ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT USCONTACT
ETNdigi-superbanner
2026  # megabox

IN FOCUS

3D-piirit pakottavat suunnittelun huomioimaan lämmön, tehon ja mekaniikan

3D-IC-arkkitehtuureihin siirtyville suunnittelutiimeille suorituskyvyn ja luotettavuuden jatkuva parantaminen tuo mukanaan tuttuja mutta yhä monimutkaisempia haasteita: miten hallitaan tehonkulutusta, poistetaan lämpöä ja otetaan huomioon erilaisten fysikaalisten ilmiöiden monimutkainen vuorovaikutus pinotuissa rakenteissa?

Lue lisää...

ETNtv

 
ECF25 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan
  • Aku Wilenius, CN Rood
  • Tiitus Aho, Tria Technologies
  • Joe Hill, Digi International
  • Timo Poikonen, congatec
  • ECF25 panel
ECF24 videos
  • Timo Poikonen, congatec
  • Petri Sutela, Testhouse Nordic
  • Tomi Engdahl, CVG Convergens
  • Henrik Petersen, Adlink Technology
  • Dan Still , CSC
  • Aleksi Kallio, CSC
  • Antti Tolvanen, Etteplan
ECF23 videos
  • Milan Piskla & David Gustafik, Ciklum
  • Jarno Ahlström, Check Point Software
  • Tiitus Aho, Avnet Embedded
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Pasi Suhonen, Rohde & Schwarz
  • Joachim Preissner, Analog Devices
ECF22 videos
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Timo Poikonen, congatec
  • Kimmo Järvinen, Xiphera
  • Sigurd Hellesvik, Nordic Semiconductor
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Andrea J. Beuter, Real-Time Systems
  • Ronald Singh, Digi International
  • Pertti Jalasvirta, CyberWatch Finland
ECF19 videos
  • Julius Kaluzevicius, Rutronik.com
  • Carsten Kindler, Altium
  • Tino Pyssysalo, Qt Company
  • Timo Poikonen, congatec
  • Wolfgang Meier, Data-Modul
  • Ronald Singh, Digi International
  • Bobby Vale, Advantech
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Zach Shelby, Arm VP of Developers
ECF18 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan CTO
  • Heikki Ailisto, VTT
  • Lauri Koskinen, Minima Processor CTO
  • Tim Jensen, Avnet Integrated
  • Antti Löytynoja, Mathworks
  • Ilmari Veijola, Siemens

ETN

Sep # TME square
TMSNet  advertisement
ETNdigi
A la carte
AUTOMATION DEVICES EMBEDDED NETWORKS TEST&MEASUREMENT SOFTWARE POWER BUSINESS NEW PRODUCTS
ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT US CONTACT
Share on Facebook Share on Twitter Share on LinkedIn

TECHNICAL ARTICLES

Virtaa monimutkaiselle FPGA-piirille

Tietoja
Kirjoittanut Bob Blake, Altera
Julkaistu: 05.11.2015
  • Sähkö & Voima

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.

MORE NEWS

Operaattori tuo parhaan Wi-Fin Suomeen

Suomeen laajentunut ruotsalaisoperaattori Bahnhof on päässyt testaamaan ensimmäisten joukossa tulevaa Wi-Fi 8 -tekniikkaa. Esisarjalaitteilla tehdyssä testissä Wi-Fi 8 oli haastavissa olosuhteissa keskimäärin 54 prosenttia Wi-Fi 7:ää nopeampi. Ensimmäisiä Wi-Fi 8 -reitittimiä odotetaan markkinoille ensi vuoden alussa.

Unohda datalehdet! Kerro tekoälylle, mitä haluat suunnitella

Elektroniikkasuunnittelu on saamassa uuden lähtöpisteen. NXP:n verkkosivuilla suunnittelija voi nyt kertoa tekoälylle, millaisen laitteen haluaa rakentaa. Celusin tekniikka ehdottaa sen perusteella järjestelmäarkkitehtuurin ja sopivat NXP-komponentit ja vie suunnitelman aina kytkentäkaavioon asti.

Erillisverkot valjastaa 5G-verkon droonien havaitsemiseen

Erillisverkot on testannut Helsingissä tekniikkaa, jolla luvattomia drooneja voidaan havaita, paikantaa ja seurata 5G-verkon avulla. Vuosaaren satamassa tehdyssä kokeessa droonin ei tarvitse olla yhteydessä verkkoon tai lähettää omaa radiosignaaliaan tullakseen havaituksi.

