Coole kantnoder på FPGA

Med kantnoder er ett av hovedkriteriene ofte lavt strømforbruk - men hvorfor betyr dette noe og hva er konsekvensene?

Noen applikasjonsutviklere ser kanskje ikke dette som et problem, siden enhetene deres fungerer på kablet strøm, men det er ikke hele historien. Lavere strømforbruk betyr også lavere egenoppvarming av komponenten – dette betyr at FPGA- eller halvlederkomponenten som driver kantnoden forblir kjøligere, og dermed unngår behovet for en vifte – som er notorisk den delen som svikter. Færre komponenter betyr en mindre fysisk størrelse, som kan passe inn i et mindre kabinett.

Levetid og pålitelighet

Et annet hensyn er at FPGAer er halvledere, og dersom de blir varme kan dette også redusere levetiden til komponentene. Å holde dem kjøligere gir lengre gjennomsnittlig tid til feil og en lavere FIT-rate. En tommelfingerregel i halvlederindustrien er at hvis du reduserer overgangstemperaturen med omtrent ti grader, halverer det også FIT-raten omtrent. Til en viss grad er det en avveining mellom et lavere strømforbruk og dermed en lengre levetid, med en gitt mengde funksjoner, eller et høyere strømforbruk som tillater flere funksjoner i designet.

En lavere FIT-rate i maskinvaren på grunn av lavere strømforbruk og lavere temperatur, gjør det også lettere å oppnå sertifisering av enheten.

Effektivitet betyr levetid

Hva er arkitekturen bak energieffektivitet og hvorfor betyr det egentlig noe? Sammenligner vi FPGAer fra Microchip med typiske FPGAer, er Microchips FPGAer bygget på ikke-flyktig (non-volatil) teknologi. Dette betyr at bitstrømmen, konfigurasjonen av FPGAen, lagres direkte i de aktive cellene – denne er alltid i FPGAen og går ikke tapt når den slås av. Neste gang du slår på, er konfigurasjonen umiddelbart tilgjengelig. På SRAM-enheter må cellene kontinuerlig lades, og de lider også av noe lekkasje, noe som forårsaker egenoppvarming. For komponenter av lignende størrelse bruker FPGAer vanligvis omtrent 50 % av strømforbruket til de alternative arkitekturene.

Immunitet

Den ikke-flyktige teknologien til Microchip FPGAer gir også immunitet mot enkelthendelsesforstyrrelser (SEU), slik som nøytronangrep og andre partikkelangrep som kan endre funksjonaliteten til FPGA. Dette fjerner behovet for avbøtende ordninger som kreves av andre teknologier.

Sammenligning

Vi kan se på samme applikasjon, samme FPGA-kompleksitet og samme design på tre forskjellige FPGAer. Til venstre i diagrammet ser vi PolarFire FPGA. De to andre er konkurrerende FPGAer der vi har samme design, samme antall oppslagstabeller, og de samme blokkene kjøres på et FPGA-kort med samme størrelse ved samme romtemperatur. I termiske tester var estimatene rundt 45°C for PolarFire, rundt 65°C for 16 nm-enheten og omtrent 70°C til 80°C for den 28 nm konkurrenten.

Hva betyr så det for gjennomsnittlig tid før feil (MTBF)?

La oss vurdere et design som kjører et av våre SoC-systemer og sammenligne det med en SRAM-basert SoC. Med samme design, samme temperatursveip og effektforbruk som er registrert, er gjennomsnittskurven for tid til feil for hver vist nedenfor. PolarFire SoC ved en omgivelsestemperatur på 50°C når ca. 70°C og det SRAM-baserte systemet når ca. 110°C.

Betydelig forskjell

Når den SRAM-baserte SoCen når 110 °C, vil FIT-raten være rundt 107. PolarFire SoC med sin
70 °C overgangstemperatur viser bare rundt ti FIT, så et par ganger disse ti graders forskjell utgjør en betydelig forskjell når det gjelder FIT rate. Denne forskjellen i FIT-ratene utgjør en betydelig forskjell i påliteligheten til enheten ute i felten.

Når effektforbruk blir kritisk

Det fins flere applikasjoner hvor ytelse per watt er viktig. Disse inkluderer kameraer, industriell bildebehandling og smart bildebehandling. Et vanlig tilfelle er behovet for kameraer i svært små formfaktorer, som fortsatt forventes å utføre noen sofistikerte oppgaver, som grensesnittkobling fra sensoren, utføre prosessering, muligens noe maskinlæring, koding og tilkobling til nettverket.

Kompakte enheter

En applikasjon der strømforbruket er veldig viktig er i termiske kamera. Disse er vanligvis håndholdte og trenger lang batterilevetid. De er også relativt små, så utviklere ønsker å ha en liten pakke i «elleve-ganger-elleve» størrelse. I tillegg, på grunn av ikke-flyktigheten til FPGA-konfigurasjonen, trenger vi ikke et konfigurasjonsminne, noe som sparer mer plass på kortet.

Optimalisert

Den beskjedne mengden av egenoppvarming hjelper ved å forhindre interferens med termosensoren og igjen grensesnittkobling via MIPI-grensesnittene. Det er her fordelene med PolarFire FPGA kommer inn. I en liten kapsling har vi svært optimaliserte pakker som støtter operasjon på svært små kretskort.

Lang flytid

En annen applikasjon er profesjonelle droner. Dette krever svært ofte en kombinasjon av motorstyring, sensorfusjon og kommunikasjon. Igjen, lite strømforbruk er nødvendig for å oppnå maksimal flytid sammenlignet med det som er oppnåelig med den deterministiske FPGA-matrisen.

Komplett

FPGA-kortet for denne applikasjonen inneholder MPF 100 og den lille elleve x elleve-pakken pluss en linjedriver for CoaXPress på fem gigabit per sekund. En del av designet danner grensesnitt med Sony-sensoren, MIPI CSI-2 konverterer rådataene til CoaXPress og driver deretter de interne høyhastighetssendere til linjedriveren. I tillegg har vi en RISC-V-prosessor for husholdningsoppgaver. Det er tilgjengelige Microchip-verktøy som kan bidra i utviklingen av FPGA-applikasjoner og analysere effektforbruket deres.

Mindre risiko

Som vi har sett, gir Microchip FPGAer en effektfordel i forhold til konkurrentene, og tilbyr et betydelig lavere strømforbruk på 50 %. Med lavere strømforbruk kommer mindre risiko for systemet.

Verktøy er tilgjengelig fra Microchips nettsted samt fra andre leverandører, noe som tillater direkte sammenligninger for å sikre at du får de laveffekts-FPGAene du trenger.

For mer informasjon: https://www.microchip.com/en-us/products/fpgas-and-plds