FPGA-piireistä on yhä useammin tulossa järjestelmien keskuksia, joten niiden tehonsyötön suunnitteluun pitää kiinnittää erittäin paljon huomiota. Usein valmis moduuli on parempi kuin erilliskomponentteihin nojaava ratkaisu.

Artikkelin kirjoittaja Bob Blake toimii Alteran Enpirion-tuoteryhmän liiketoiminnan kehityksestä vastaavana johtaja Euroopassa. Hän vastaa liiketoiminnan kasvattamisesta varmistaen, että asiakkaiden suunnittelukokemus on onnistunut ja tuote vastaa asiakkaan vaatimuksia. Bob tuli Alteralle vuonna 2000 ja hän on työskennellyt yrityksessä useissa eri markkinointitehtävissä. Aiemmin hän vastasi esimerkiksi Alteran nopeiden lähetinvastaanottimien teknisestä markkinoinnista. Hänellä on yli 20 vuoden kokemus elektroniikka-alalta suunnittelun ja johtotehtävien parissa. Hänellä on elektroniikkasuunnittelijan tutkinto Portsmouthin yliopistosta.

FPGA- ja järjestelmäpiireille on tulossa sekasignaalitoimintoja, joiden myötä järjestelmätason suorituskyky kasvaa ennen näkemättömälle tasolle. Jotta näistä monimutkaisista piireistä saisin halutun suorituskyvyn irti, suunnittelijan täytyy ottaa huomioon niiden ankarat tehovaatimukset. Vaikka jännite- ja virtamääritykset ovat kriittisiä tekijöitä, tehomääritysten yksityiskohdat tulevat tarkkuuden rajoista, värinän siedosta ja vasteista virrantarpeen heittelyihin.

Järjestelmän monimutkaistuessa ja suorituskyvyn kasvaessa piirien tehovaatimukset voivat olla merkittäviä. High end -sovelluksissa FPGA-teho on kriittinen tekijä, sillä pelkkä ytimen tarve voi olla kymmeniä ampeereja. Kun tähän lisätään kovakoodatut prosessorit, lähetinvastaanottimet (transceivers), sisäänrakennetut IP-lohkot, ja muut I/O-liitäntästandardit, lopullinen tehobudjetti voi ylittää sata ampeeria. Siksi on selvää, että millä tahansa tekniikalla, jolla voidaan parantaa piirin tehonkulutusta ja energiatehokkuutta voi olla hyvin suuri vaikutus. Esimerkiksi yhden prosentin parannus energiatehokkuuteen voi pienentää piirin tehonkulutusta jopa 270 milliwattia.

Toinen FPGA-suunnittelun virtaistamisessa huomioon otettava ominaisuus on sen herkkyys sähköiselle kohinalle. Ensinnäkin FPGA-piireillä on hyvin tiukat tulojännitetoleranssit, joten teholähteen pitää olla erittäin tarkka ja vähän väreilevä (low ripple) vastatakseen näihin vaatimuksiin. Toiseksi FPGA-piirin operationaalinen kuorma voi vaihdella dramaattisesti, mikä johtaa erittäin nopeisiin muutoksiin tehonsyötössä. FPGA-sovellukset voivat olla hyvin data-algoritmikeskeisiä, mutta tällainen prosessointi ei aina ole determinististä, joten piirin tehontarve vaihtelee joskus äkillisestikin. Nopea vaihtelu aiheuttaa piikkejä virrantarpeeseen, joten teholähteen pitää pystyä vastaamaan näihin nopeasti. Optimaalisen teholähteen pitäisi pystyä tähän mahdollisimman pienellä määrällä lisäkomponentteja, kuten kondensaattoreita. FPGA-ydin, lähetinvastaanottimet ja PLL-osat ovat alttiina tällaisille virtapiikeille, joten niiden tehonsyötön pitää olla erittäin puhdas, jottei järjestelmään pääse värinää (jitter).

Lopuksi suunnittelijan pitää vielä ymmärtää, että kun FPGA-piiristä tulee järjestelmän keskus, siinä pitää todennäköisesti tukea useampia I/O-standardeja. Tyypillisesti tämä johtaa virtalinjojen määrän kasvattamiseen. Useimmat suunnittelijat ovat tottuneita tällaisiin monimutkaisiin, ahtaiden tilojen suunnitteluihin, joten integroitu teholähderatkaisu varmistaa, että piirikorttialan tarve pysyy mahdollisimman pienenä. Yksinkertaisemmissa, matalatehoisissa suunnitteluissa erillisten teholähteiden käyttö on ollut toimiva ratkaisu. Vaikka tämä on potentiaalisesti halvempi ratkaisu, suunnitteluun kuten vaikkapa induktorin karakterisointiin voi kulua paljon aikaa. Tyypillisesti nollasta aloitetussa suunnittelussa tämä vie noin kuukauden pidempään kuin valitsemalla teholähdemoduulin suunnitteluunsa.

Erillisteholähteitä käytettäessä värinän kontrollointi ja tehonsyötön toleransseihin vastaaminen koko FPGA-piirillä erilaisissa kuormissa on yksi lisähaaste suunnittelijalle. Integroidun moduulin käyttö, jossa kytkin, ohjain ja magneettiset osat on integroitu yhteen koteloon, on tulossa käyttökelpoiseksi, luotettavaksi ja kompaktimmaksi vaihtoehdoksi. Esimerkiksi Enpirion-perheen PowerSoC-moduulit operoivat korkeammalla taajuudella kuin perinteiset DC-DC-muuntimet, minkä ansiosta magneettiset osat voidaan pitää mahdollisimman pieninä ja integroida ne suoraan moduuliin. Erillisratkaisuun verrattuna uusi digitaalisesti ohjattu EM1130-moduuli vie tyypillisesti 360 neliömillin verran tilaa 30 ampeerin lähdöllä (ks. kuvaa 1).

