СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 2011-4

По мере уменьшения геометри ческих размеров элементов ИС су щественно меняется структура их энергопотребления. В прошлом до минирующей составляющей было динамическое энергопотребление. При переходе к новым технологичес ким процессам с меньшими тополо гическими нормами уменьшается на пряжение питания, а значит, и по требляемая динамическая мощность. Однако при этом возрастают токи утечки и увеличивается статическая потребляемая мощность. Для высо ких рабочих температур токи утеч ки могут увеличиваться на порядок и более. Известно, что в статическом режи ме микросхемы КМОП практичес ки не потребляют тока. В отсутствие переключений вентилей мощность источника питания расходуется, в основном, на токи утечки затворов транзисторов (через оксид кремния, обладающий высоким удельным со противлением). С уменьшением норм технологических процессов уменьша ется толщина оксида кремния под затворами, в результате абсолютное значение сопротивления снижается столь значительно, что говорить о пренебрежимо малом токе утечки уже нельзя. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 58 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2011 Минимизация энергопотребления проектируемых устройств на ПЛИС типа FPGA Владимир Вычужанин (Одесса, Украина) В статье рассматриваются проблемы оценки и минимизации энергопотребления проектируемых устройств на ПЛИС типа FPGA с помощью анализатора мощности энергопотребления в САПР Quartus II PowerPlay. Таким образом, статическая мощ ность, потребляемая устройством, определяется, прежде всего, токами утечки в состоянии покоя. Сумма то ков утечки пропорциональна разме ру кристалла и температуре перехода. Кроме того, на статическую потребля емую мощность оказывают влияние разброс параметров транзисторов в процессе их изготовления и отклоне ния напряжения питания. Модель ста тической потребляемоймощностимо жет быть представлена следующим об разом: , где Т – температура перехода; А , В и С – константы. Как правило, электронные устройст ва поставляются производителями с гарантией обеспечения статической потребляемой мощности, исходя из графика её распределения для «худше го» случая. Однако «типичная» кривая распределения статической потребля емой мощности дискретными микро схемами представляет собой вероят ное статическое энергопотребление устройством и имеет вид, показанный на рисунке 1. Динамическая потребляемая мощ ность является дополнительной мощностью, потребляемой дискрет ным устройством вследствие пере ключения вентилей схемы, а также заряда и разряда нагрузок емкостно го характера. Основные переменные, влияющие на динамическую потреб ляемую мощность, представлены в формуле: , где C – ёмкость заряда; V – разность уровней напряжения питания; f – тактовая частота. Q – энергия корот кого замыкания при переключении цепи; activity – процентная часть цепей устройства, переключаемых в цикле. Качество оценки энергопотребле ния проектируемого устройства на ПЛИС зависит от точности определе ния значений передаваемых сигна лов и модели энергопотребления. Для оценки энергопотребления проек тируемых устройств на ПЛИС FPGA фирма Altera предложила техно логию динамического управления электропитанием PowerPlay и анали затор мощности энергопотребления в САПР Quartus II PowerPlay. Она со стоит из предварительной оценки энергопотребления (PowerPlay early power estimators) и анализа мощнос ти энергопотребления (PowerPlay power analyzer), позволяющих оце нить энергопотребление, начиная со стадии разработки концепции про Количество устройств «Типичное» состояние «Худшее» состояние Статическая мощность при 85 ° С Рис. 1. Распределение статической потребляемой мощности дискретными микросхемами Высокая точность Предварительная оценка энергопотребления Quartus II PowerPlay мощности энергопоребления PowerPlay анализ энергопоребления Высокое Низкое Концепция проекта Ввод данных Оценка точности Реализация проекта Схема проекта в Quartus II Трассировка схемы Моделирование схемы Рис. 2. Этапы использования анализатора мощности PowerPlay © СТА-ПРЕСС