3速度等級(jí)的器件中，最高可以支持1300MHZ，設(shè)置值超出所選器件AIE支持的時(shí)鐘速率，PDM會(huì)報(bào)警提示， AIE功耗計(jì)算界面還提供PL和NoC接口的數(shù)量及其對(duì)應(yīng)的功耗信息。完成AIE配置后，可以觀察到相關(guān)的電源的功耗。

AI Engine-ML 功耗計(jì)算

AI Engine-ML (AIE-ML) 在Versal ai Edge系列和一些Versal ai Core器件中使用，AIE-ML基于AlE進(jìn)行優(yōu)化，支持BFloat 數(shù)據(jù)類型，功耗估算設(shè)置與AIE類似。

NOC/DDRMC /HBMMC功耗計(jì)算

Network-On-Chip(NOC)是versal器件中的連接硬塊，它用更窄的高速網(wǎng)絡(luò)提供PMC、DDRMC、HBM、CPM、PL、Al Engine和PS之間的連接，并為其接口的模塊提供配置功能。支持直接手動(dòng)輸入和.xpe文件導(dǎo)入兩種方式配置，手動(dòng)輸入點(diǎn)擊界面下方的Noc按鈕，在界面信息中直接輸入配置信息，.xpe文件導(dǎo)入時(shí)，選擇界面上方的import Noc.xpe按鈕，.xpe文件由Vivado軟件生成。

通過DDRMC wizard進(jìn)行DDRMC設(shè)置，點(diǎn)擊界面上方的Create DDRMC 按鈕進(jìn)入配置界面，在DDRMC wizard中完成參數(shù)設(shè)置后，參數(shù)會(huì)保存到DDRMC的信息欄中。

High Bandwidth Memory (HBM)在Versal HBM系列器件中使用，點(diǎn)擊界面上方的HBMMC Wizard 按鈕進(jìn)入配置界面，在HBMMC Wizard中完成參數(shù)設(shè)置后，參數(shù)會(huì)保存到HBMMC的信息欄中。

完成NOC/DDRMC /HBMMC配置后，可以觀察到各自相關(guān)的電源的功耗。

參照上述方法，進(jìn)入Logic、Block RAM 、UltraRAM 、DSP 、I/O、GTY、GTYP、GTM、Hard IP Blocks各個(gè)界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完成后，PDM會(huì)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的功耗。

五、結(jié)語

PDM是下一代功率估算工具，比上一代XPE功率估算工具更快，更準(zhǔn)確，PDM有一個(gè)更穩(wěn)定、更易于使用的界面。本文簡單介紹使用PDM進(jìn)行Versal 器件功耗評(píng)估的流程和方法，PDM工具詳細(xì)的使用方法，參照UG1556。

審核編輯：劉清