Kuva 1. Tehomoduulin käyttäminen säästää arvokasta piirikorttialaa.

Tämän päivän FPGA-piireissä halutaan hyödyntää mitä tahansa tekniikoita, joilla kokonaistehobudjettiin voidaan vaikuttaa tehonkulutusta alentamalla. Yksi esimerkki innovatiivisesta lähestymistavasta on kyky tukea piirin jännite-ID-toimintoa (VID, voltage ID). Tähän päästään lisätestaamalla FPGA-piiriä valmistuksen aikana. Monitoroimalla ytimen jännitettä, jossa yksittäinen piiri toimii tietyn rekisterin nopeusrajalla, voidaan tämä jännite asettaa piirin asetukseksi. Tämä vaihtelu ytimen jännitearvosta tietyssä suorituskykyvaatimuksessa voi vaikuttaa piirin tehontarpeeseen merkittävästi. Esimerkiksi Alteran Arria 10 -sarjan FPGA-piirissä VID-toimintoa käyttämällä voi säästää staattisessa tehonkulutuksessa jopa 40 prosenttia (ks kuva 2).

Kuva 2. Hyödyntämällä innovaatioita kuten VID voidaan merkittävästi pienentää FPGA-piirien tehobudjettia.

Jotta tämä toimisi, pitää teholähteen kyetä lukemaan tämä jännite ja asettamaan lähtöjännite (Vout) sen mukaisesti. Uusimmat tehomoduulit, kuten Enpirion EM1130, tekevät tämän käyttämällä standardia PMBus-protokollaa. Tämä sarjaliitäntä osaa lukea FPGA-piiriä ja settaa ydinjännitteen piirin yksilöllisten vaatimusten mukaisesti. PMBus-väylää voidaan käyttää lähtöjännitteen hallintaan, mutta sen kautta voidaan myös mitata jännitettä, virtaa ja lämpötilaa piirillä. PMBus-protokollakäskyjä voidaan käyttää ohjaamaan yksittäisiä tehomoduuleja, mikäli suunnittelussa on useita teholähdemoduuleja samassa virtalinjassa. Tämä menetelmä antaa myös mahdollisuuden konfiguroida virtalinja tuotantolinjalla, koska EM1130-moduuliin voidaan tallentaa kahdeksan eri teho-oletusasetusta, joita voidaan ottaa käyttöön muuttamalla ulkoisen resistorin arvoja.

Tehonhallintamoduulien täytyy perustua uusimpaa teknologiaan ja topologiaan, jotta ne voisivat vastata suorituskykyisimpien FPGA-piirien kehittyviin vaatimuksiin. EM1130-moduulin tapauksessa tämä tarkoittaa viimeisimmän LDMOS-tekniikan hyödyntämistä, joka mahdollistaa perinteisiä mosfetteja korkeampien taajuuksien käytön ilman transistorihävikkiä (tai energiatehokkuuden putoamista), joka normaalisti esiintyy kun transistoreja ajetaan korkeammalla kellotaajuudella. Tämä pätee paitsi FPGA-ytimeen myös lähetinvastaanottimiin.

Aiemmin FPGA-valmistajat saattoivat suositella LDO-regulaattoria lähetinvastaanottimille. Kun lähettimien määrä FPGA-piirillä kasvaa, niiden sähköistäminen LDO-regulaattorilla on tullut epäkäytännölliseksi. Kytkinmuuntimen käytöstä tulee välttämätöntä, kun halutaan varmistaa että lähetinvastaanottimet toimivat virheettömästi suurimmissa datanopeuksissa.

Tehonhallintamoduulia valitsevien suunnittelijoiden pitäisi huolellisesti seurata piirinsä toimintataajuutta useista eri syistä. Ensinnäkin se vaikuttaa suoraan piirin kokoon, koska vaadittujen magneettiosien koko riippuu taajuudesta. Toiseksi toimiminen korkeilla taajuuksilla tuo käyttöön nopean laajakaistaisen palautepolun, jonka avulla tehontarpeen nopeisiin vaihteluihin voidaan vastata nopeasti ilman, että piirillä käytetään fyysisesti suurikokoisia transistoreita. Värinän pitäminen toleranssin rajoissa, tyypillisesti +/- 30 millivoltissa useimmissa FPGA-piireissä on keskeisen tärkeää. EM1130-moduulissa tämä heittely voidaan jäädä niinkin alhaiseksi kuin +/- 8 millivolttiin, mikä ylittää minivaatimukset , kuten lähtöjännitteen +/- 0,5 prosentin vaihteluvälin selvästi.

Kuva 3. Värinän ja transienttivasteiden tiukka regulointi lisäävät järjestelmän kokonaisluotettavuutta.

Tiukasti paketoiduissa korttisuunnitteluissa myös lämpösuorituskyky (thermal performance) on tärkeää ottaa huomioon. On selvää, että tehonmuunnospiirin energiatehokkuus vaikuttaa tähän suuresti. Lämmön johtaminen moduulikotelosta järjestelmän piirikortille auttaa lämmön hallinnassa. Esimerkiksi EM1130-moduuli käyttää PCB-alustaa, jossa on paksu kuparikerros auttamassa lämmönjohtumista. Tämä lähestymistapa poistaa tarpeen käyttää jäähdytyselementtiä tai jotain muuta lämmönhallinnan tekniikkaa.

FPGA-suunnittelun tehovaatimusten huomioon ottaminen on tärkeä osa koko suunnitteluprosessia. Se myös varmistaa, että sovellus toimii luotettavasti koko elinkaarensa ajan.