Вычужанин В. Минимизация энергопотребления проектируемых устройств на ПЛИС типа FPGA

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Минимизация энергопотребления

проектируемых устройств на ПЛИС типа FPGA

Владимир Вычужанин (Одесса, Украина)

мощностью, потребляемой дискрет

В статье рассматриваются проблемы оценки и минимизации

ным устройством вследствие пере

энергопотребления проектируемых устройств на ПЛИС типа FPGA

ключения вентилей схемы, а также

с помощью анализатора мощности энергопотребления

заряда и разряда нагрузок емкостно

в САПР Quartus II PowerPlay.

го характера. Основные переменные,

влияющие на динамическую потреб

ляемую мощность, представлены в

По мере уменьшения геометри

Таким образом, статическая мощ

формуле:

ческих размеров элементов ИС су

ность, потребляемая устройством,

щественно меняется структура их

определяется, прежде всего, токами

энергопотребления. В прошлом до

утечки в состоянии покоя. Сумма то

минирующей составляющей было

ков утечки пропорциональна разме

динамическое энергопотребление.

ру кристалла и температуре перехода.

При переходе к новым технологичес

Кроме того, на статическую потребля

ким процессам с меньшими тополо

емую мощность оказывают влияние

где C - ёмкость заряда; V - разность

гическими нормами уменьшается на

разброс параметров транзисторов в

уровней напряжения питания; f -

пряжение питания, а значит, и по

процессе их изготовления и отклоне

тактовая частота. Q - энергия корот

требляемая динамическая мощность.

ния напряжения питания. Модель ста

кого замыкания при переключении

Однако при этом возрастают токи

тической потребляемой мощности мо

цепи; activity

- процентная часть

утечки и увеличивается статическая

жет быть представлена следующим об

цепей устройства, переключаемых в

потребляемая мощность. Для высо

разом:

цикле.

ких рабочих температур токи утеч

Качество оценки энергопотребле

ки могут увеличиваться на порядок

ния проектируемого устройства на

и более.

ПЛИС зависит от точности определе

Известно, что в статическом режи

где Т - температура перехода; А, В и С -

ния значений передаваемых сигна

ме микросхемы КМОП практичес

константы.

лов и модели энергопотребления. Для

ки не потребляют тока. В отсутствие

Как правило, электронные устройст

оценки энергопотребления проек

переключений вентилей мощность

ва поставляются производителями с

тируемых устройств на ПЛИС FPGA

источника питания расходуется, в

гарантией обеспечения статической

фирма Altera предложила техно

основном, на токи утечки затворов

потребляемой мощности, исходя из

логию динамического управления

транзисторов (через оксид кремния,

графика её распределения для «худше

электропитанием PowerPlay и анали

обладающий высоким удельным со

го» случая. Однако «типичная» кривая

затор мощности энергопотребления

противлением). С уменьшением норм

распределения статической потребля

в САПР Quartus II PowerPlay. Она со

технологических процессов уменьша

емой мощности дискретными микро

стоит из предварительной оценки

ется толщина оксида кремния под

схемами представляет собой вероят

энергопотребления (PowerPlay early

затворами, в результате абсолютное

ное статическое энергопотребление

power estimators) и анализа мощнос

значение сопротивления снижается

устройством и имеет вид, показанный

ти энергопотребления (PowerPlay

столь значительно, что говорить о

на рисунке 1.

power analyzer), позволяющих оце

пренебрежимо малом токе утечки уже

Динамическая потребляемая мощ

нить энергопотребление, начиная со

нельзя.

ность является дополнительной

стадии разработки концепции про

Quartus II PowerPlay мощности

Высокая

энергопоребления

Количество устройств

точность

«Типичное» состояние

Предварительная оценка

энергопотребления

Моделирование

схемы

Трассировка

схемы

Схема

«Худшее»

проекта

состояние

в Quartus II

Ввод данных

Статическая мощность при 85° С

Концепция проекта

Реализация проекта

Рис. 1. Распределение статической

Низкое

PowerPlay анализ энергопоребления

Высокое

потребляемой мощности дискретными

микросхемами

Рис. 2. Этапы использования анализатора мощности PowerPlay

WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2011

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

екта и до его схемной реализации

(см. рис. 2).

Точный анализ и оценка энергопо

требления также необходимы при про

ектировании узлов системы электро

питания (стабилизаторов напряжения,

теплоотводов, системы охлаждения) и

расчёте затрат, связанных с разработ

кой устройств на ПЛИС.

В качестве примера на рисунке 3

показана таблица предварительной

оценки энергопотребления с исполь

зованием рабочего листа PowerPlay

для проекта на ПЛИС Stratix III, а на ри

сунке 4 - главный лист электронной

таблицы в PowerPlay early power esti

mators.

Предварительные оценки энерго

потребления утилитой PowerPlay

early power estimators основываются

Рис. 3. Пример таблицы результатов предварительной оценки энергопотребления ПЛИС Stratix III

на довольно точных моделях функ

циональных компонентов в FPGA.

ко на стадии разработки концепции

ностей. На рисунке 5 приведено глав

Однако при таком подходе не хвата

проекта.

ное окно программы, а на рисунке 6 -

ет важной информации о конфигу

Анализатор энергопотребления в

окно отчёта PowerPlay power analyzer

рации и размещении используемой

программе PowerPlay рower аnalyzer

в Quartus II для проекта на ПЛИС

логики и маршрутизации соедине

использует результаты моделирова

Stratix III.

