Cyclone IV FPGA: 最も低い消費電力へ最適化

アルテラの Cyclone® IV FPGA は、最も低い消費電力を実現するため最適化されているため、熱管理の要求を緩和します。その結果、ポータブル・アプリケーションにおいて冷却システム・コストの排除または削減し、バッテリ寿命の延長を実現します。

Cyclone IV FPGA の消費電力

Cyclone IV FPGA ファミリは、アルテラが消費電力効率の高いFPGAの供給におけるリーダシップを証明します。アーキテクチャおよびシリコン機能強化、最新の半導体プロセス・テクノロジ、および設計者に提供する完全な消費電力管理ツールを融合することにより、Cyclone III FPGA と比較して最大 25% の消費電力の削減を達成しており、同等の性能を持つ FPGA の中で最も低い消費電力を実現しています。

以下の図に、Cyclone IV E デバイスを 85 ℃のジャンクション温度で動作させた場合のスタティック消費電力を示します。最小の Cyclone IV E デバイス EP4CE6 デバイスの85 ℃時のスタティック消費電力はわずか 38 mW、最大の Cyclone IV E デバイスである EP4CE デバイスの 85 ℃時のスタティック消費電力はわずか 163 mW です。

Cyclone IV E FPGA のティピカルなスタティック消費電力

低消費電力の利点

プログラマブル・ロジック・デバイスの消費電力の低減により、多くのアプリケーションでさまざまな利点が得られます。ただし、プログラマブル・ロジック・デバイスの低消費電力は、システム消費電力の 1 側面でしかありません。以下の図は Cyclone IV GX FPGA ファミリが、低消費電力の FPGA を提供するだけでなく、システム全体の消費電力を平均 30% 削減することに貢献していることを示しています。

Cyclone IV GX FPGA を使用したトータル・システム消費電力の削減

Cyclone IV GX FPGA の提供費電力のメリットとさらに向上したデバイスの統合力とを組み合わせることにより、以下の分野で大きなシステム・レベルのメリットが得られます。

  • ポータブルまたはハンドヘルド・バッテリ駆動装置
  • スペース制約やその他発熱に厳しい環境
  • 冷却システムがコストに見合わない価格重視のアプリケーション

さらに、使用するコンポーネントが削減されるため、ユーザーの総合的な負担コストの削減および信頼性の向上を実現可能となります。ホワイト・ペーパーをご参照ください。

シリコンおよびアーキテクチャの最適化

サブミクロン半導体プロセスでは、消費電力低減のための対策を講じない場合、スタティック消費電力が大幅に増大する可能性があります。サブミクロン・プロセス・テクノロジでスタティック消費電力が増加する原因は、主に薄いゲート酸化膜に流れるトンネル電流、そしてサブスレッショルド・リーク(チャネル - およびドレイン - ソース電流)などのリーク電流の増加にあります。

アルテラは Cyclone IV デバイスのスタティック消費電力を削減するため、重要な取り組みを行いました。ハンドセット・コンポーネントの主要半導体メーカで伝統的に使用されている低消費電力(LP)プロセス・テクノロジを採用することによって、アルテラは低スタティック消費電力のリーク電流を最小限に抑えました。この高性能プロセスとアーキテクチャの最適化によって達成した小型化により、Cyclone IV FPGA のダイナミックおよびスタティック消費電力が最小限に抑えられます。アルテラが Cyclone IV FPGA で採用しているプロセスおよびアーキテクチャ機能拡張には、Low-K 低誘電体、複数のチャネル長および酸化膜厚、複数のトランジスタ・スレッショルド電圧の使用などが含まれます。

正確な消費電力の見積もりおよび解析

アルテラは、最も正確かつ完全な消費電力管理設計ツールで、デザイン・コンセプトから実装に至るまで消費電力の見積もりおよび解析をサポートします。アルテラは 125 ℃およびワースト・ケースのシリコン条件における低コスト・デバイス・ファミリの消費電力の見積もり値をツール・スイートで提供する唯一のプログラマブル・ロジック・ベンダーであり、正確な消費電力解析を提供します。アルテラは以下の消費電力見積もりおよび解析リソースを提供します。

PowerPlay Early Power Estimator (EPE) はデザイン・コンセプト段階で使用し、PowerPlay Power Analyzer はデザインの実装段階で使用します。PowerPlay EPEは、デバイスおよびパッケージの選択、動作条件、およびデバイス使用率に基づき、早期における消費電力の解析を可能にするスプレッドシート・ベースの解析ツールです。

PowerPlay Power Analyzer は、実デザインの配置配線およびロジック・コンフィギュレーションを使用するだけでなく、シミュレーション・データを利用して非常に正確にダイナミック消費電力を見積もることができます。Power Analyzer は、正確なデザイン情報を入力することにより、たいてい ±10% 精度の見積もり値を提供できます。Quartus Prime PowerPlay パワー・モデルは、実際のシリコン測定値との相関が取れています。

アルテラは、5,000 以上のさまざまなテスト・コンフィギュレーションを使用して Cyclone シリーズ FPGA 内の各回路構成の消費電力を測定します。それぞれのコンフィギュレーションは、特定のモードにおいてFPGAの単一回路構成を測定します。

Quartus Prime の消費電力の最適化

デザイン実装の詳細設定により、性能の向上、エリアの低減、および消費電力の削減を達成できます。従来、性能と面積のトレード・オフは、配置配線デザイン・フローを通して RTL (レジスタ転送レベル)内で自動化されてきました。

アルテラは消費電力最適化機能をデザイン・フローに取り入れるリーダシップを取っています。Quartus Prime PowerPlay 最適化ツールは自動的に Cyclone IV FPGA アーキテクチャの機能を使用して消費電力を低減し、Cyclone III FPGA と比較して最大で 25% のダイナミック消費電力が削減されます。Cyclone IV FPGA ファミリでのシリコンおよびアーキテクチャの最適化によって得られる削減と合わせると、90nmの Cyclone II FPGA と比較して最大 50% の消費電力が削減されます。

Quartus Prime 開発ソフトウェアは以下に示すような、FPGA アーキテクチャを最適に使用して消費電力を最小化する、設計者には見えない多数の自動消費電力最適化機能を備えています。

  • 主要機能ブロックの変換
  • より少ない消費電力を実現できるユーザー RAM のマッピング
  • ダイナミック消費電力を削減するためのロジックの再構築
  • ロジック入力を適切に選択し、トグル率の高いネットのキャパシタンスを最小化
  • コア・ロジック面積の削減および配線の最適化で、配線におけるダイナミック消費電力を削減
  • 配置の変更によってクロック消費電力を削減
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