Giriş Giriş Giriş

Alan-Programlanabilir kapı Dizileri (FPGA) yüksek performanslı hesaplamalarda temel yapı taşlarıdır, telekomünikasyon, savunma ve gömülü sistemler, yeniden programlanabilir mantık ve büyük paralel işleme yetenekleri sunar. Süreç düğümleri 7 nm ve 5 nms'e kadar küçültülebilir ve saat frekansları ve mantık kesintileri, elektrik ve ısı dağılımının sınırlarını doğrultabilir ve hemen tüm elektriksel dağıtım yollarının uygulanması için gerekli olan temel bir tasarım kısıtlamaları haline gelebilir.

FPGA Power Teslimat Temelleri

Modern FPGA'lar, temel mantığı sağlamak için birden fazla gerilim ray gerektirir, I/O bankaları, transceivers ve yardımcı devreleri, gelişmiş düğümler için yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte 100 A’yi aşabilir (VCCAUX, VCCIO GT, MGTAVCC) talep eden yüksek çözünürlükte yüksek güç hacmine göre yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek hıza sahip olan yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek hıza sahiptir.

Stabil bir güç kaynağı, kullanılabilir olmayan bir durumdur.Dörtücük dalgalama ve geçici droop veri sayfası toleranslarının ötesinde, frekans bağımlı dürtüsel ihtiyaçlar için kurulum/kahramanlık gerektirir veya daha sonraki PDN tasarım kararlarına göre jitter sağlar. PDN, DC'den birkaç yüz megahertz'e kadar düşük bir engel tutmalıdır.

Robust Power Delivery Network

Yüksek kaliteli PDN, düşük bir yük devretme (VRM) ile FPGA'nın başına düşük bir yük devretme (VRM) ve en kötü durumdaki gerilim sapmasından elde edilir (345V) ve bu olumsuzluk, yüksek çözünürlükte 3,85 V temel raylı sistemle çalışır.

Gerilim Seçimi

Anahtarlama düzenleyicileri (buck dönüştürücüler) yüksek verimlilik nedeniyle yüksek akım raylar için tercih edilir, genellikle doğru tasarlanmış 90'dan fazla. Multifak kontrolörleri, her bir çıkış noktasının toplam gereksinimi ve sürekli tepkisini azaltır. 2-fay 12 V ila 0.85 V dönüştürücüler, alt geçiş aşamalarında 60 A'dan daha az miktarda artış sağlayabilir ve tüm güç aşamasına izin veren ölçekler tarafından belirlenir.

Düşük çözünürlük (LDO) lineer düzenleyiciler, PLLs ve transceiver VCCAUX trenleri gibi gürültüye duyarlı analog malzemeler için rezerve edilir ve geri çekilme işlemi kritiktir. Dijital PMBus özellikli düzenleyiciler, gerilim, mevcut ve sıcaklık dinamik güç yönetimi ve hata tahminini sağlar.

Decoupling Capacitor Strategies

Konseratörleri, düşük frekanslı enerji için yerel şarj depolama sağlar. / μF to 47 μF) orta dozlu (düşükücük) için uygun fiyatlı (mevcut) ile yüksek frekanslı üst düzeyli (mevcut) ile yüksek çözünürlükte bulunan bu yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan ve yüksek çözünürlükte bulunan bu türdeki yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan ve yüksek çözünürlükte bulunan bir yüksek çözünürlükte bulunan bir yüksek çözünürlükte bulunan ve yüksek çözünürlükte bulunan bir yüksek çözünürlükte bulunan bir kontrole sahip.

25 G-bps üzerinde çalışan yüksek hızlı transceivers için, düşük kapasiteliler doğrudan top ızgara serisinde (BGA) molası bölgesi, farklı FPGA aileleri için hedefin altında tutmaz. fiziksel yerleştirme önemlidir.0Xilinx Application Not XAPP623).

Güç Planları ve Layout

PCB'deki Katı Zemin ve güç uçakları, 100 MHz'in ötesindeki doğal uçak kapasitesi yaratır.SeksM'yi yere yerleştirmek için minimum ve kalın bakır dökmek ve tüm katmanlar boyunca güç uçak şarj etmek için, farklı gerilim rayları sağlamak için yeterli bir şekilde devre dışı bırakmak gerekir.

BGA molaları için Via yerleştirme doğrudan girişte etkiler: Birden çok paralel olarak, eşdeğer serileri indirmek ve yoğun dizilerdeki binlerce güç için kritik bir şekilde kesintiye uğratmaktadır.Her iz uzunluğu ve PDNance performansı ile en iyi bir düzen, PDN'in tüm yol boyunca FPGA'nın ölme şeklini tutar.

