FPGA 電源的“護(hù)理和喂養(yǎng)”

可能有些讀者會(huì)質(zhì)疑本文的標(biāo)題，乍一看，說(shuō)“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(jiàn)的答案很簡(jiǎn)單：英語(yǔ)是一個(gè)有趣的語(yǔ)言。雖然人們對(duì)于“care and feeding”這一說(shuō)法何時(shí)開(kāi)始流行莫衷一是，但人們都知道，這個(gè)說(shuō)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(shuō)法可謂一針見(jiàn)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”！

現(xiàn)代FPGA是有史以來(lái)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。

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(wèn)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(wèn)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(guò) SmartVID2 接口（詳見(jiàn)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(guò)大無(wú)助于提高性能。實(shí)際上，功耗過(guò)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(guò)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(wèn)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(wèn)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(méi)有達(dá)到可以忽略不計(jì)的程度，因此FPGA即使在無(wú)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(wèn)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(lái)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(guò)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(guò) 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。總線協(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(guò)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(wú)法預(yù)先 確定它將在哪個(gè)特定電壓下超過(guò)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(lái)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(kāi)發(fā)階段在功耗與性能之間進(jìn)行權(quán)衡。