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Il consumo di energia nei dispositivi FPGA

I dispositivi FPGA possono essere programmati via software

I dispositivi FPGA (acronimo per Field Programmable Gate Array) sono molto usati nei prodotti portatili di elettronica come cellulari, lettori multimediali, smartphone, navigatori satellitari e fotocamere digitali. Alcune loro caratteristiche relative al consumo di energia fanno scegliere alcuni FPGA piuttosto che altri, ad esempio quelli basati su Flash o quelli basati su SRAM.

Cosa sono i dispositivi FPGA

I dispositivi FPGA (Field Programmable Gate Array) sono dispositivi digitali che possono essere programmati via software per quanto riguarda la loro funzionalità. Sono elementi che presentano caratteristiche intermedie rispetto ai dispositivi ASIC e a quelli con architettura PAL.
Con dispositivi FPGA con densità più elevate, i progettisti stanno facendo progressi sulla riduzione della potenza consumata. Un altro motivo per il trend di riduzione di potenza è che gli FPGA sono sempre più ampiamente usati in dispositivi portatili come smartphone, lettori multimediali, giochi, navigatori satellitari e fotocamere digitali. Il consumo energetico è probabilmente il fattore più importante anche per le applicazioni medicali, industriali e militari. L'affidabilità del sistema e la facile aggiornabilità sono altre due caratteristiche estremamente positive. Altri criteri come il costo, le prestazioni, la funzionalità, la potenza e l’imballaggio entrano in gioco nel processo di selezione.

Ci sono quattro componenti di potenza connessi con la progettazione di un sistema FPGA basato su potenza, configurazione di alimentazione, programma di potenza statica, potenza dinamica. Le tecniche di alimentazione dei componenti e la riduzione dei dispositivi FPGA variano a seconda della tecnologia di base nei dispositivi, come per SRAM, Hybrid SRAM, Flash e FPGA Antifuse. I dispositivi FPGA sono tutti e quattro i componenti di potenza maggiore, mentre il flash e FPGA antifuse, che sono non-volatili, hanno solo due significativi componenti di potenza, statica e dinamica. Un picco di corrente si ha con FPGA basati su SRAM in tensione, perché i transistor SRAM volatili sono in stato indeterminato inizialmente. Questa corrente è nell'ordine di centinaia di milliampere. Gli FPGA basati su Flash hanno una potenza molto minimale, a causa della configurazione Lapu.

Alcune caratteristiche sulla configurazione degli FPGA

La configurazione è attuata durante la programmazione di FPGA SRAM durante il download di dati bitstream da un flash o memoria del dispositivo al sistema di power-up. In genere la configurazione è di centinaia di millisecondi e la corrente è centinaia di milliampere. Per quanto riguarda il programma di potenza statica, questo consumo di energia è dovuto al gran numero di transistor su FPGA, che hanno una piccola quantità di perdita, quando il dispositivo non è attivo per effettuare qualsiasi operazione. Questa dispersione di corrente contribuisce con un importo significativo alla dissipazione di potenza.

Passiamo ora alla potenza dinamica. Questo potere di consumo è dovuto al passaggio della corrente di celle, in cui può effettuare qualsiasi operazione. La potenza dinamica è direttamente proporzionale alla tensione di esercizio e alla frequenza di commutazione.

Consigli per il risparmio energetico con FPGA

Selezionare un FPGA basato su Flash in quanto è una vera soluzione a singolo chip che non supporta la configurazione, non soffre della potenza di spunto, e ha una bassa potenza statica. Scegliere FPGA a basso potenza in modalità di sospensione, dove l’orologio del circuito è spento, preservando gli stati del dispositivo. Questo riduce in ultima analisi, la potenza statica. La frequenza di clock di sistema ha un impatto forte sul potere di consumo di un dispositivo FPGA. La frequenza di clock è direttamente legata alla larghezza di banda delle prestazioni, tuttavia per raggiungere un equilibrio ottimale tra potenza e velocità, un orologio lento può essere fornito ai componenti che non richiedono un orologio veloce. Per le componenti che sono fondamentali per la larghezza di banda, utilizzare un orologio più veloce.

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