Power Integrity Analysis and ölçüm

Simülasyonun ötesinde, PDN ölçüm yoluyla geçerlidir. Teknikler, geçici gerilimleri yakalamak için bir vektör ağı analizörü (VNA) kullanarak, dinamik ayarlamalar için frekanslara karşı yönlendirmeyi ölçmek için bir vektör ağı analiz cihazı (VNA) kullanıyor ve yüksek bant genişliği oscilloskopları kullanarak yüksek performanslı analizleri kullanıyor.[Dönder]

FPGA Termal Yönetim Meydanları

Bir FPGA'nın kavim sıcaklığı (Tj) en yüksek puanı aşmamalıdır - en kısa sürede ticari sınıf cihazlar ve 125 °C endüstriyel ölçek için ısıtılır. Exceeding Tj hızları ve elektrik arızaları, yüksek ısıtımı (MT) üst düzeye kadar ısıtılırken, yüksek ısı ayarında ısınabilir.

Modern FPGA'lar genellikle bu parametreleri anlamak ve hava akışı, yönetim stratejisi için başlangıç noktasıdır.

Etkili Soğutma Teknikleri

FPGA soğutma, enerji bütçesi, çevresel kısıtlamalara dayanan ve maliyet hedeflerine dayanan egzotik sıvı sistemlere basit pasif çözümler yaymaktadır. Trade-offs, termal performans, akustik gürültü, güvenilirlik ve sistem hacmi içerir.

Heat Lavabos ile Pasif Soğutma

Yüksek çözünürlüklü yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek sıcaklık artışları ile ısı geçişi yapılır. - Tamb max) / P - ⁇ JC - ⁇ TIM - 55 °C Ortam ortamında Tj max = 100 °C ısı geçişi için gerekli olan ısı miktarın yaklaşık olarak %25'e kadar - 1 °C - 1 °C - 1 °C - 1 °C - 1 °C - 1 °C - 1 °C'ye kadar - 1 °C'ye kadar - 1 °C'ye kadar - 1 °C'ye kadar - 1 °C'ye kadar - 1 °C'ye kadar)

Fans ile Zorlanmış Hava Soğutma

Fanlar veya darbeciler, FPGA veya özel bir yönetim kontrol cihazının üzerinden hava akışının ısı geçişi için bir ısı batmasını isteyebilirler.

Rafee edilen ekipman, dikkatli bir şekilde, ön ısıtılmış havayı FPGA'lara yeniden dikmekten ön ısıtmayı önler ve soğutma verimliliğini azaltır. Sinusoidal fan kontrolü ve paralel fan operasyonu görev-kritik sistemlerde güvenilirliğini artırır.

Gelişmiş Sıvı Soğutma Çözümleri

Yüksek performanslı FPGA'lar 150 W'den fazla kesintiye uğratılır, sıvı soğutma gereklidir. Mikro kanal soğuk plakalar doğrudan FPGA ısı yayıcısı altında ısıtılabilir 0.05 °C/W, herhangi bir hava soğutma çözümünden çok daha düşük - tüm FPGA ısıtılır (CDUs) ısıtılır.

Termal Tasarım ve Simülasyon

Modern termal tasarım, ansiklopedik dinamikleri (CFD) simülasyonları ile Ansys Buzpak, Siemens Flotherm veya SimScale. Mühendisler PCB, bileşenler, ısı parçaları ve FPGA BGA'nın altında yerleştirilen ısı geçişi yollarını kullanarak, sabit bir ısı yayılabilir, daha düşük bir betonla ısı geçişi sağlar.

Sıcaklık simülasyonları, güç haritalarını ortalama sıcaklık olarak hesaplamamalıdır: FPGA ölüleri kullanarak yerelleştirilmiş noktaları, Xilinx Power Design Manager veya Intel Power Play'den elde edilen yüksek çözünürlükte bulunur.Neglecting these locationss lead to appear enough in mean temperature but fail under real workloads. Using satıcılar-provided power map (e.g.g.

Termal Performans için Doğru FPGA paketini seçin

Paket seçimi termal yönetimi önemli ölçüde etkiler. Flip-chip BGA paketleri maruz kalan ısı yayıcıları ile daha düşük ⁇ JC'yi telsiz seçeneklerden daha düşük teklif eder. Entegre ısı lavaboları veya ısı yayıcıları ile dış soğutma ihtiyacı azaltır.En yüksek güç kesintileri için, beklenen güç dağılımı için paketler düşünün.

BoardLevel Thermal Management

Mekanik soğutma ek olarak, PCB'nin kendisi bir rol oynar. kalın bakır tabakaları (2 oz veya 3 oz) güç ve zemin uçaklardaki ısıyı daha sonra FPGA. Isı üzerinden bir bakır madeninde (üçlü bakır telleri veya alt üst kesim ısı parçalarının altında) ısıtılır.