ний. Поэтому оценки энергопотреб

ния сигналов в схеме проектируемо

В программе PowerPlay power ana

ления с помощью PowerPlay early

го устройства для точной оценки

lyzer версии Quartus II реализован

power estimators используются толь

динамических потребляемых мощ ряд усовершенствований, позволяю

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2011

WWW.SOEL.RU

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Тепловой

анализ

Электропитание

Входной параметр

Тепловая мощность

Рис. 5. Главное окно утилиты PowerPlay power

Рис. 4. Главный лист таблицы в программе PowerPlay early power estimators

analyzer в пакете программ Quartus II

щих минимизировать энергопотреб

соединений, исходя из величины

лиза мощности в PowerPlay power

ление в разрабатываемом проекте за

потребляемой мощности. Статичес

analyzer. При этом имеется возмож

счёт оптимизации схемы синтезиру

кая и динамическая составляющие

ность оценить энергопотребление на

емого устройства на ПЛИС, размеще

мощности моделируются отдельно с

всех этапах проектирования и вы

ния его элементов и маршрутизации использованием инструментов ана

дать рекомендации по снижению

энергопотребления в конкретном

проекте.

Следует отметить, что известные

средства анализа потребляемой

мощности проектируемыми устрой

ствами обычно рассматривают мо

дель одного типа для каждой элек

тронной цепи с сосредоточенными

нагрузками емкостного характе

ра. В инструментах PowerPlay фир

мой Altera применён другой подход,

основанный на использовании двух

типов динамических моделей элек

тропитания - электронной и эмпи

рической.

Рассмотрим процесс моделирова

ния на основе электронных динами

ческих моделей электропитания с

Рис. 6. Представление отчёта в программе PowerPlay power analyzer

помощью PowerPlay рower аnalyzer.

В качестве примера воспользуемся

А =

В = 0

субблоками адаптивного логическо

го модуля (ALM) ПЛИС серии Stratix

или логического элемента (LE) ПЛИС

CLK

серии Cyclone. Создание моделей,

поддерживающих все конфигурации

проектируемых блоков, слишком за

тратно, поэтому каждый блок, поддер

Рис. 7. Внутренние соединения и состояния

Рис. 8. Внутреннее переключение логических

живающий небольшое число конфи

схемы регистра

элементов «И» в схеме мультиплексора

гураций, разбивается на субблоки. В

результате полная и в то же время де

Энергия E = CV²

тальная модель энергопотребления

от источника питания

E = 0

устройства разрабатывается на осно

1/2 CV²рассеиваемая

Разряд

ве моделирования конфигурации,

мощность

конденсатора

образованной сетью субблоков. Ути

1/2 CV²

Изменение

энергия

Изменение

1/2 CV²

лита PowerPlay рower аnalyzer допол

состояния

заряда

состояния

рассеиваемая

нительно учитывает внутренние пе

по входу «1»,«0»

конденсатора

по входу «0»,«1»

мощность

реходы каждого субблока и в ходе мо

Рис. 9. Мощности, потребляемые инвертором

делирования точно предсказывает

WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2011

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

потребляемую мощность во внутрен

Vtt

В микросхему

Из микросхемы

них узлах, например, для соединений

и состояний схемы регистра, показан

Rnh

Rfh

T_lenght

ного на рисунке 7.

В статической модели простого

Rns

Rfs

Комплект

L_per_lenght

Rnl

Rfl

двухвходового логического элемен

в программном

C_per_lenght

обеспечении

та, реализованного непосредственно

Quartus II

в субблоках ALM или LE, обычно не

принимают в расчёт энергию источ

Рис. 10. Развёрнутая модель трассы энергопотребления

ника питания. Однако, при анализе

энергопотребления с помощью Po

werPlay рower аnalyzer на логических

элементах «И», например, мульти

плексора, учитывается исходное со

стояние его входов и электрические

соединения элементов. В результате

потребляемая мощность при внут

ренних переключениях схемы муль

типлексора подсчитывается более

точно (см. рис. 8).

При анализе и оценке энергопотреб

ления в проектируемых устройствах

на FPGA следует помнить, что при

маршрутизации соединений блоков

значительная часть динамической

мощности расходуется на ток корот

кого замыкания и заряда разряда ем

костных нагрузок. На рисунке 9 пока

Рис. 11. Окно программы PowerPlay рower аnalyzer с результатами анализа энергопотребления ПЛИС

зано изменение энергопотребления в

схеме инвертора при переключении

потребления PowerPlay позволяет су

без ухудшения параметров. Учитывая

емкостной нагрузки. Ёмкости метал

щественно уменьшить статическую

значительное снижение энергопо

лических соединений определяются

потребляемую мощность. Использова

требления ПЛИС в динамических ре

их длиной, толщиной, расстояниями

ние программы PowerPlay рower аna

жимах, можно проектировать более

от соседних дорожек и слоем, в кото

lyzer для оценки энергопотребления

экономичные устройства по сравне

ром они реализованы. В программе

проектируемых устройств на ПЛИС

нию с их функциональными аналога

PowerPlay рower аnalyzer Quartus II

FPGA позволяет добиться уменьшения

ми на базе специализированных или

имеется база данных с точными зна

электропотребления в среднем на 10%

стандартных ИС.

чениями емкостей для каждого воз

можного маршрута соединительных

проводов.

После выполнения предваритель

ной оценки энергопотребления осу

ществляется моделирование электро

питания с использованием програм

много обеспечения Quartus II по

каждому входу и выходу схемы. На

пример, для семейств FPGA Stratix III и

Cyclone III в программе PowerPlay

рower аnalyzer учитываются нагрузки

емкостного характера, параметры,

описывающие внешние связи микро

схемы, а также соответствующие со

единения и последствия возможного

обрыва проводника для каждого вхо

да/выхода, как показано на рисун

ке 10. На рисунке 11 приведено окно с

результатами определения электри

ческих параметров и моделирования

энергопотребления устройством на

ПЛИС.

Реализация в современных ПЛИС

FPGA режимов пониженного энерго

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2011