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FPGA の Power & Thermal デザイン & デバッグ・ガイドライン

説明

製造プロセスやテクノロジの微細化に伴い、FPGA が要求する電源電圧は低電圧化が進んでいます。微細化の恩恵により、収容トランジスタ数は飛躍的に増加し、内部動作速度は高速化しています。

また、市場から要求されるシステム帯域は広帯域化しており、FPGA に実装される回路は大規模かつ高速となり、結果的として FPGA の消費電力は増大してきています。これは、電源に対する要求条件が、より低電圧・より大電流化することを促しており、特に 20nm 以降のプロセス技術で製造される FPGA は、電源に対する要求事項が従来に比べてはるかに厳しい条件となってきています。

本資料では、1V 以下の電源電圧で 20W (20A) を超えるデザインにおいて、設計時の考慮点および測定方法を示し、予めその仕組みを実装することで不具合の発生を防ぐと共に、不具合発生時のデバッグにおいて速やかに問題点を見定め、解決することを目的としています。低電圧・大電流化に伴う、最新 FPGA における電源選定、また評価過程での測定方法は従来とは異なる事象を考慮する必要があり、またデバイス単体の消費電力の増大に伴い、従来に比べてより厳密な「放熱設計」及び「測定方法」が必要となっています。

なお、本資料の解説は、FPGA としては Arria® 10、Stratix® 10、電源デバイスとしては Enpirion® を想定したものですが、一部を除き、一般的に適用/応用可能な説明になっています。
<内容>
  • はじめに
  • Desgin Flow
    • 仕様確認
    • 最大消費電力の見積もり
    • 電源でバス選定
    • 回路図確認
    • レイアウト確認
    • 放熱対策検討
  • Debug Flow
    • 初期動作確認
    • リップル測定方法
    • トラブルシューティング
    • 不具合事例
  • Appendix
    • 帯域増加に伴う動作率上昇
    • PDN Tool Input
    • 最大電流変動に対する電力変動耐力
    • 電圧測定ポイント
    • 電源の波形確認
    • 配線抵抗の影響
    • Debug Check List
    • 電源共有時のコイルによる電源分離に対する注意点
    • 電源ノイズとジッタ増加
    • Drop in Box
    • 電源デバイスの発熱概算算出

資料

Power_Thermal_design_and_debug_guideline_r3__1.pdf

デザイン&デバッグ・ガイドライン(Rev.3)

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碓井有三のスペシャリストコラム
『ボード設計者のための分布定数回路のすべて』の著者ある碓井有三がシグナルインテグリティ(信号品質)や電源など回路設計者やボード設計者に役立つ情報お届けしています。基礎の基礎といったレベルから入って、今さら他人には聞けないようなテーマ、少し上級なレベルのテーマなどを交えて連載しています。

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