Dinamik Güç Yönetimi ve Adaptif Kontrol

FPGA'lar genellikle önceden tanımlanmış bir limite yaklaşırken, test için operasyona izin veren ADC kanallarına dahil edilir. Bazı FPGA tabanlı hızlandırıcı kartları iş yük yerleştirmeleri aynı anda yüksek çözünürlüklü bölgeleri aktive etmekten kaçınır, sürekli olarak enerji yönetimine karşı ısıtılır. Gelişmiş güç yönetimi, test için kesintiye uğratılır, gerilim marjına izin verir.

Gerçek zamanlı termal izleme ve adaptif kontrol ile doğru PDN tasarımı birleştiren bütün bir yaklaşım, tüm kullanım vakalarında performans maksimize ederken uzun vadeli güvenilirlik sağlar.

Vaka Çalışması: Bir Veri Merkezinde Yüksek Performans FPGA

En üst düzey bir FPGA hızlandırıcı kartı AI inference için göz atın, 1U sunucusunda 45 °C ortamının iç sıcaklığı ile 15 °C'lik bir ağ geçidi, 100 A'de 0.85 V gerektirir, ±20 mV. PDN, 4'ün altına bir 6-fazlı bir sabitleme sistemi ile sabitlenebilir ve μm'nin altında 10 × 22 μF MLM çıkışında 0.85 V gerektirir.

Sıcaklık çözümü, bakır fins ile buharlı bir temel ısıyı kullanır, iki 80 mm ile şarj edilen fanlar 500 LFM'yi tutar ve sıcaklık 0.1 °C / W termal direnç sağlar. CFD simülasyonu Tj = 89 °C sürekli olarak tam yük, güvenilir veri merkezi için gerekli olan yüksek çözünürlük ve soğutma mühendisliğini artırır.

FPGA Power ve Termal Tasarımdaki Ortak Pitfalls

  • [FONT:0) Geçici mevcut gereklilikleri en iyi şekilde ifade etmek[Dönemli:0)[Dönerge:0) Sürekli mevcut gereksinimlerin ([Dönersel güç kullanarak, yetersiz dekoupling ve aşırı gerilim droop'a yol açar. Her zaman en kötü durumda dI/dt gerçek iş yük kalıplarına dayanarak.
  • [FONT:0) PDN'i görmezden gelmek, [Döneticileri [[Döntme 1: 1) – Anti-resonance'ı simüle etmeye başarısız olmak, belirli bir frekansta yüksek bir engele neden olabilir, dalgalanmaya ve jitter kullanmaya yol açabilir.
  • [FONT=0)Poor termal yerleştirme yoluyla - Vias çok uzakta ölülerden veya iç uçaklara ısı iletimini azalttı.
  • [FONT:0] Hava akışı recirculation[Dönlendirme: 1 ) – Bir karttan egzoz, başka bir kartın kapatılmasını ısıtabilir ve sistem düzeyindeki CFD simülasyonu göz önünde bulundurun.
  • [FONT:0) Görünüşe göre TIM bozulması[[DÜT:1) - Termal yağ, ısı döngüsü boyunca pompalanabilir. Yüksek çözünürlükte betonlu ortamlardaki betonları veya boşluk pedleri kullanın.

Future Yol Tarifi

Intel'in EMIB ve Xilinx'in çöpe monte edilen silikon kondüktörleri, güç alanlarını yeni yüksek çözünürlüklere itiyor ve birçok kişi, yüksek çözünürlükte bir kontrol ve yerelleştirilmiş mikro-piretim hizmetleriyle, doğrudan yüklemeye ve geçici olarak şarj edilen iki fazlına bağlı olarak, yüksek çözünürlükte yer alan iki değişkenli yüksek çözünürlükte değişkenli yüksek çözünürlükte bir şekilde ayarlanıyor.

AI ve FPGC iş yükleri FPGA'yı yeni sınırlara itiyor. Gelişen GaN güç cihazları, 10 W/m·K'nın üzerindeki davranışları ile gelişmiş TIM'ler ve AI odaklı termal yönetim algoritmaları, dijital tasarım ile güç ve termal mühendisliğin entegrasyonu artık opsiyonel değil - temel bir disiplindir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Güvenilir FPGA operasyonu, tüm işletim koşulları altında, tüm işletim koşulları altında, ısıtıcı bir tasarıma sahip olan ısıtıcı bir sistemle birlikte, sabit bir PDN tasarım ilkelerine bağlı olarak, iyi yapılandırılmış bir denetim mekanizmasına sahip olan, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek