FPGA電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠采用并行工程嗎?

　　在開發(fā)過程一開始時(shí)，如果設(shè)計(jì)人員就能夠滿足基于FPGA的設(shè)計(jì)對(duì)電源的要求和約束，這對(duì)于系統(tǒng)的最終實(shí)現(xiàn)而言是很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但是，雖然技術(shù)文獻(xiàn)在這方面進(jìn)行了大量的介紹，目前基于FPGA的系統(tǒng)中是否有不實(shí)用或者很難實(shí)現(xiàn)的東西導(dǎo)致做不到這一點(diǎn)?盡管可以使用各種開發(fā)工具，例如特別針對(duì)FPGA工程的早期功耗估算器和功耗分析器等，電源設(shè)計(jì)人員最好能夠在設(shè)計(jì)早期階段，考慮電源系統(tǒng)的最差情況，而不是最佳情況，這是因?yàn)樵谟布O(shè)計(jì)完成之后，測(cè)量功耗之前，動(dòng)態(tài)負(fù)載需求還有很大的不確定性，會(huì)在靜態(tài)低電流狀態(tài)和全速工作狀態(tài)之間波動(dòng)。

　　在當(dāng)今的設(shè)計(jì)中，采用并行工程(CE)能否為使用FPGA器件的開發(fā)團(tuán)隊(duì)提供一種方法，在其工程中更方便快速的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(diǎn)?了解并行工程怎樣影響團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)投入，影響開發(fā)團(tuán)隊(duì)能否在FPGA工程一開始就滿足電源設(shè)計(jì)要求，以及系統(tǒng)其它部分對(duì)電源的要求，這有助于回答這一問題(參考側(cè)邊欄目“并行工程”)。

　　并行工程這種機(jī)制支持設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更迅速的發(fā)現(xiàn)并解決一起工作的各學(xué)科之間所做假設(shè)的分歧問題，實(shí)現(xiàn)最終設(shè)計(jì)。任何設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都很難在設(shè)計(jì)一開始時(shí)就能夠滿足復(fù)雜系統(tǒng)的所有要求——結(jié)果，更有效的方法是，盡可能早的發(fā)現(xiàn)、識(shí)別并解決所做假設(shè)的分歧問題，做出設(shè)計(jì)決定，以盡可能低的成本，采用與工程所需產(chǎn)出最貼近的設(shè)計(jì)假設(shè)和決定替代以前的假設(shè)和決定。

　　設(shè)計(jì)后期的情況越來越復(fù)雜，最差情況下的FPGA電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠采用并行工程實(shí)踐嗎?為回答這一問題，我們需要理解：是什么原因?qū)е翭PGA電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨如此復(fù)雜而且不確定的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)電源時(shí)，要做出哪些取舍?

　　復(fù)雜性和不確定性

　　設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中的每一名成員都體會(huì)到復(fù)雜性和不確定性——隨著集成度的提高，以及設(shè)計(jì)的抽象化，復(fù)雜性和不確定性也稍有緩和，設(shè)計(jì)人員還能夠接受和理解這種復(fù)雜性，并進(jìn)行工作。設(shè)計(jì)即將結(jié)束時(shí)，每一學(xué)科都會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)有所貢獻(xiàn)，上游設(shè)計(jì)假設(shè)和決定會(huì)導(dǎo)致更加復(fù)雜和不確定，如果盡早進(jìn)行協(xié)調(diào)和溝通，會(huì)減輕這方面的影響。

　　在越來越復(fù)雜的系統(tǒng)中，電源設(shè)計(jì)是下游學(xué)科之一。對(duì)于這一情形，讓我們從電源設(shè)計(jì)人員的角度看一下復(fù)雜性和不確定性的來源。影響電源設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵FPGA規(guī)范是電壓和電流要求。

　　FPGA電壓要求越來越復(fù)雜，這是因?yàn)樗枰碾娫窜壴絹碓蕉嗔?。以前，?nèi)核和I/O單元需要兩個(gè)電源軌，還有可能采用第三個(gè)用于其他功能，而現(xiàn)在的高端FPGA會(huì)需要數(shù)十個(gè)外部驅(qū)動(dòng)的電源軌。

　　為什么所需要的電源軌數(shù)量會(huì)急劇增長(zhǎng)? SRAM單元需要的電壓要比內(nèi)部邏輯門稍高一些，以保證可靠的全速工作，而待機(jī)模式的電壓要低一些。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)鎖定各種I/O單元，以及不同電源的物理接收和發(fā)送接口，這些電源具有不同的供電噪聲限制和電壓電平，因此能夠防止不同的I/O單元共享同一個(gè)電源軌，這增加了所需要的電源軌數(shù)量。例如，以太網(wǎng)運(yùn)行的I/O電壓與I2C總線不同。一個(gè)是板上總線，另一個(gè)是外部總線，但是都能夠在FPGA中實(shí)現(xiàn)。降低敏感電路的抖動(dòng)或者提高噪聲余量會(huì)要求更多的電源軌，例如低噪聲放大器、鎖相環(huán)、收發(fā)器以及高精度模擬電路等，因?yàn)榧词故枪ぷ髟谕瑯拥碾妷合?，它們也無法共享含有噪聲分量的電源軌。

　　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(duì)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(參見圖1)。例如，在28 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，公開的FPGA內(nèi)核電壓波紋容限幅度比130 nm制造的FPGA低了一半多。誤差余量百分比從5%降到3%，還會(huì)繼續(xù)降到2%.滿足電壓容限要求有助于理解并滿足FPGA電流要求。

　　圖1.四個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的平均電壓波紋容限降低了一半多，這對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員而言，意味著復(fù)雜度提高了。