消費電力解析および最適化

Vivado Design Suite
ユーザー ガ イ ド
消費電力解析および最適化
UG907 (v2016.2) 2016 年 6 月 8 日
本資料は表記のバージョンの英語版を翻訳したもので、内容に相違が生じる場合には原文を優先します。資
料によっては英語版の更新に対応していないものがあります。日本語版は参考用としてご使用の上、最新情
報につきましては、必ず最新英語版をご参照ください。
改訂履歴
次の表に、 こ の文書の改訂履歴を示 し ます。
日付
バージ ョ ン
2016 年 6 月 8 日
2016.2
改訂内容
第 1 章 「FPGA の消費電力」 で ス タ テ ィ ッ ク 確率に関す る 情報を ア ッ プデー ト
第 4 章 「Vivado Design Suite での消費電力解析お よ び最適化」 に 「制御信号のア ク テ ィ ビ
テ ィ の調整」 を追加
第 6 章 「消費電力削減のための ヒ ン ト お よ び手法」 に 「消費電力お よ び温度の計測」 を
追加
2016 年 4 月 6 日
2016.1
第 2 章 「消費電力の見積 も り : 初期評価段階」 に [UltraRAM Power] シー ト に関す る 情報
を追加
第 4 章 「Vivado Design Suite での消費電力解析お よ び最適化」 に 「消費電力レ ポー ト の保
存 と 復元」 を追加
第 4 章 「Vivado Design Suite での消費電力解析お よ び最適化」 に 「消費電力制約ア ド バ イ
ザー」 を追加
第 4 章 「Vivado Design Suite での消費電力解析お よ び最適化」 に、 デザ イ ンの異な る ブ
ロ ッ ク に複数の SAIF フ ァ イ ルを読み込む こ と が可能であ る こ と を記述
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目次
改訂履歴 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
第 1 章 : FPGA の消費電力
概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
消費電力の用語 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
FPGA の電源 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
FPGA の消費電力 と 全般的な設計プ ロ セ ス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
ザ イ リ ン ク ス消費電力見積 も り /解析/最適化ツール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
第 2 章 : 消費電力の見積も り : 初期評価段階
概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Xilinx Power Estimator を使用 し た正確な ワ ース ト ケース消費電力を見積 も る ための 7 つの手順 . . . . . . . . . . . . . 13
第 3 章 : 消費電力の見積も り : Vivado Design Suite でのデザイ ン フ ロー段階
概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
消費電力見積 も り . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Vivado IDE での消費電力の見積 も り . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析および最適化
概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Vivado IDE での消費電力解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
消費電力最適化の機能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
第 5 章 : Vivado 消費電力レポー ト を使用 し た正確な消費電力解析
概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
第 6 章 : 消費電力削減のための ヒ ン ト および手法
概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
シ ス テ ム レベルの消費電力削減 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
消費電力お よ び温度の計測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
デザ イ ン レベルの消費電力削減 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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付録 A : その他のソ ースおよび法的通知
ザ イ リ ン ク ス リ ソ ース . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ソ リ ュ ーシ ョ ン セ ン タ ー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
参考資料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ト レーニ ン グ リ ソ ース . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
法的通知 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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第 1章
FPGA の消費電力
概要
こ の章では、 ボー ド に搭載 さ れた FPGA の消費電力の説明で使用 さ れ る 用語を説明 し ます。 シ ス テ ム開発におけ る
FPGA の開発について も 説明 し 、 設計フ ロ ーの各段階で ど の よ う な操作が実行 さ れ る かを示 し ます。 ま た、 消費電力
の見積 も り 、 解析、 お よ び最適化に使用 さ れ る ザ イ リ ン ク ス ツールについて も 説明 し ます。
ビデオ : Vivado で消費電力を見積 も る 方法 と 最 も 正確な見積 も り を取得す る ためのベス ト プ ラ ク テ ィ ス は、 Vivado
Design Suite QuickTake ビデオ : Vivado での消費電力の見積 も り と 解析を参照 し て く だ さ い。
ビデオ : FPGA の消費電力に影響す る 要因お よ び Vivado でデザ イ ンの消費電力を最小限に抑え る 方法について、
Vivado の消費電力最適化を最大限に利用する ア ド バン ス制御、 ベス ト プ ラ ク テ ィ ス については、 Vivado Design Suite
QuickTake ビデオ : Vivado を使用 し た消費電力最適化を参照 し て く だ さ い。
消費電力の用語
こ のガ イ ド では、 次の用語が使用 さ れてい ます。
デバイ スのス タ テ ィ ッ ク消費電力
接続 さ れてい る すべての電源レールの ト ラ ン ジ ス タ の リ ー ク 電流、 お よ び コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン後に FPGA が正
常に動作す る ために必要な回路か ら の消費電力。 こ れは、 通常空の ビ ッ ト ス ト リ ーム をデバ イ ス にプ ロ グ ラ ムする
と 計測で き ます。 プ ロ セ ス、 電圧、 お よ び温度の関数で求め ら れ、 デバ イ ス の安定 し た状態での寄生 リ ー ク 電流を
表 し ます。
デザイ ンの消費電力
入力デー タ のパ タ ーンお よ びデザ イ ンの内部動作に よ り 発生す る ユーザー デザ イ ンのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力。 瞬間
的な も のであ り 、 各 ク ロ ッ ク サ イ ク ルで異な り ます。 電圧レベル、 使用 さ れ る ロ ジ ッ ク リ ソ ースお よ び配線 リ ソ ー
ス に よ っ て異な り ます。 こ れには、 I/O 終端、 ク ロ ッ ク マネージ ャ ー、 お よ び使用時に電力を必要 と す る その他の回
路か ら の ス タ テ ィ ッ ク 電流が含まれます。 オ フチ ッ プ デバ イ ス に供給 さ れ る 電力は含まれません。
オ ン チ ッ プの総消費電力
