Способы уменьшения электропитания ПЛИС программными методами

Аннотация

Статья посвящена решению вопроса снижения электропотребления программируемых логических интегральных схем (далее ПЛИС) программными способами. Решение данного вопроса особенно актуально для различного рода радиотехнических систем 5-го и 6-го поколений, в состав которых входят автономные и портативные станции. В начале статьи приведены теоретические основы потребления ПЛИС: типы потребления (статическое и динамическое) и влияющие параметры (переключение логики, физические основы интегральной схемы и других внутренних ресурсов). Пояснена работа и приведены методические указания для специализированной встроенной утилиты PowerAnalyzer программной среды разработки Quartus II, разъяснены основные показатели, с которыми работает утилита: toggle rate (частота переключения) и static probability (вероятность нахождения сигнала в устойчивом состоянии «0» или «1»). Далее изложен метод Pipelinning для устранения эффекта гонок (эффект, при котором сигналы, проходящие через элемент/кристалл, доходят до точки назначения с разными временными задержками). Суть метода заключается в том, что на выходе элемента, создающего задержку, устанавливается регистр. Регистр сохраняет значение на входе по тактовой частоте CLK, поэтому случайные переключения предыдущего элемента схемы будут игнорироваться. Тем самым устраняется эффект гонок и снижается динамическое потребление схемы. В конце статьи проведены результаты снижения энергопотребления при использовании приведенных методов. Наибольший выигрыш наблюдается при минимизации потребления, тогда, когда задействовано большое количество логических элементов на кристалле ПЛИС, а также когда происходит работа на высокой частоте. Обусловлено это тем, что при использовании методов отключения тактовой частоты мы избавляемся от большого количества переключений между состояниями логических элементов (чем больше частота, тем больше таких переключений состояний в единицу времени). При количестве занятых элементов больше 50 % мы получаем снижение потребляемой мощности более чем на 5 %, а если количество занимаемых элементов 75 %, то мы получаем выигрыш около 14 %.