Jak na výkonná, a přesto chladná zařízení s poli FPGA

V případě zařízení, pro která se vžilo označení „edge node“, bude často jedním z hlavních kritérií nízká spotřeba energie. Proč na tom tolik záleží a jaké důsledky to nakonec může mít?

U některých aplikací to vývojáři zase tolik neřeší – vždyť jsou přece jejich systémy napájené po kabelu. To je však pouze jedna strana mince. Nižší spotřeba energie znamená totiž i menší samoohřev součástek. Pole FPGA či další polovodičové prvky zde proto zůstanou chladnější a my se např. vyhneme potřebě ventilátorů, které jsou nechvalně známé svou poruchovostí. Nižší počet součástek rovněž vede k drobnějšímu návrhu, který se nám zase vejde do menších krytů.

Další úvaha počítá s poli FPGA coby polovodiči, které mohou po zahřátí zkracovat životnost zařízení. Pokud ale zůstanou chladnější, prodlouží se nám střední doba do poruchy, resp. snižuje poruchovost (FIT). V polovodičovém průmyslu existuje přibližné pravidlo, kdy snížení teploty přechodu o deset stupňů sráží poruchovost zhruba na polovinu. Do určité míry jde proto o kompromis mezi nižší spotřebou energie (a tudíž i delší životností, samozřejmě s daným rozsahem funkcí) a vyššími odběry, které budou v návrhu zase spojené s jeho rozšířenými vlastnostmi.

Díky klesající poruchovosti hardwaru z titulu nižší spotřeby energie a také menší teploty lze pro dané zařízení také snadněji získat certifikaci.

K dlouhověkosti vede účinnost

Co je ale tou architekturou stojící za efektivitou a proč na ní tolik záleží? Pokud srovnáme FPGA od společnosti Microchip s běžnými hradlovými poli, zjistíme, že FPGA od Microchipu staví na nonvolatilní technologii. Konfiguraci FPGA máme tedy uloženou přímo v aktivních buňkách, které se pokaždé nachází uvnitř pole FPGA a při vypnutí nedochází ke ztrátě informace. Při dalším zapnutí je proto konfigurace ihned k dispozici (u systémů vybavených pamětí SRAM je zapotřebí buňky neustále udržovat pod napětím a také zde máme určité ztráty způsobující samoohřev). Pro podobně velké obvody si taková FPGA v porovnání s jinými architekturami obvykle vystačí zhruba s poloviční spotřebou.

Nonvolatilní technologie polí FPGA od Microchipu dále znamená též odolnost vůči SEU (single event upset), pokud jde o nárazy neutronů či jiných částic s potenciálem změnit chování FPGA. Vyhneme se tak ochranným opatřením, která jsou v případě dalších technologií dodatečně vyžadována.

Uvažujme nyní totožnou aplikaci, stejnou složitost pole FPGA a také shodný návrh pro tři různá pole FPGA, kdy nalevo (viz obr.) budeme mít FPGA PolarFire. Dále zde dvakrát následují konkurenční FPGA se stejným návrhem, totožným počtem look-up tabulek a shodnými bloky pracujícími na podobně velké desce za stejné pokojové teploty. Při teplotních testech jsme se u PolarFire dostali přibližně na +45 °C, zhruba na +65 °C v případě 16nm součástky, resp. někde mezi +70 až +80 °C, pokud jde o 28nm konkurenční řešení.

Co to pro MTTF znamená?

Uvažujme nyní návrh s využitím jednoho z našich systémů SoC a porovnejme jej s SoC založenými na pamětech SRAM. Za předpokladu totožného návrhu, shodných výkyvů teploty a také zaznamenané výkonové spotřeby na obrázku pokaždé vidíme průběh MTTF (mean time to failure). Pro SoC PolarFire při okolní teplotě +50 °C dostáváme zhruba +70 °C, zatímco u systémů založených na SRAM to bude činit již cca +110 °C.

V případě SoC, které se odvíjejí od SRAM a dosahují zde +110 °C, obdržíme přibližně 107 FIT. SoC PolarFire s teplotou přechodu +70 °C nicméně vykazují pouze okolo deseti FIT, takže několikanásobný rozdíl, počítaný v desítkách stupňů, zde zapříčiní obrovskou změnu v poruchovosti. Zmíněný nepoměr spojovaný s FIT v praxi nakonec pro zařízení představuje výrazně jinou spolehlivost.

Kde je nutné s příkonem počítat

Existuje zde hned několik aplikací, kde je zapotřebí vše sledovat s ohledem na watty. Patří mezi ně kamery a také systémy průmyslového či chytrého vidění. Běžně potřebujeme kamery v miniaturním provedení, které však stále zvládají některé sofistikované úlohy, pokud jde o rozhraní snímače, zpracování dat, možná i určitou formu strojového učení, šifrování nebo připojení k síti.

Jedním z případů, kde bude výkonová spotřeba nesmírně důležitá, jsou termokamery. Zpravidla se jedná o příruční zařízení, které by mělo s nabitou baterií v provozu dlouho i vydržet. Bývají také docela drobné, takže se od vývojářů logicky očekávají malá provedení, do kterých se vejdou pouzdra „jedenáct na jedenáct“. Z důvodu nonvolatilní povahy, pokud jde o konfiguraci FPGA, se navíc obejdeme bez konfigurační paměti a na desce tak ušetříme ještě více místa.

Malý samoohřev pomáhá zamezit interferencím s teplotním snímačem a znovu fungovat přes rozhraní MIPI. A právě zde s výhodou přichází pole FPGA PolarFire. V drobném provedení jsou k dispozici vysoce optimalizovaná provedení, která dokážou pracovat na skutečně malých deskách plošných spojů.

Z dalších aplikací ještě zmiňujeme profesionální drony, ve kterých se mnohdy vzájemně snoubí nezbytné řízení motoru, směsice čidel a také komunikace. K dosažení maximální doby letu zde bude v porovnání s možnostmi pevně daných systémů FPGA opět zapotřebí nízké spotřeby energie.

Deska s polem FPGA pro takovou aplikaci přichází s obvodem MPF100 a malým pouzdrem „jedenáct na jedenáct“ společně s budičem linky pro CoaXPress o rychlosti pěti gigabitů za vteřinu. Řešení dále počítá se snímačem Sony, MIPI CSI-2, konverzí surových dat na CoaXPress a také interními vysokorychlostními transceivery. Pro další operace zde nechybí ani procesor RISC-V. K dispozici jsou i nástroje od společnosti Microchip [1], které pomohou s vývojem aplikací pro FPGA nebo též analýzou jejich spotřeby.

Jak jsme viděli, pole FPGA od Microchipu nabízí oproti konkurenci výrazně nižší výkonovou spotřebu na úrovni 50 %. S nižším odběrem pak budou na úrovni systému klesat i příslušná rizika. Nástroje lze získat na webových stránkách společnosti Microchip, resp. i od jiných dodavatelů, takže lze přímo srovnávat a zajistit, že obdržíte nízkopříkonová pole FPGA, která právě potřebujete. Pro více informací navštivte [2].

Odkazy:

[1] https://www.microchip.com/en-us/products/fpgas-and-plds/fpga-and-soc-design-tools/fpga

[2] https://www.microchip.com/en-us/products/fpgas-and-plds