FPGA 内の消費電力の合計で、 デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力 と デザ イ ンの消費電力を加算 し た も のです。 熱消費
電力 と も 呼ばれます。
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第 1 章 : FPGA の消費電力
オ フ チ ッ プ消費電力
電源か ら FPGA の電源ピ ン を介 し て I/O か ら 供給 さ れ、 外部ボー ド コ ン ポーネ ン ト で消費 さ れ る 電流。 FPGA か ら 供
給 さ れ る 電流は、 通常 I/O 終端、 LED、 ほかのチ ッ プの I/O バ ッ フ ァ ーな ど のオ フチ ッ プ コ ン ポーネ ン ト で消費 さ れ
る ので、 デバ イ ス のジ ャ ン ク シ ョ ン温度は上昇 さ せません。
パワーオ ン電流
FPGA に最初に電源を投入 し た と き に発生する 過渡電流。 各電圧電源、 FPGA の構造、 電源が公称電圧ま で上昇す る
能力に よ っ て異な り ます。 こ の電流は、 温度、 電源の投入順な ど のデバ イ ス の動作条件に よ っ て も 異な り ます。
アーキ テ ク チ ャ の向上や、 適切な電源投入順に よ り 、 パ ワーオン電流は動作電流 よ り も 通常小 さ く な り ます。
ジ ャ ン ク シ ョ ン温度 (°C)
動作中のデバ イ ス の温度。 通常デバ イ ス を選択す る 際は、 温度グ レー ド を選択 し ます。 こ の温度グ レー ド は、 デバ
イ ス が仕様どお り 正常に動作す る 温度範囲を定義 し ます。 動作条件がグ レー ド の最大温度を超え る と 、 絶対最大温
度未満であ っ て も 、 デバ イ ス の動作は保証 さ れません。 絶対最大温度を超え る と 、 デバ イ ス が破損する 可能性があ
り ます。
ジ ャ ン ク シ ョ ン温度 = 周囲温度 + オンチ ッ プ消費電力合計 *
周囲空気に対す る 熱抵抗 (ΘJA)
周囲温度 (°C)
シ ス テ ムの動作条件下におけ る デバ イ ス周囲の空気の温度。
周囲空気に対する熱抵抗 (Θ JA (°C/W))
Theta-JA お よ び TJA と も 呼ばれ、FPGA シ リ コ ンか ら 周囲の環境 (デバ イ ス ジ ャ ン ク シ ョ ンか ら 周囲空気) に消費電
力が ど の よ う に放散 さ れ る か を定義す る 係数です。 シ リ コ ン チ ッ プの寸法か ら 周囲空気ま でのすべての要素、 お よ
びそれ ら の間にあ る パ ッ ケージ、 PCB、 ヒ ー ト シ ン ク 、 エア フ ロ ーな ど が影響 し ます。 こ れは通常、 発生 し た熱が
環境に放散 さ れ る 次の 2 つの主なパ ス か ら の熱抵抗 と 相互依存性を組み合わせた も のです。
•
ダ イ か ら 上方の空気へ (ジ ャ ン ク シ ョ ンか ら 周囲空気、 ΘJA)
•
ダ イ か ら ボー ド を介 し て下方の空気へ (ジ ャ ン ク シ ョ ンか ら ボー ド 、 ΘJB)
ザ イ リ ン ク ス デバ イ ス パ ッ ケージの温度データ は、 パ ッ ケージ温度データ ク エ リ ツールを使用する と 取得で き ます。
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第 1 章 : FPGA の消費電力
図 1-1 に、 温度デー タ ク エ リ の結果例を示 し ます。
X-Ref Target - Figure 1-1
図 1-1 : 温度デー タ ク エ リ の結果例
熱抵抗の詳細は、 『7 シ リ ーズ FPGA パ ッ ケージお よ びピ ン配置ガ イ ド 』 (UG475) [参照 7] お よ び 『UltraScale お よ び
UltraScale+ FPGA パ ッ ケージお よ びピ ン配置ユーザー ガ イ ド 』 (UG575) [参照 8] を参照 し て く だ さ い。
デバイ ス特性
Advance
デバ イ ス のデー タ モデルが早期プ ロ ダ ク シ ョ ン デバ イ ス ロ ッ ト か ら のシ ミ ュ レーシ ョ ン結果ま たは計測結果に基づ
いてい る こ と を示 し ます。 こ のデー タ は通常、 製品 リ リ ース か ら 1 年以内に入手可能 と な り ます。 消費電力モデル
デー タ は比較的安定 し てお り 、 余裕を持たせた設定ですが、 実際の値は上下す る 可能性があ り ます。 こ の仕様の
デー タ は、 Preliminary や Production 仕様のデー タ ほ ど正確ではあ り ません。
Preliminary
デバ イ ス のデー タ モデルがエン ジニア リ ン グ サンプル シ リ コ ンの特性評価デー タ に基づいてい る こ と を示 し ます。
こ の仕様では、 デバ イ ス フ ァ ブ リ ッ ク 内にあ る ほぼすべてのブ ロ ッ ク が特性評価 さ れてい ます。 Advance 仕様 と 比
較す る と 、 消費電力値の精度は高 く な り ます。
Production
特定のデバ イ ス フ ァ ミ リ の十分な量産を経た上で特性評価が行われ、 多数の生産 ロ ッ ト を対象 と し た完全な電力相
互関係が確立 さ れた後に リ リ ース さ れた こ と を示 し ます。 こ の特性化デー タ のデバ イ ス モデルは、 通常変更 さ れま
せん。
信号レー ト
エ レ メ ン ト が秒ご と に ス テー ト を変更 (High か ら Low、 Low か ら High) する 回数。 ザ イ リ ン ク ス ツールでは、 秒ご と
の遷移数が百万単位で示 さ れます (Mtr/s)。 た と えば、 100MHz (10ns) に対 し て信号が 4 ク ロ ッ ク サ イ ク ルご と に遷移
す る 場合、 信号レー ト は 1/(4*10ns) = 25 Mtr/s にな り ます。
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第 1 章 : FPGA の消費電力
ト グル レー ト
ト グル レー ト は、 同期 ロ ジ ッ ク エ レ メ ン ト の出力がその入力に対 し て切 り 替わ る レー ト (%) を示 し 、 0 ～ 100% の範
囲で表 さ れます。 ト グル レー ト が 100% の場合、 出力は各 ク ロ ッ ク サ イ ク ルご と に平均 1 回 ト グル し ます。 た と え
ば、 任意の周波数の ク ロ ッ ク に対 し て信号が 4 ク ロ ッ ク サ イ ク ルご と に遷移する 場合、 ト グル レー ト は (1/4)*100 =
25% です。
重要 : ク ロ ッ ク ネ ッ ト の ト グル レー ト は常に 200% なので、 ネ ッ ト は 1 サ イ ク ルで 2 回 ト グル し ます。
ヒ ン ト : 理想的には、 同期ネ ッ ト (DDR ネ ッ ト 以外) は ク ロ ッ ク ご と に変化す る ので、 最大 ト グル レー ト は 100% で
す。 同期ネ ッ ト がグ リ ッ チの影響を受けやすい場合は、 [Signal Rate] を使用 し て ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を指定
し ます。
ク ロ ッ ク に同期 し ないネ ッ ト や ロ ジ ッ ク な ど の非同期エ レ メ ン ト では、 ト グル レー ト は算出 さ れません。 Vivado®
消費電力ツールでは、 こ れ ら の タ イ プのエ レ メ ン ト にシ ン グル レー ト が使用 さ れてい る と 想定 さ れます。
次は、 その例です。 デザ イ ンのプ ラ イ マ リ 入力はデフ ォ ル ト では特定の ク ロ ッ ク に関連付け ら れません。
set_input_delay 制約を使用 し て、 ク ロ ッ ク と プ ラ イ マ リ 入力を関連付けて く だ さ い。 ク ロ ッ ク を関連付けない
場合、 消費電力ツールでデス テ ィ ネーシ ョ ン ク ロ ッ ク かデザ イ ン内で一番速い ク ロ ッ ク のいずれかに対す る ト グル
レー ト が計算 さ れます。
ス タ テ ィ ッ ク確率
解析期間中にエ レ メ ン ト が High (1’b1) に駆動 さ れ る 期間の割合を定義 し ます。 有効な範囲は 0 ～ 1 です。 た と えば、
信号が 100ns 期間中 40ns ロ ジ ッ ク 1 にな る 場合、 ス タ テ ィ ッ ク 確率は 40/100 = 0.4 にな り ます。
ヒ ン ト : ス タ テ ィ ッ ク 確率が 1 の場合、 エ レ メ ン ト が解析期間中 ロ ジ ッ ク 1 に保持 さ れ、 ト グル し ない こ と を示 し ま
す ( ト グル/信号レー ト = 1)。
ス タ テ ィ ッ ク 確率が 0 の場合、 エ レ メ ン ト が解析期間中 ロ ジ ッ ク 0 に保持 さ れ、 ト グル し ない こ と を示 し ます ( ト グ
ル/信号レー ト = 1)。
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第 1 章 : FPGA の消費電力
FPGA の電源
FPGA には、 複数の電源が必要です。 個別の電源か ら 、 異な る FPGA リ ソ ース に必要な電力が供給 さ れます。 こ れに
よ り 、 異な る 電圧レベルで さ ま ざ ま な リ ソ ース を動作 さ せ る こ と がで き る ので、 ノ イ ズや寄生効果に対 し て高い耐
性を保ちなが ら 、 パフ ォーマ ン スお よ び信号強度を向上で き ます。
表 1-1 に、 各種電源お よ びその電源が供給 さ れ る ザ イ リ ン ク ス FPGA 内の ロ ジ ッ ク リ ソ ース を示 し ます。 こ れ ら の
詳細は、 ザ イ リ ン ク ス デバ イ ス フ ァ ミ リ に よ っ て異な る 場合があ る ので、 こ の表はガ イ ド ラ イ ン と し てのみ示 し て
い ます。
表 1-1 : FPGA リ ソ ース と その電源
電源
VCCINT
電源が供給 さ れる リ ソ ース
• すべての CLB リ ソ ース
• すべての配線 リ ソ ース
VCCBRAM(3)
• すべての ク ロ ッ ク バ ッ フ ァ ーを含む ク ロ ッ ク ツ リ ー全体
• ブ ロ ッ ク RAM/FIFO
• DSP ス ラ イ ス
• すべての入力バ ッ フ ァ ー
• IOB に含まれ る ロ ジ ッ ク エ レ メ ン ト (ILOGIC/OLOGIC)
• ISERDES/OSERDES
• PowerPC™ プ ロ セ ッ サ(1)
• ト ラ イ ス テー ト イ ーサネ ッ ト MAC(1)
• ク ロ ッ ク マネージ ャ ー (MMCM、 PLL な ど)(1)
• PCIE お よ びシ リ アル ト ラ ン シーバーの PCS 部分
VCCO(2)
• すべての出力バ ッ フ ァ ー
• 一部の入力バ ッ フ ァ ー
• 入力終端
• DCI への基準抵抗
VCCAUX
• ク ロ ッ ク マネージ ャ ー (MMCM、 PLL な ど)(1)
• IODELAY/IDELAYCTRL
VCCAUX_IO(4)
• すべての出力バ ッ フ ァ ー
• 差動入力バ ッ フ ァ ー
• VREF ベース のシ ン グルエン ド I/O 規格 (HSTL18_I な ど)
• 位相器(1)
VMGTAVCC
VMGTAVTT
• ト ラ ン シーバー回路用のアナ ロ グ電源電圧 :
°
PLL ト ラ ン ス ミ ッ タ ー、 レ シーバー
°
終端回路
°
補助のアナ ロ グ QPLL 電源電圧
VMGTVCCAUX
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第 1 章 : FPGA の消費電力
表 1-1 : FPGA リ ソ ース と その電源 (続き)
電源
VCCPINT
VCCPAUX
VCCPLL
VCCO_DDR
電源が供給 さ れる リ ソ ース
• Zynq®-7000 AP SoC:
°
プロセッサ
メモリ
I/O
°
° ペ リ フ ェ ラル
°
°
AXI イ ン タ ーフ ェ イ ス
VCCO_MIO
VCC_PSINTFP
VCC_PSINTLP
VCC_PSAUX
VCCPSINTFP_DDR
• Zynq-UltraScale+ MPSoC
°
プロセッサ
メモリ
I/O
°
° ペ リ フ ェ ラル
°
VCC_PSPLL
VPS_MGTRAVCC
VPS_MGTRAVTT
VCCO_PSDDR
VCCO_PSDDR_PLL
VCCO_PSIO
注記 :
1. 一部のデバ イ ス フ ァ ミ リ のみに含ま れます。 詳細は、 該当す る デー タ シー ト お よ びユーザー ガ イ ド を参照 し て く だ さ い。
2. バン ク 0 の VCCO (VCCO_0 ま たは V0CCO_CONFIG) は、 バン ク 0 に含ま れ る すべての I/O と コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン回路に電源を
供給 し ます。 詳細は、 該当す る コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン ユーザー ガ イ ド を参照 し て く だ さ い。
3. ザ イ リ ン ク ス 7 シ リ ーズのブ ロ ッ ク RAM/FIFO のみ
4. ザ イ リ ン ク ス 7 シ リ ーズ HP (High Performance) バン ク のみ
FPGA の消費電力 と 全般的な設計プ ロ セス
プ ロ ジ ェ ク ト 考案か ら 完成ま で、 消費電力に影響す る さ ま ざ ま な側面を考慮す る 必要があ り ます。 ほかのすべての
制約 (機能、 パフ ォーマ ン ス、 コ ス ト 、 お よ び タ イ ム ト ゥ マーケ ッ ト ) を一時的に除外す る と 、 消費電力に関連す る
タ ス ク は次の 2 つに分類で き ます。
•
物理的
エン ク ロ ージ ャ 、 ボー ド の形状、 電源、 電源分配ネ ッ ト ワー ク (PDN)、 熱に よ る 消費電力の散逸構造
•
論理的
エ リ ア、 パフ ォーマ ン ス、 I/O イ ン タ ーフ ェ イ ス のシ グナル イ ン テ グ リ テ ィ
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第 1 章 : FPGA の消費電力
次の章で、 こ れ ら の 2 つの分野の依存関係を示 し ます。 前者はハー ド ウ ェ アの決定事項、 後者は主に FPGA の論理
デザ イ ンが関係す る と い う 点が異な り ます。 通常、 ハー ド ウ ェ アの選択お よ びサ イ ズ設定は、 プ ロ ト タ イ プ ボー ド
を構築で き る よ う 、 デザ イ ン フ ロ ーの初期段階で行い ます。 FPGA の機能の消費電力に対す る 影響は早期に見積 も
り 可能で、 デザ イ ン ロ ジ ッ ク が完成に近づ く につれ、 よ り 正確な値が得 ら れ る よ う にな り ます。 図 1-2 に典型的な
シ ス テ ムの設計プ ロ セ ス を示 し 、 消費電力に関連す る 判断箇所をハ イ ラ イ ト し ます。 こ の図では、 デバ イ ス と その
冷却パーツ を選択す る 時点では、 FPGA ロ ジ ッ ク が完成 し ていない こ と がわか り ます。 こ のため、 FPGA ロ ジ ッ ク の
消費電力要件を見積 も る 手法が必要です。 こ れ ら の手法については、 次で説明 し ます。
•
第 2 章 「消費電力の見積 も り : 初期評価段階」
•
第 3 章 「消費電力の見積 も り : Vivado Design Suite でのデザ イ ン フ ロ ー段階」
X-Ref Target - Figure 1-2
ኔኖኣኽⅤ㱧
ኣኌካዊንቑ指㔭
ವ኶ዐኝዙኤክኁኖቑ指㔭
ವ䑀榊┪ቑ━ቭ㇢቉
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図 1-2 : FPGA の設計プ ロ セスにおける消費電力
こ の後の章で、 設計プ ロ セ ス全体において消費電力を解析 し 、 削減す る 手法を示 し ます。
消費電力解析および最適化
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第 1 章 : FPGA の消費電力
ザイ リ ン ク ス消費電力見積も り /解析/最適化ツール
ザ イ リ ン ク ス では、 FPGA の温度要件お よ び電源要件をデザ イ ン サ イ ク ルを通 し て評価で き る ソ フ ト ウ ェ ア ツール
お よ び資料を提供 し てい ます。 図 1-3 に、 FPGA の各デザ イ ン サ イ ク ルで使用で き る ツールを示 し ます。 ツールに
は、 ス タ ン ド ア ロ ンの も の と イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン ツールに統合 さ れてい る も のがあ り 、 後者は設計プ ロ セ ス の
各段階で利用で き る 環境お よ び情報 と 一貫 し てい ます。 すべての ツールには通信チ ャ ネルがあ り 、 効率 よ く 解析で
き る よ う に情報を交換で き ます。
X-Ref Target - Figure 1-3
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図 1-3 : FPGA 設計プ ロ セスで使用可能な Vivado 消費電力見積も り /解析ツール
Xilinx Power Estimator (XPE)
Xilinx Power Estimator (XPE) は、 通常プ ロ ジ ェ ク ト の設計前 と イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン前の段階で使用 さ れ る ス プ
レ ッ ド シー ト 形式の消費電力見積 も り ツールです。 XPE はアーキ テ ク チ ャ の評価お よ びデバ イ ス の選択に利用で き 、
ま た アプ リ ケーシ ョ ンに適切な電源や温度管理 コ ン ポーネ ン ト の選択に役立ち ます。 XPE イ ン タ ーフ ェ イ ス (図 1-4)
では、 デザ イ ンの リ ソ ース使用量、 ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト 、 I/O 負荷な ど の さ ま ざ ま な要因を指定で き 、 こ れ ら をデ
バ イ ス モデル と 共に使用 し て電力分配が見積 も ら れます。
ま た、 デザ イ ン サ イ ク ル後半の イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ンお よ び消費電力を最適化する 段階で も 、 た と えば設計変更
指示 (ECO) の消費電力への影響を評価する 場合な ど に、 XPE が よ く 使用 さ れます。 複数のチームに よ り イ ンプ リ メ
ン ト さ れ る 大型デザ イ ンでは、 プ ロ ジ ェ ク ト リ ーダーが XPE を使用 し て各チームのモジ ュ ールの使用量お よ びア ク
テ ィ ビ テ ィ を イ ン ポー ト し て総消費電力を監視 し 、 制約が満た さ れ る よ う に消費電力の割 り 当て を変更で き ます。
Xilinx Power Estimator (XPE) の詳細は、 『Xilinx Power Estimator ユーザー ガ イ ド 』 (UG440) [参照 4] を参照し て く だ さ い。
Vivado 消費電力解析
Vivado 消費電力解析機能は、 合成後、 配置後、 配線後な ど、 フ ロ ーの さ ま ざ ま な段階で消費電力解析を実行 し ます。
配線後には、 イ ンプ リ メ ン ト 済みのデザ イ ンか ら の正確な ロ ジ ッ ク リ ソ ースお よ び配線 リ ソ ース情報が読み出 さ れ
る ので、 精度が最 も 高 く な り ます。 図 1-4 に、 消費電力レ ポー ト のサマ リ と 、 ク ロ ッ ク ド メ イ ン、 リ ソ ース の種類、
デザ イ ン階層な ど、 使用可能な さ ま ざ ま な ビ ュ ーを示 し ます。 Vivado 統合設計環境 (IDE) で環境設定やデザ イ ン ア
ク テ ィ ビ テ ィ を変更で き 、 デザ イ ンの電源お よ び熱消費電力を ど の よ う に減 ら すかを検討で き ます。 消費電力レ
ポー ト か ら デザ イ ンに ク ロ ス プ ロ ーブす る こ と も 可能で、 消費電力の大 き い階層や リ ソ ース を特定お よ び評価する
のに便利です。
Vivado Design Suite アーキ テ ク チ ャ のサポー ト については、 『Vivado Design Suite ユーザー ガ イ ド : リ リ ース ノ ー ト 、
イ ン ス ト ールお よ び ラ イ セ ン ス』 (UG973) [参照 1] を参照 し て く だ さ い。
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第 1 章 : FPGA の消費電力
X-Ref Target - Figure 1-4
図 1-4 : Vivado 消費電力解析
Vivado 消費電力最適化
Vivado デザ イ ン ツールでは、 さ ま ざ ま な消費電力の最適化が提供 さ れてお り 、 デザ イ ンのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力を
最大 30% 削減で き ます。 こ れ ら の最適化では、 ASIC の ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グ ま たは高度なシーケ ン シ ャ ル ク ロ ッ
ク ゲーテ ィ ン グ、 あ る いはその両方の手法を使用 し て、 デザ イ ンの機能に影響を与え る こ と な く ス イ ッ チン グ ア ク
テ ィ ビ テ ィ を最小限に抑え る こ と がで き ます。 消費電力最適化は、 デザ イ ン全体に適用する か、 選択 し た部分のみ
に適用で き ます。
Vivado では、 Vivado IDE ま たは Tcl コ マ ン ド を使用 し て消費電力最適化を実行で き ます。
X-Ref Target - Figure 1-5
図 1-5 : Vivado での消費電力最適化レポー ト
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第 2章
消費電力の見積も り : 初期評価段階
概要
こ の章では、 デザ イ ン サ イ ク ルの初期評価段階でデザ イ ンの消費電力を評価する 方法を説明 し ます。 こ の段階では、
Xilinx Power Estimator を使用 し ます。
初期評価段階が終了 し てい る 場合は、 デザ イ ン サ イ ク ルの後の段階でデザ イ ンの消費電力を評価す る 方法を説明す
る 次の章に進んで く だ さ い。 後の段階では、 消費電力見積 も り を自動的に簡単に実行で き る Vivado® Design Suite を
使用 し ます。
Xilinx Power Estimator を使用 し た正確なワース ト ケース
消費電力を見積 も る ための 7 つの手順
消費電力バジ ェ ッ ト
こ の段階では、 アプ リ ケーシ ョ ンに と っ て FPGA が最 も 効率の よ い技術であ る こ と が既に決定 さ れてい ます。 こ こ
では、 要求 さ れ る 機能、 パフ ォーマ ン ス、 コ ス ト 、 お よ び消費電力に合 う ベン ダー、 フ ァ ミ リ 、 お よ びパ ッ ケージ
を選択 し ます。 消費電力に関 し ては、 ロ ジ ッ ク が ま だ 1 つ も 開発 さ れていない状態でデバ イ ス の総消費電力を見積
も る 必要があ り ます。 総消費電力要件を理解 し てお く と 、 電力分配お よ び冷却仕様を定義する のに役立ち ます。
通常、 次について考慮 し ます。
•
電源はい く つ必要か
•
各電源で使用 さ れ る 電力はどれ く ら いか
•
吸収 さ れたエネルギーで どれ く ら いの熱が生成す る か
Xilinx Power Estimator を使用す る と 、 こ れ ら の質問に対する 答え を得る こ と がで き ます。 Xilinx Power Estimator は、
FPGA ロ ジ ッ ク と デバ イ ス がはんだ付け さ れ る プ リ ン ト 回路基板を同時に開発する のに役立ち ます。 こ れに よ り 、 必
要なマージ ン を理解 し 、 イ ンプ リ メ ン ト 後にシ ス テ ム を指定範囲内で動作 さ せる こ と がで き る よ う にな り ます。
図 2-1 に、 Xilinx Power Estimator の イ ン タ ーフ ェ イ ス を示 し ます。
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第 2 章 : 消費電力の見積も り : 初期評価段階
X-Ref Target - Figure 2-1
図 2-1 : Xilinx Power Estimator (XPE) の消費電力情報サマ リ
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第 2 章 : 消費電力の見積も り : 初期評価段階
Xilinx Power Estimator (XPE) での消費電力見積も り
FPGA デザ イ ンで正常に機能す る 信頼性の高いシ ス テ ム を作成する には、 消費電力使用お よ び冷却使用を適切に設定
す る 必要があ り ます。 ほ と ん ど の場合、 こ れ ら の温度仕様お よ び消費電力仕様は PCB 設計の前に設定する 必要があ
り ます。 FPGA は柔軟性が高いため、 シ ス テ ム デザ イ ン ま たは PCB 製造の前に FPGA デザ イ ンが完了 し ていないか
開始 し ていない こ と が よ く あ り ます。 FPGA デザ イ ンではビ ッ ト ス ト リ ーム、 ク ロ ッ キ ン グ、 お よ びデバ イ ス のデー
タ フ ロ ーに よ っ て温度特性お よ び電力特性が大き く 変化する ので、 こ れは課題 と な り ます。
電力ま たは温度シ ス テ ム を過小設計す る と 、 FPGA が仕様範囲外で動作する 結果 と な り 、 FPGA が目的のパフ ォーマ
ン ス で動作 し なか っ た り 、 重要な問題が発生す る 可能性があ り ます。 電力シ ス テ ム を過剰設計 し た場合、 通常問題
はそれほ ど深刻ではあ り ませんが、 不必要に コ ス ト が高 く な っ た り 、 全体的な FPGA デザ イ ンが よ り 複雑にな る こ
と があ り ます。 デザ イ ンが完了す る 前に消費電力を見積 も る のは簡単な こ と ではあ り ません。
次の手順では、 消費電力解析に焦点が置かれてい ます。 複数の消費電力の最適化を解析中に試 し た り 適用 し た り で
き 、 消費電力の大幅な削減につなが る こ と があ り ます。 消費電力最適化手法については、 次の章で説明 し ます。
手順 1 : タ ーゲ ッ ト デバイ ス用の最新版 Xilinx Power Estimator の入手
最新版の Xilinx Power Estimator (XPE) ツールを使用す る こ と が重要です。 消費電力情報は、 最新の消費電力モデルお
よ び特性評価デー タ に基づいて随時ア ッ プデー ト さ れます。
最新バージ ョ ンの XPE は、 ザ イ リ ン ク ス ウ ェ ブサ イ ト の XPE ダ ウ ン ロ ー ド ページか ら 入手で き ます。 設計プ ロ セ
ス中 こ の ウ ェ ブサ イ ト に と き ど き ア ク セ ス し て、 新 し いバージ ョ ンが入手可能であ る か ど う かを確認 し て く だ さ い
新 し いバージ ョ ンが入手可能な場合は、 新 し いバージ ョ ンの [Summary] シー ト で [Import File] ボ タ ン を ク リ ッ ク す る
と 、 以前のバージ ョ ンか ら デー タ を イ ン ポー ト で き ます。 Xilinx Power Estimator を最新の状態に し てお く こ と で、 消
費電力解析に常に最新の消費電力情報が使用 さ れ る よ う にな り ます。
手順 2 : [Summary] シー ト へのデバイ ス情報の入力
[Summary] シー ト の [Device] セ ク シ ョ ンの各フ ィ ール ド を適切に設定 し て く だ さ い。 各設定が、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電
力お よ び ク ロ ッ キ ン グ消費電力な ど の消費電力の算出に大 き く 影響 し ます (図 2-2)。
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第 2 章 : 消費電力の見積も り : 初期評価段階
X-Ref Target - Figure 2-2
図 2-2 : デバイ ス情報 - 7 シ リ ーズ デバイ スのサマ リ シー ト
[Device] セ ク シ ョ ンに次の情報を入力 し ます。
•
[Family] お よ び [Device] : 不適切な フ ァ ミ リ ま たはデバ イ ス を選択す る と 、 ク ロ ッ ク のデザ イ ン消費電力な ど、
デバ イ スお よ びデザ イ ンの消費電力見積 も り が不正な も の と な り ます。 ま た、 使用可能なデバ イ ス リ ソ ース も
不正にな り ます。
•
[Package] : パ ッ ケージの選択は、 デバ イ ス の放熱、 そ し て最終的なジ ャ ン ク シ ョ ン温度に影響 し ます。 ジ ャ ン ク
シ ョ ン温度が不正な場合、 デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力算出が不正にな り ます。
•
[Speed Grade] (指定可能な場合) : デザ イ ンの要件に最 も 適 し た ス ピー ド グ レー ド を選択 し ます。 一部の FPGA
フ ァ ミ リ では、 ス ピー ド グ レー ド に よ っ て消費電力仕様が異な り ます。
•
[Temp Grade] : デバ イ ス に適 し た温度グ レー ド を選択 し ます。 通常は [Commercial] ま たは [Industrial] です。 こ の
設定に よ り ス タ テ ィ ッ ク 消費電力仕様が異な る デバ イ ス も あ り ます。 こ れを適切に設定する こ と に よ り 、 選択
し たデバ イ ス に対 し て正 し いジ ャ ン ク シ ョ ン温度範囲が表示 さ れます。
•
[Process] : ワース ト ケース解析では、 [Maximum] に設定す る こ と をお勧め し ます。 デフ ォ ル ト 設定は [Typical]
で、 統計的な計測に基づ く よ り 正確な結果が得 ら れますが、 [Maximum] に変更する と 、 消費電力仕様が ワース
ト ケース の値に変更 さ れます。
•
[Voltage ID Used] : Voltage ID (VID) 電圧は、 FPGA がパフ ォーマ ン ス の仕様を満た し なが ら 動作可能な最小
VCCINT 電圧です。 こ の電圧は FPGA の製造時にテ ス ト さ れてお り 、 その値は FPGA の DNA (デバ イ ス識別子)
eFUSE レ ジ ス タ にプ ロ グ ラ ム さ れてい ます。 VID 機能をデザ イ ンで有効に し て FPGA を こ の VID 電圧で動作 さ
せ る と 、 公称電圧での動作時 と 比較 し て ス タ テ ィ ッ ク 消費電力を大幅に削減で き ます。
注記 : こ のオプシ ョ ンは、 Virtex®-7 で [Speed Grade] に [-1]、 [Temp Grade] に [Commercial]、 [Process] に
[Maximum] を指定 し た場合にのみ有効にな り ます。
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第 2 章 : 消費電力の見積も り : 初期評価段階
手順 3 : [Summary] シー ト への環境情報の入力
[Summary] シー ト の [Environment] セ ク シ ョ ンで適切な環境条件を設定 し ます (図 2-3)。
X-Ref Target - Figure 2-3
図 2-3 : [Summary] シー ト の環境情報
[Environment] セ ク シ ョ ンに次の情報を入力 し ます。
•
[Ambient Temp (°C)] : FPGA デザ イ ン を含むエン ク ロ ージ ャ 内で達する 可能性のあ る 最大温度を指定 し ます。 こ
の設定 と 、 エア フ ロ ーやその他の放熱経路 ( ヒ ー ト シ ン ク な ど) に よ り 、 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度が正確に算出 さ れ、
デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力が よ り 正確に算出 さ れます。
•
[Airflow (LFM)] : チ ッ プのエア フ ロ ーは、 LFM ( リ ニ ア フ ィ ー ト /分) で計測 さ れます。 LFM は、 CFM (立方
フ ィ ー ト /分) で表 さ れた フ ァ ンの出力を空気が通過す る 断面で除算 し て求め る こ と がで き ます。 FPGA ま たは
フ ァ ン (ま たはその両方) の具体的な配置は、 FPGA 上の空気の動 き 、 さ ら には放熱に影響する 可能性があ り ま
す。 こ のパ ラ メ ー タ ーのデフ ォ ル ト 値は 250LFM です。 エア フ ロ ーな し (静止空気中) で FPGA を動作 さ せる 場
合、 デフ ォ ル ト の 250LFM を 0LFM に変更する 必要があ り ます。
•
[Heat Sink] : ヒ ー ト シ ン ク を使用 し てお り 、 詳細な放熱情報がない場合は、 使用する ヒ ー ト シ ン ク の タ イ プに適
切なプ ロ フ ァ イ ルを選択 し ます。 こ のパ ラ メ ー タ ー と ほかのパ ラ メ ー タ ーを使用 し て、 有効 ΘJB が算出 さ れ、
よ り 正確なジ ャ ン ク シ ョ ン温度お よ び静止消費電力が算出 さ れます。 ソ ケ ッ ト の設計お よ び構造に よ っ て、
ヒ ー ト シ ン ク と し て機能す る も の も あ り ます。
•
[Board Selection] お よ び [# of Board Layers] : ボー ド のおお よ そのサ イ ズ と ス タ ッ ク を選択す る と 、 ボー ド 自体の
熱伝導性を考慮す る こ と に よ り 、 有効 ΘJB の算出に役立ち ます。
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第 2 章 : 消費電力の見積も り : 初期評価段階
•
[ΘJB] : ボー ド お よ びシ ス テ ムの よ り 正確な温度モデルが存在す る 場合は、 FPGA か ら の放熱量を指定する ため
に ΘJB (プ リ ン ト 回路基板 の熱抵抗) を使用す る 必要があ り ます。
よ り 正確な カ ス タ ム [ΘJB] を指定す る と 、 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度が よ り 正確に見積 も ら れ、 デバ イ ス の ス タ
テ ィ ッ ク 消費電力を よ り 正確に算出で き る よ う にな り ます。
重要 : カ ス タ ム [ΘJB] を指定す る には、 [Board Selection] を [Custom] に設定する 必要があ り ます。 カ ス タ ム [ΘJB] を
指定す る 場合は、 正確な消費電力を算出す る ため、 [Board Temperature] も 指定す る 必要があ り ます。
手順 4 : すべての電源に対 し てワース ト ケースの電源電圧を設定
デフ ォ ル ト では、 デバ イ ス の各電圧レールは公称値に設定 さ れます。 正確な消費電力見積 も り を得る ためには、
FPGA デバ イ ス での ワ ース ト ケース の値 (最大電圧値) を指定する 必要があ り ます。 こ れは通常、 各レールへの電源
お よ びレ ギ ュ レー タ の公称出力値 と 許容誤差を使用 し て算出 さ れます。 特に未調整の電源で IR (電圧) が大 き く 低下
す る 可能性があ る 場合は、 電圧降下を最大電圧の計算に含め る 必要があ り ます。
一部の VCCO ま たは MGT 電源を使用 し ない場合は、 こ れ ら の電源の値はデフ ォ ル ト の ま ま に し て く だ さ い (図 2-4)。
X-Ref Target - Figure 2-4
図 2-4 : [Summary] シー ト の電源情報
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第 2 章 : 消費電力の見積も り : 初期評価段階
手順 5 : ク ロ ッ ク および リ ソ ース情報の入力
デザ イ ン を Vivado ツールで既に実行 し てい る 場合や、 デザ イ ンの前 リ ビ ジ ョ ンがあ り 解析の開始点 と し て使用で き
る 場合は、 デザ イ ンの XPower エ ク ス ポー ト フ ァ イ ル (.xpe) を XPE に イ ン ポー ト し て リ ソ ース情報を入力で き ます。
こ れには、 [Summary] シー ト で [Import File] ボ タ ン を ク リ ッ ク し ます。 Vivado XPE イ ン ポー ト フ ァ イ ルを読み込んだ
場合で も 、 デー タ が正 し い こ と を確認 し て く だ さ い。 イ ン ポー ト し た情報は、 完全な情報ではな く 、 情報を入力す
る ための開始点 と 考え て く だ さ い。 各 リ ソ ース の タ ブを確認 し て、 デザ イ ンで使用 さ れ る リ ソ ース を入力 し て く だ
さ い。
注記 : XPE では、 消費電力値が入力 さ れたセルは小数点 3 桁の値 (例 : 0.000) で表示 さ れます。 3 桁で丸め ら れ る の
は、 Microsoft Excel の動作に基づいてい ます。 1mW 未満の値は 0.000W と 表示 さ れます。 セルを コ ピー し て [User]
シー ト に貼 り 付け る と 、 桁が調整 さ れた実際の値を確認で き ます。
•
ク ロ ッ ク ツ リ ーの消費電力 ([Clock Tree Power])
[Clock] シー ト では、 ク ロ ッ ク 、 周波数 ([Frequency])、 使用 さ れ る ク ロ ッ ク リ ソ ース を入力 し ます
(図 2-5)。 使用 さ れ る ク ロ ッ ク リ ソ ース が不明な場合は、 [Type] をデフ ォ ル ト の [Global] の ま ま に し て く だ さ い。
こ の時点では、 フ ァ ン ア ウ ト ([Fanout]) を気にする 必要はあ り ません。 フ ァ ン ア ウ ト については、 手順 6 で説明
し ます。 [Clock Buffer Enable] は [100%]、 [Slice Clock Enable] は [50%] のデフ ォ ル ト 値の ま ま に し ます。
X-Ref Target - Figure 2-5
図 2-5 : [Clock] シー ト
•
ロ ジ ッ ク の消費電力 ([Logic Power])
[Logic] シー ト では、 使用 さ れ る ス ラ イ ス リ ソ ース の見積 も り (数) を入力 し ます (図 2-6)。 [LUTs as] 列には、 演
算ま たは ロ ジ ッ ク に使用 さ れ る LUT 数 ([Logic])、 SRL と し て コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン さ れ る LUT 数 ([Shift
Registers])、 メ モ リ と し て コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン さ れ る LUT 数 (Distributed RAMs]) を入力 し ます。 [Registers]
列には、 デザ イ ンに コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン さ れ る レ ジ ス タ ま たは ラ ッ チの数を入力 し ます。 異な る ロ ジ ッ ク
フ ァ ン ク シ ョ ン ま たは特性 ( ク ロ ッ ク ス ピー ド 、 ト グル レー ト な ど) に個別の行を使用 し て く だ さ い。
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第 2 章 : 消費電力の見積も り : 初期評価段階
X-Ref Target - Figure 2-6
図 2-6 : [Logic] シー ト
FPGA 設計の初期段階では こ れ ら の リ ソ ース の正確な数を入手する こ と は困難なので概算値を使用 し 、 設計プ ロ
セ ス の進行に応 じ て値を更新 し て よ り 正確な見積 も り 値が得 ら れ る よ う に し ます。
ヒ ン ト : ク ロ ッ ク 周波数情報を入力す る 際は、 Excel のセルを関連付け る 機能を使用 し 、 [Clock] シー ト に入力 さ れて
い る セル と 関連付け ます。 こ れには、 [Logic] シー ト で [Clock (MHz)] セルを選択 し 、 「=」 と 入力 し て、 その ロ ジ ッ ク
の ク ロ ッ ク ソ ース に関連す る セルを [Clock] シー ト で選択 し ます。 こ れで、 そのセルに [Clock] シー ト の値が自動的
に入力 さ れ る よ う にな り ます。 こ の よ う にす る と 、 仕様の変更や消費電力 と 周波数の ト レー ド オ フ を調べる 際な ど、
ク ロ ッ ク 周波数を変更す る 必要があ る 場合に、 値を 1 箇所で変更す る だけですみます。 ま た、 デー タ の入力 ミ ス も
避け る こ と がで き ます。
•
I/O の消費電力 ([I/O Power])
[IO] シー ト を入力す る と 、 チ ッ プのすべての レールの全体的な見積 も り 値が正確な も の と な り ます (図 2-7)。 選
択 し た I/O 規格お よ び I/O 回路に よ っ て、 VCCO レールだけでな く 、 VCCINT お よ び VCCAUX レールで も 多量の電
力が消費 さ れ る 可能性があ り ます。 多 く の場合、 各デバ イ ス イ ン タ ーフ ェ イ ス を個別に入力 し 、 ま た イ ン タ ー
フ ェ イ ス信号をデー タ 、 制御、 ク ロ ッ ク 信号に分割す る のが最 も 簡潔です。 こ の よ う にする と 、 異な る I/O 規
格、 ロ ー ド や ト グル レー ト な ど のその他の I/O 特性を指定 し やす く な り ます。
推奨 : XPE で [Add Memory Interface] を ク リ ッ ク し 、 [XPE Memory Interface Configuration] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス を使用
す る と 、 複雑な メ モ リ イ ン タ ーフ ェ イ ス に関連する I/O を簡単に追加で き ます。
消費電力解析および最適化
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第 2 章 : 消費電力の見積も り : 初期評価段階
X-Ref Target - Figure 2-7
図 2-7 : [IO] シー ト
I/O の電流の算出では、 標準ボー ド ト レースお よ び終端が適用 さ れてい る と 想定 し た消費電力見積 も り が使用 さ
れます。
ヒ ン ト : 差動 I/O を使用 し てい る 場合、 各入力お よ び出力はペア と し て指定す る 必要があ り ます。 ス プ レ ッ ド シー ト
の 2 つの入力を指定 し て 1 つの差動入力を表す こ と は し ないで く だ さ い。
DDR 規格な ど の複雑な規格のデー タ を入力す る には、 [XPE Memory Interface Configuration] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス
を使用す る と 簡単です (図 2-8)。 こ のダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス で関連す る オプシ ョ ン を入力する と 、 [IO] シー ト の該
当す る 行に情報が入力 さ れます。
X-Ref Target - Figure 2-8
図 2-8 : [IO] シー ト の [XPE Memory Interface Configuration] ダ イ ア ログ ボ ッ ク ス
消費電力解析および最適化
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第 2 章 : 消費電力の見積も り : 初期評価段階
•
ブ ロ ッ ク RAM の消費電力 ([Block RAM Power])
[BRAM] シー ト (図 2-9) では、 デザ イ ンで使用する ブ ロ ッ ク RAM (BRAM) の数 と 設定を入力 し ます。 [Enable
Rate] を ENA ま たは ENB ポー ト が イ ネーブルであ る 時間の割合に変更 し て く だ さ い。 RAM が イ ネーブルの時間
はダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力に直接比例す る ので、 ブ ロ ッ ク RAM の消費電力を正 し く 見積 も る には、 こ のパ ラ メ ー
タ ーに適切な値を入力す る こ と が重要です。
BRAM の [Mode] の設定が消費電力見積 も り に ど の よ う に影響す る かについては、 『Xilinx Power Estimator ユー
ザー ガ イ ド 』 (UG440) [参照 4] の 「Setting BRAM Mode for Improved Accuracy」 (BRAM モー ド の設定に よ る 精度の
向上) を参照 し て く だ さ い。
推奨 : XPE で [Add Memory] を ク リ ッ ク し 、 [XPE Memory Configuration] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス を使用す る と 、 デザ イ ン
のブ ロ ッ ク RAM を簡単に追加で き ます。
X-Ref Target - Figure 2-9
図 2-9 : [BRAM シー ト
•
UltraRAM の消費電力 ([UltraRAM Power])
[URAM] シー ト (図 2-10) にデザ イ ンに使用 さ れ る URAM の数 と 設定を入力 し ます。 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力に最
も 影響す る 可能性のあ る 設定 ([Cascade Group Size]、 [Input Toggle Rate]、 [Output Toggle Rate]、 [Enable Rates]、
[Write Enable] な ど) には現実的な値を使用 し て く だ さ い。
URAM 消費電力の詳細は、 『Xilinx Power Estimator ユーザー ガ イ ド 』 (UG440) [参照 4] を参照 し て く だ さ い。
X-Ref Target - Figure 2-10
図 2-10 : [URAM] シー ト
•
DSP の消費電力 ([DSP Power])
[DSP] シー ト を入力 し ます。 DSP ブ ロ ッ ク は、 カ ウ ン タ ー、 バレル シ フ タ ー、 MUX、 その他の一般的な機能な
ど、 乗算器以外の目的で も 使用で き ます。
•
ク ロ ッ ク マネージ ャ ーの消費電力 ([Clock Manager Power])
デザ イ ンで MMCM ま たは PLL が使用 さ れてい る 場合は、 [CLKMGR] シー ト でその使用法 と 設定を指定 し ます。
消費電力解析および最適化
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第 2 章 : 消費電力の見積も り : 初期評価段階
•
ト ラ ン シーバーの消費電力 ([GT Power])
デザ イ ンで GT (シ リ アル ト ラ ン シーバー ) が使用 さ れてい る 場合は、 [GT] シー ト でその使用法 と 設定を指定 し
ます。
推奨 : [Add GTX Interface] ボ タ ン を ク リ ッ ク し 、 [XPE Transceiver Configuration] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス を使用する と 、
デー タ を簡単に正確に入力で き ます (図 2-11)。
X-Ref Target - Figure 2-11
図 2-11 : [XPE Transceiver Configuration] ダ イ ア ログ ボ ッ ク ス を使用 し た GT の コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン
手順 6 : ト グルおよび接続パラ メ ー タ ーの設定
[Toggle Rate]、 [Average Fanout]、 ま たは [Enable Rate] を含む タ ブで、 こ れ ら の値を確認 し ます。 ト グル レー ト お よ び
イ ネーブル レー ト がわか っ ていない場合は、 デフ ォ ル ト 値の ま ま にす る こ と をお勧め し ますが、 デフ ォ ル ト 値がデ
ザ イ ンの特性を表 し ていない場合は、 必要に応 じ て変更 し て く だ さ い。 た と えば、 メ モ リ イ ン タ ーフ ェ イ ス に イ ン
タ ーフ ェ イ ス上の ト グル レー ト を高 く 保つ ト レーニ ン グ パ タ ーン ルーチンがあ る こ と がわか っ てい る 場合は、 こ れ
を反映 し て ト グル レー ト を高 く し ます。 ま た、 回路の ク ロ ッ ク イ ネーブルが回路全体のア ク テ ィ ビ テ ィ を削減す る
よ う に指定 さ れてい る 場合は、 ト グル レー ト を低 く し ます。 ト グル レー ト を決定す る 方法の詳細は、 『Xilinx Power
Estimator ユーザー ガ イ ド 』 (UG440) [参照 4] を参照 し て く だ さ い。
ク ロ ッ ク フ ァ ン ア ウ ト の最 も 簡単な指定方法は、 特定の ク ロ ッ ク ド メ イ ンにあ る すべての同期エ レ メ ン ト を加算す
る 式を作成す る こ と です。 た と えば、 あ る ク ロ ッ ク の [Fanout] セルを選択 し 、 「=SUM(」 と 入力 し て、 その ク ロ ッ ク
が供給 さ れ る 同期エ レ メ ン ト (BRAM、 フ リ ッ プ フ ロ ッ プ、 シ フ ト レ ジ ス タ 、 SelectRAM な ど) の数を指定する セル
をすべて選択 し ます。 選択 し 終わっ た ら 閉 じ かっ こ を入力 し ます。 こ れで、 [Fanout] セルに適切な値が入力 さ れ る よ
う にな り ます。 ク ロ ッ ク フ ァ ン ア ウ ト を こ の よ う に入力する と 、 簡単であ る だけでな く 、 リ ソ ース数が変更 さ れた
場合に自動的にア ッ プデー ト さ れます。 最終的な式は、 次の よ う にな り ます。
=SUM(LOGIC!I12:I15, BRAM!E10:E12, DSP!E8, CLKMGR!E10:E12)
ロ ジ ッ ク の フ ァ ン ア ウ ト では、 デー タ パスお よ び制御パス の特性を考慮する 必要があ り ます。 DSP デザ イ ン な ど、
シーケ ン シ ャ ル デー タ パ ス が適切に構築 さ れてい る デザ イ ンでは、 フ ァ ン ア ウ ト は通常デフ ォ ル ト 値 よ り も 小 さ く
な り ます。 エンベデ ッ ド デザ イ ン な ど、 デー タ 実行パス が多数あ る デザ イ ンでは、 フ ァ ン ア ウ ト はデフ ォ ル ト 値 よ
り も 大 き く な る こ と があ り ます。 ト グル レー ト と 同様、 こ の情報がない場合は、 デフ ォ ル ト 値の ま ま に し 、 後で必
要に応 じ て調整 し ます。
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第 2 章 : 消費電力の見積も り : 初期評価段階
I/O の [Output Load] には、 各デザ イ ン出力の単純な容量性負荷を入力 し ます。 こ の値は、 駆動 さ れ る 出力のダ イ ナ
ミ ッ ク 消費電力に影響 し ます。 [Output Load] の値は、 主にその出力に接続 さ れてい る 各デバ イ ス の入力容量の合計
か ら 求め ら れます。 入力容量は通常、 FPGA I/O が接続 さ れてい る デバ イ ス のデー タ シー ト に記載 さ れてい ます。
手順 7 : 結果の解析
結果を解析す る 前に、 必要に応 じ て手順 1 ～ 6 を実行 し て く だ さ い。 こ れ ら の手順を完了 し た ら 、 結果を解析 し ま
す。 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度が範囲を超え てお ら ず、 消費電力がプ ロ ジ ェ ク ト で割 り 当て ら れてい る 消費電力を超え て
いない こ と を確認 し て く だ さ い。 放熱ま たは電力特性が指定範囲外の場合は、 適切な結果が得 ら れ る よ う に環境特
