FPGA Total Power Components 소개

개요

외부 전원 공급 장치는 FPGA 또는 CPLD에 내부 및 외부 모두에서 적절한 작동에 필요한 전기 에너지를 제공합니다. 전원 공급 장치 솔루션을 구현할 때 설계자는 이러한 공급 장치에서 필요한 총 전력('레일 전력'이라고도 함)을 이해해야 합니다. 또한 설계자는 외부 출력 정전 용량 부하 및 균형 저항기 종단 네트워크와 같이 장치 외부에서 소비되는 총 전력 부분과 비교하여 장치 내에서 실제로 소비되는 전력의 양('열 전력' 또는 '손실 전력'이라고 함)을 고려해야 합니다.

장치, 출력 부하 및 외부 종단 네트워크(있는 경우)가 소비하는 총 전력은 일반적으로 다음과 같은 주요 전력 구성 요소로 구성됩니다.

• 대기
• 동적
• I/O

대기 전력은 대기 모드에서 장치의_{I CCINT} 전류에서 비롯됩니다. 코어 동적 전력은 장치 내의 내부 스위칭(내부 노드의 충전 및 방전 정전 용량)에서 공급됩니다. I/O 전원은 외부 스위칭(장치 핀에 연결된 외부 부하 정전 용량 충전 및 방전), I/O 드라이버 및 외부 종단 네트워크(있는 경우)에서 공급됩니다.

화력은 장치 패키지 내에서 실제로 소산되는 총 전력의 구성 요소이며 나머지는 외부로 소산됩니다. 장치 내에서 손실되는 실제 열 전력은 설계자가 장치의 고유 열 전달 기능(열 저항이라고 함)이 내부 다이 접합 온도를 정상 작동 사양 내로 유지하기에 충분한지 또는 더 나은 열 전달 성능을 위해 알루미늄 방열판과 같은 추가 열 솔루션이 필요한지 여부를 결정할 때 고려해야 하는 사항입니다. 일반적으로 대기 전력, 동적 전력 및 I/O 전력의 일부가 전체 전력의 실제 화력 구성 요소를 구성합니다.

대기 전력

이 장치는 누설 전류로 인해 대기 중에 전력을 소비합니다. 양은 다이 크기, 온도 및 공정 변화에 따라 다릅니다. 대기 전력은 전체 장치 특성화 전에 시뮬레이션할 수 있으며 일반 전력과 최대 전력의 두 가지 범주로 정의할 수 있습니다.

Stratix® II 장치는 전력 및 성능에 최적화된 90nm 프로세스 기술을 사용합니다. 이전 공정 기술 장치에 비해 90nm 장치는 누설로 인해 더 많은 전력을 소비하여 전체 전력의 중요한 구성 요소가 됩니다. 대기 전력은 이전 공정 기술보다 90nm 공정 노드에서 다이 접합 온도에 크게 의존합니다. 설계자는 접합 온도를 최소로 유지하여 총 전력의 대기 부품을 낮추는 데 집중해야 합니다. 그림 1은 대기 전력과 접합 온도 간의 관계를 보여줍니다.

Stratix II 장치는 가능한 경우 낮은 누설 트랜지스터 기술을 사용하여 대기 전류의 전력을 줄이므로 90nm에서 전체 전력 소비를 최소화합니다( 90nm 실리콘 전력 최적화에서 자세히 읽기).

동적 전력

로직 어레이 및 상호 연결 네트워크에서 내부 커패시턴스를 충전 및 방전하는 데 전력이 필요하기 때문에(예: 로직 0에서 로직 1로) 로직 레벨을 변경하는 내부 노드는 장치 내부의 동적 전력을 소비합니다. 코어 동적 전력에는 라우팅 전력과 로직 엘리먼트(LE) 전력(또는 Stratix II의 경우 적응형 논리 모듈(ALM))이 모두 포함됩니다. LE/ALM 전력은 충전 및 방전 내부 노드 커패시턴스와 내부 저항 요소에서 소비됩니다. 라우팅 전력은 각 LE/ALM에 의해 구동되는 외부 라우팅 커패시턴스를 충전 및 방전하는 데 필요한 전류에서 가져옵니다. 코어 동적 전력에는 다음과 같은 아키텍처 리소스도 포함될 수 있습니다.

• RAM 블록(M512, M4K 및 M-RAM)
• DSP-멀티플라이어 블록
• 위상 고정 루프(PLL)
• 클럭 트리 네트워크
• 고속 차동 인터페이스(HSDI) 트랜시버

총 동적 전력은 VCCINT(Stratix II의 경우 1.2V)에 위에 나열된 각 아키텍처 기능의 총 전류 합계를 곱하여 계산됩니다.

