FPGA電源系統設計能夠采用并行工程嗎?

　　按照摩爾定律，FPGA電流特性的發展趨勢也是越來越復雜，FPGA的密度越來越高，外設/功能/IP模塊的數量越來越多——隨著每一技術節點的發展，同樣的硅片中，模塊數量加倍。雖然FPGA的供電電壓是恒定的，但是，這些電壓的工作電流卻不是，隨FPGA邏輯的實現方式而波動。

　　當內部邏輯門或者I/O單元在高電平和低電平之間轉換時，電流會有很大的波動。當FPGA轉換到高處理速率時，吸收的電流會增大，電壓隨之下降。一個良好的電源設計會防止電壓過度下降，不會超出電壓瞬變閾值。相似的，當FPGA轉換到低處理速率時，吸收的電流會下降，電壓會上升，電源設計會防止它超過閾值。簡言之，FPGA設計人員以怎樣的方式在FPGA上實現系統帶來了很多不確定性，會在很大程度上影響電源設計。

　　這類不確定性會特別影響FPGA系統，部分原因是，使用FPGA的一個關鍵特性是設計人員能夠建立大小任意的處理資源，以及任意數量的冗余處理資源，與軟件編程處理器相比，以更少的時間，更少的功耗解決他們的問題。因此，雖然軟件編程處理器有很多能夠同時工作的處理資源，而FPGA提供了機會來建立特殊的、優化的定制處理資源，所以需要定制電源設計。

　　供電電源

　　在設計一開始時，理解并管理FPGA設計人員怎樣實現高處理狀態和低處理狀態之間的轉換會明顯影響電源設計人員優化電源設計，滿足系統電源要求。這不是要求，FPGA中的每一電源軌也不是必須要有自己的供電電源，因為這會增加成本，過多的占用寶貴的電路板空間。相反，電源設計人員可以使用分布式電源網絡，體調節器對系統電壓進行降壓處理，將其分配給每一個負載點的調節器，然后，對每一電源軌供電。設計的每一個調節器能夠在輸入電壓和輸出負載電流變化時提供恒定的輸出電壓(在設計范圍內)。

　　有兩種基本類型的調節器：線性和開關調節器。線性調節器很容易實現，輸出比較干凈，輸出的噪聲和電壓波紋很小，使用成本也較低，需要的電路板空間比開關穩壓器少。但是，其功率轉換效率比開關調節器低很多，特別是電壓差(輸出相對于輸入)變化時。例如，使用線性調節器從5V電源產生1V輸出，轉換效率為20%，比開關調節器85%的轉換效率差很多。

　　轉換效率是輸出功率與輸入功率之比，較低的效率意味著調節器占用了很大的功率，而不是FPGA;因此，線性調節器不如開關調節器那樣適合大電流工作的FPGA應用——高端FPGA系統中的某些快速I/O節點會達到80A.此外，浪費的功耗導致溫度上升，影響熱沉或者氣流散熱所需要的空間，難以維持系統元器件的性能不變。作為一般規則，一平方英寸銅電路板每消耗1W功耗，沒有氣流散熱時，溫度會上升10oC.

　　開關調節器功效要比線性調節器高很多，但是有噪聲代價，即，較大的電壓波紋——電源設計人員需要面對較低的容限閾值這一越來越復雜的難題。對電路板上的開關調節器組件進行合適的布局是降低電噪聲的關鍵，這也稍微增加了設計難度。

　　因此，在設計早期階段就知道功率預算對于電源設計人員布放電路板，需要多少電路板空間來高效的使用開關調節器非常重要，否則會勉強使用低效的線性調節器。

　　早期規劃

　　大部分FPGA功耗都與FPGA設計人員的實現選擇有關，這會影響系統的開關頻率、輸出負載、供電電壓、互聯數量、互聯開關百分比，以及邏輯和互聯模塊的結構。這些選擇反過來也會影響電源設計人員的選擇以及系統設計的綜合考慮，影響最終系統性能。

　　好在FPGA電源設計人員有各種工具和方法，在設計早期階段分析功耗。例如，大部分FPGA供應商提供早期功耗估算器和功耗分析器，幫助設計人員建立功耗預算。設計人員可以使用基于軟件的早期功耗估算器——基本上是表格的形式，在設計早期階段匯集邏輯容量和工作速率的數據和假設，以便估算系統會在哪里，用掉多少功率(參見圖2)。

　　圖2.這一基于軟件的早期功耗估算器所顯示的工作表在所規劃的FPGA使用情況基礎上，為每一電源軌建議了組件(圖像得到了Altera的授權)。