Yhdelle palvelimelle jo 12 teratavua DDR5-muistia

Micron on esitellyt uuden 512 gigatavun DDR5 RDIMM -muistimoduulin, jonka avulla kaksikantaiseen palvelimeen voidaan asentaa jopa 12 teratavua keskusmuistia. Uutuus yltää jopa 9 200 MT/s:n siirtonopeuteen.

Tämä kamera näkee 96 väriä

Belgialainen mikroelektroniikan tutkimuslaitos imec on saanut uuden 96-kaistaisen hyperspektrianturinsa kaupalliseen tuotantovaiheeseen. Suoraan CMOS-kennolle integroidut spektrisuodattimet mahdollistavat hyperspektrikuvauksen tavallisen RGB-kameran kokoisella laitteella.

Puheluun ei tarvitse enää vastata

Suomalainen ei tunnetusti mielellään puhu, eikä kohta tarvitse puhua enää puhelimessakaan. Elisa, Nokia ja Scailarc esittelivät Helsingissä uuden tekniikan, jossa puhelun syyn näkee jo ennen vastaamista ja asian voi jopa hoitaa puhumatta sanaakaan.

Pendulum mittaa tehon ja taajuuden 27 gigahertsiin

Pendulum Instruments on tuonut markkinoille PFA-127-analysaattorin, joka yhdistää mikroaaltosignaalien tehon ja taajuuden mittauksen samaan laitteeseen. Pulssitetuilla RF-signaaleilla laite mittaa rinnakkain myös pulssin leveyden ja toistovälin.

Spansion-nimi tekee paluun flash-markkinoille

Taiwanilainen Winbond ostaa Infineonin NOR Flash- ja F-RAM-liiketoiminnan 1,12 miljardilla dollarilla. Kaupan toteuduttua liiketoiminta saa nimekseen Spansion. Alalla pidempään toimineet muistavat nimen hyvin, sillä sen juuret ulottuvat AMD:n ja Fujitsun flash-muisteihin yli kahden vuosikymmenen taakse.

Lattice toi tekoälyn FPGA-suunnitteluun

Lattice Semiconductor tuo tekoälyn avuksi FPGA-piirien suunnitteluun. Uusi ilmainen Lattice Prompt -työkalu antaa suunnittelijan kuvata haluamansa toiminnon luonnollisella kielellä ja vie tehtävän aina käännökseen, simulointiin ja validointiin asti.

Näin verkon suorituskykyä mitataan ilman mittalaitteita

ETN - Technical articleAnritsu tuo verkon suorituskyvyn mittauksen paikkoihin, joihin fyysisiä testilaitteita on hankala viedä. Virtual Network Master -ratkaisun ohjelmistopohjaisilla testipisteillä voidaan mitata datakeskus-, pilvi-, 5G- ja edge-yhteyksien välityskykyä, latenssia, viivevaihtelua ja kehyshäviöitä.

Rikolliset myyvät pääsyä kaupallisiin kielimalleihin

Varastetuista tekoälypalvelujen käyttöoikeuksista on syntynyt oma rikollinen markkinansa. Check Point Researchin mukaan kaupan on pääsyä kaupallisiin kielimalleihin, niiden turvarajojen kiertämistä sekä rajoittamattomia malleja haittaohjelmien ja haavoittuvuuksien hyödyntämisratkaisujen kehittämiseen.

Kvanttiturvallista ohjausta FPGA-piirillä

Lattice Semiconductor tuo markkinoille Mach-N2-FPGA-perheen järjestelmien ohjaukseen ja suojaukseen. Piireihin yhdistyvät integroitu flash-muisti, laitteistopohjainen Root of Trust ja CNSA 2.0 -vaatimusten mukainen post-kvanttisalaus.

Pitääkö kvanttitekniikkaa pelätä?

Pitääkö kvanttiteknologiaa pelätä samalla tavalla kuin tekoälyä tai autonomisia järjestelmiä? Kysymys nousi esiin keskiviikkona Espoossa Nordeep-tapahtuman tulevaisuuden laskentaa käsitelleessä paneelissa. Vastaus oli varsin yksimielinen. Kvanttiteknologiaa ei tarvitse pelätä.

PX5 on nopein RTOS

PX5 RTOS nousi nopeimmaksi reaaliaikakäyttöjärjestelmäksi Beningo Embedded Groupin vuoden 2026 suorituskykyvertailussa. PX5 voitti kaikki seitsemän varsinaista suorituskykytestiä, kun käyttöjärjestelmät käännettiin raportin päävertailussa samalla GCC:n -Ofast-optimoinnilla.