동적 전력 = V CCINT × Σ I_CCINT(LE/ALM, RAM, DSP, PLL, 클럭, HSDI, 라우팅)

등가(집중) 정전 용량 값은 동적 전력을 계산하는 데 사용되며 여러 정전 용량의 합계를 기반으로 합니다. 예를 들어, 핀, 트레이스 및 패키지 커패시턴스는 입력 또는 출력을 구동하는 신호에 대해 합산됩니다. 이 근사치는 내부 스위칭 주파수가 정확하게 결정되는 경우 충분합니다. 인텔은 근사 곡선(특성화 데이터 기반)을 활용하여 내부 스위칭 주파수를 결정하고 대부분의 설계 토폴로지에서 동적 전력을 효과적으로 예측합니다. 모든 장치 리소스가 소비하는 총 전력을 추정할 때는 리소스의 최대 스위칭 주파수, 추정된 토글 팩터, 다운스트림 로직에 대한 팬아웃 및 장치 특성화를 통해 얻은 각 리소스에 대한 계수를 고려합니다. 이러한 구성 요소는 전력 예측 및 분석을 위한 인텔 PowerPlay 전력 분석 및 최적화 도구 제품군의 모든 측면에서 구현됩니다.

I/O 전원

I/O 전력은 장치 출력 핀에 연결된 외부 부하 커패시터, 저항 모드에서 작동하는 출력 드라이버 회로 및 외부 종단 네트워크(있는 경우)의 충전 및 방전으로 인해 소비되는 V_CCIO 전력입니다. 장치 I/O 전력은 다음과 같이 계산됩니다.

I/O 전력 = (활성 출력 드라이버 수 × 전력 손실 계수) + 0.5×(다이 패드, 패키지 트레이스, 핀 및 출력 부하 캡의 합) × I/O 표준 전압 스윙 × f_MAX ×(토글 팩터/100) × V_CCIO

활성 출력 드라이버의 수에는 활성 양방향 출력이 포함됩니다. 위에서 계산된 I/O 전력 외에, V_CCIO에 의해 구동되는 I/O 버퍼의 요소를 포함하여 I/O 전력에 기여하는 다른 구성 요소가 있습니다. 그림 2는 I/O 버퍼의 모델을 보여줍니다.

앞서 언급했듯이 V_CCIO 전력의 일부는 종단 저항 네트워크 및/또는 출력 용량성 부하를 통해 외부적으로 소산되는 것과 비교하여 실제로 FPGA 또는 CPLD 내에서 소산됩니다. 설계자는 열 관리 솔루션을 계획할 때 V_CCIO 의 내부 소산 전력을 고려해야 합니다(장치에 고유하거나 외부 방열판을 통해). 설계자는 V_CCIO 전압 조정기 또는 컨버터(레일 전력이라고 함)에서 전력을 공급하기 위한 총 요구 사항의 일부로 외부 손실 부품을 고려해야 합니다. 인텔의 전력 분석 기술은 Stratix II 장치부터 열 전력 대 총/레일 전력을 보고합니다. 향후 장치에는 이 전력 분석 기술 보고 기능도 포함될 것입니다.

기타 전원 고려 사항

FPGAs 및 CPLD로 설계할 때 설계자가 총 전력과 관련하여 고려해야 하는 몇 가지 다른 요소인 돌입 전류, 구성 전력 및 V_CCPD (Stratix II 장치만 해당)가 있습니다.

돌입 전류

돌입 전류는 초기 전원 공급 단계에서 장치에 필요한 것입니다. 파워 업 단계 동안, 최소 레벨의 로직 어레이 전류(I_CCINT)가 특정 시간 동안 장치에 제공되어야 한다. 이 지속 시간은 전원 공급 장치에서 사용할 수 있는 전류의 양에 따라 다릅니다. 더 많은 전류를 사용할 수 있는 경우 V_CCINT 가 더 빨리 증가할 수 있습니다. 전압이 공칭 값의 90%까지 도달하면 일반적으로 초기 고전류가 더 이상 필요하지 않습니다. 최대 돌입 전류는 장치의 온도에 반비례합니다. 장치 온도가 증가함에 따라 전원을 켤 때 필요한 돌입 전류가 감소합니다(온도 함수에 따라 대기 전류는 증가하지만).

구성 전원

기존 FPGA의 경우 구성 전력은 장치를 구성하는 데 필요한 전력입니다. 구성 및 초기화 중에 레지스터를 재설정하고, I/O 핀을 활성화하고, 작동 모드로 들어가려면 장치에 전원이 필요합니다. I/O 핀은 전원을 줄이기 전과 구성 중에 전원 공급 단계에서 세 번 명시되어 전력을 줄이고 이 시간 동안 구동되는 것을 방지합니다. Stratix II 장치의 구성 체계 및 전압에 대한 해당 구성 핀 V_CCPD에 대한 자세한 내용은 Stratix II 장치 핸드북 볼륨 2의 구성 Stratix II 장치(PDF) 장을 참조하십시오.

V_CCPD

V_CCPD는 출력 프리드라이버 회로망과 구성 및 JTAG(Joint Test Action Group) I/O 버퍼를 위한 별도의 소형 부하 전류 전원 공급 장치입니다. 구성 입력 및 JTAG 핀을 구동하는 3.3V/2.5V 버퍼에 전력을 공급하려면 V_CCPD를 3.3V에 연결해야 합니다. V_CCPD 사양은 Stratix II 장치 핸드북의 DC 및 스위칭 특성(PDF) 장을 참조하십시오.

관련 링크

• FPGA 전력 솔루션 리소스
• PowerPlay 전력 분석기 지원 리소스
• 배전 네트워크
• 조기 전력 예측기(EPE) 및 전력 분석기
• 전원 공급 장치 무결성
• 열 관리