Tarkka etäisyysmittaus tulee halpoihin Bluetooth-tageihin

Bluetoothin uusi tarkka etäisyysmittaus on tulossa myös pieniin ja edullisiin IoT-laitteisiin. Nordic Semiconductorin uusi nRF54LC10A tuo Bluetooth Channel Sounding -tekniikan erityisesti tageihin, seurantalaitteisiin ja yksinkertaisiin älykotisensoreihin.

Rakettitiede ostaa Sysartin: lähes 90 kehittäjän joukko pystyy isompiin hankkeisiin

– Nyt pystymme yksinkertaisesti tekemään isompia asioita, kun on enemmän tekijöitä, Rakettitieteen toimitusjohtaja Juha Huttunen kiteyttää yhtiön historian ensimmäisen yrityskaupan.

Fujitsu avasi kvanttisovellusten kehitysalustan kaikille

Fujitsu on julkaissut avoimena lähdekoodina kvanttisovellusten kehittämiseen tarkoitetun OpenQARP-ohjelmistonsa. Paketti tarjoaa yli sata ohjelmistokomponenttia, joiden avulla kvanttialgoritmeja voidaan rakentaa valmiista osista sen sijaan, että toteutus pitäisi ohjelmoida alusta lähtien.

Klinkmann vie data-analytiikan Liettuan kantaverkkoon

Suomalainen Klinkmann toimittaa data- ja analytiikkaratkaisun Liettuan kantaverkkoyhtiö Litgridille. Ratkaisulla kerätään, visualisoidaan ja analysoidaan sähköverkon operatiivista dataa, jotta verkon tilannekuvaa ja päätöksentekoa voidaan parantaa.

Kuinka kaukaa data ehtii millisekunnissa?

Pilvipalvelu voi tuntua paikalta, jolla ei ole fyysistä sijaintia. Reaaliaikaisissa sovelluksissa maantiede tulee kuitenkin nopeasti vastaan. Jos järjestelmän pitää reagoida millisekunnissa, palvelun pitäisi internetin verkko-operaattori DE-CIX:n laskelman mukaan sijaita alle 80 kilometrin päässä käyttäjästä.

Akku voi tehdä rahaa monella tavalla

Akkuvarastoa ei tarvitse käyttää vain sähkön varastoimiseen halvalla ja purkamiseen kalliilla. Saksalaisen Furon ohjelmisto optimoi reaaliajassa useita käyttötapoja ja valitsee jatkuvasti, missä akun kapasiteetista saadaan paras taloudellinen hyöty.

Sep # puffbox mobox till tme native
2026  # mobox för megabox
Sep  # puffbox mobox till square
TMSNet  advertisement

© Elektroniikkalehti

 
 

TECHNICAL ARTICLES

Näin verkon suorituskykyä mitataan ilman mittalaitteita

ETN - Technical articleAnritsu tuo verkon suorituskyvyn mittauksen paikkoihin, joihin fyysisiä testilaitteita on hankala viedä. Virtual Network Master -ratkaisun ohjelmistopohjaisilla testipisteillä voidaan mitata datakeskus-, pilvi-, 5G- ja edge-yhteyksien välityskykyä, latenssia, viivevaihtelua ja kehyshäviöitä.

Lue lisää...

OPINION

Googlen jätti-investointi: aika on kypsä uudelle ydinvoimalle

Googlen 13 miljardin euron investointi Suomeen on valtava uutinen. Vielä suurempi uutinen saattaa kuitenkin olla se, mitä investointi kertoo Suomen sähköntarpeesta. Tekoäly tarvitsee sähköä. Paljon sähköä, tasaisesti ja ympäri vuorokauden.

Lue lisää...

 

LATEST NEWS

  • Operaattori tuo parhaan Wi-Fin Suomeen
  • Unohda datalehdet! Kerro tekoälylle, mitä haluat suunnitella
  • Erillisverkot valjastaa 5G-verkon droonien havaitsemiseen
  • Yhdelle palvelimelle jo 12 teratavua DDR5-muistia
  • Tämä kamera näkee 96 väriä

NEW PRODUCTS

  • 140 watin USB-C-laturi yltää 96 prosentin hyötysuhteeseen
  • ST vähentää komponentteja kilowattiluokan teholähteistä
  • 80 wattia irti tulitikkuaskin kokoisesta teholähteestä
  • Uusi piiri tasapainottaa litiumkennot nopeammin
  • Mediatekin uusin tuo kielimallit kodinkoneisiin
 
 

Section Tapet