性 (エア フ ロ ー、 ヒ ー ト シ ン ク な ど) を調整す る か、 デザ イ ンの リ ソ ースお よ び電力特性を調整 し て く だ さ い。 消費
電力を抑え て必要な機能を達成で き る よ う にす る ため、 ト レー ド オ フ を考慮 し ます。 ト レー ド オ フ のオプシ ョ ンは、
設計プ ロ セ ス の初期段階で試すのが最適です。 デー タ の入力が完了 し てデバ イ ス が選択 し た グ レー ド の制限温度範
囲内で動作 し てい る 場合は、 XPE で レ ポー ト さ れた消費電力を使用 し て、 デザ イ ンの電源レールを決定で き ます。
入力 し たデー タ の信頼性が高 く ない場合は、 FPGA の消費電力シ ス テ ム を過小設計 し ない よ う に、 数値を多少水増 し
す る こ と が可能です。 ただ し 、 デー タ が十分に信頼で き る 場合は、 ツールで レ ポー ト さ れた数値を水増 し する 必要
はあ り ません。
設計プ ロ セ ス の進行に応 じ て ス プ レ ッ ド シー ト の情報を確認 し て更新 し 、 最新の要件お よ び イ ンプ リ メ ン テーシ ョ
ンの詳細が使用 さ れ る よ う に し ます。 こ の よ う にす る こ と でデザ イ ンの消費電力の最新の状態がわか り 、 消費電力
要件の調整が必要か ど う か を早期に判断で き ます。
デザ イ ン サ イ ク ルの後半でデザ イ ンの消費電力を評価する 方法は第 3 章 「消費電力の見積 も り : Vivado Design Suite
でのデザ イ ン フ ロ ー段階」 を、 デザ イ ンの消費電力を削減する 手法は第 6 章 「消費電力削減のための ヒ ン ト お よ び
手法」 を参照 し て く だ さ い。
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第 3章
消費電力の見積も り : Vivado Design Suite で
のデザイ ン フ ロー段階
概要
こ の章では、 デザ イ ン フ ロ ー段階での消費電力見積 も り を自動的に簡単に実行で き る Vivado® Design Suite の機能を
説明 し ます。 Vivado Design Suite で消費電力見積 も り を生成 し 、 解析 し た ら 、 第 6 章 「消費電力削減のための ヒ ン ト
お よ び手法」 に進み、 デバ イ ス の消費電力を最小限に抑え る ためにシ ス テ ム を調べて変更する 手法を学びます。
消費電力見積も り
デザ イ ン フ ロ ーが合成お よ び イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン段階に進行する のに伴い、 消費電力を定期的に調べ、 放熱量
が要件の範囲内に収ま っ てい る こ と を確認 し て、 制約に近づいてい る エ リ アがあ る 場合に早期に発見 し て対処で き
る よ う にす る 必要があ り ます。 消費電力見積 も り の精度は、 デザ イ ンの段階に よ っ て異な り ます。
Vivado IDE での消費電力の見積も り
こ のセ ク シ ョ ンでは、 Vivado IDE の [Report Power] コ マ ン ド を使用 し た消費電力解析について説明 し ます。 こ こ で
は、 合成後に初めて消費電力解析を設定す る こ と を想定 し てお り 、 ツールにア ク テ ィ ビ テ ィ 情報を入力 し ます。 後
続の run では、 Vivado IDE の [Report Power] コ マ ン ド を使用 し て消費電力レ ポー ト を表示す る か、 ま たは同等の Tcl
コ マ ン ド (report_power) を使用 し て、 Vivado IDE を使用せずにテ キ ス ト 形式の消費電力レ ポー ト を表示す る か を
選択で き ます。
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第 3 章 : 消費電力の見積も り : Vivado Design Suite でのデザイ ン フ ロー段階
X-Ref Target - Figure 3-1
図 3-1 : Vivado での消費電力解析 : 解析用のデー タ を入力
ユーザー入力の指定
特定の ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ は、 シ ス テ ムの仕様ま たは FPGA が通信す る イ ン タ ーフ ェ イ ス に よ り 決定 さ れ る の
で、 ど のデザ イ ンで も 通常は既知です。
推奨 : 特に FPGA の複数のセルを駆動す る ノ ー ド (セ ッ ト 、 リ セ ッ ト 、 ク ロ ッ ク イ ネーブル、 ク ロ ッ ク 信号) に関 し
て ノ ー ド ア ク テ ィ ビ テ ィ を ツールに供給する と 、 消費電力見積 も り に有益です。
こ れ ら の ノ ー ド には、 次が含まれます。
•
ク ロ ッ ク ア ク テ ィ ビテ ィ
すべての FPGA ク ロ ッ ク ド メ イ ンの正確な周波数、 お よ び外部か ら 供給 さ れ る のか (入力ポー ト )、 内部で生成
さ れ る のか、 ま たは外部か ら プ リ ン ト 回路基板に供給 さ れ る のか (出力ポー ト ) を入力 し ます。
デザ イ ンには、 create_clock を使用 し て指定 し た ク ロ ッ ク が少な く と も 1 つ含まれてい る 必要があ り ます。
ク ロ ッ ク が定義 さ れていない場合、 [Report Power] を実行する と 警告 メ ッ セージが表示 さ れ、 ス イ ッ チン グ ア ク
テ ィ ビ テ ィ の算出に 10GHz ク ロ ッ ク 周波数が使用 さ れます。
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第 3 章 : 消費電力の見積も り : Vivado Design Suite でのデザイ ン フ ロー段階
•
I/O デー タ ポー ト
FPGA に対する デー タ の入出力のプ ロ ト コ ルお よ びフ ォーマ ッ ト がわか っ てい る と 、 通常はツールで少な く と も
一部の I/O に対 し て信号の遷移レー ト や信号の ス タ テ ィ ッ ク 確率を指定で き ます。 た と えば、 プ ロ ト コ ルに DC
バ ラ ン ス要件 (信号の ス タ テ ィ ッ ク 確率が 50%) があ る 場合や、 メ モ リ イ ン タ ーフ ェ イ スへのデー タ の書き 込み
お よ び メ モ リ イ ン タ ーフ ェ イ ス か ら のデー タ の読み出 し 頻度がわか っ てい る 場合は、 ス ト ロ ーブ信号お よ び
デー タ 信号のデー タ レー ト を設定で き ます。
プ ラ イ マ リ 入力にユーザー ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト が指定 さ れていない場合、 [Report Power] を実行す る と デフ ォ
ル ト の ス タ テ ィ ッ ク 確率 0.5 と デフ ォ ル ト の ト グル レー ト 12.5% が割 り 当て ら れます。
•
I/O お よ び内部制御信号
シ ス テ ムお よ びその機能か ら 、 セ ッ ト 、 リ セ ッ ト 、 ク ロ ッ ク イ ネーブルな ど の制御信号のア ク テ ィ ビ テ ィ を予
測で き る 場合があ り ます。 こ れ ら の信号は通常、 デザ イ ン ロ ジ ッ ク の広範囲部分をオン、 オ フ にで き る ので、
こ のア ク テ ィ ビ テ ィ 情報を供給す る と 消費電力見積 も り の精度が上が り ます。
プ ラ イ マ リ 入力が リ セ ッ ト であ る (順次エ レ メ ン ト の RESET ピ ンに直接接続 さ れてい る ) 場合は、 デフ ォ ル ト の
ス タ テ ィ ッ ク 確率 0 と デフ ォ ル ト の信号レー ト 0 が割 り 当て ら れます。 同様に、 プ ラ イ マ リ 入力が ク ロ ッ ク イ
ネーブルであ る (順次エ レ メ ン ト の CE ピ ンに直接接続 さ れてい る ) 場合は、デフ ォ ル ト の ス タ テ ィ ッ ク 確率 0.99
と デフ ォ ル ト の信号レー ト 2 が割 り 当て ら れます。
重要 : ベ ク タ ーレ ス の消費電力見積 も り では、 GT の出力ポー ト にア ク テ ィ ビ テ ィ は伝搬 さ れません。 デザ イ ン ロ
ジ ッ ク がア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト に よ っ て異な る 場合、 set_switching_activity -type gt_tx|gt_rx コ マ ン
ド で GT 出力のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を明示的に指定 し て、 正確な解析が実行 さ れ る よ う にする 必要があ り ます。
ベ ク タ ー (SAIF) ベースの消費電力見積も り
通常は、 デザ イ ン開発の各段階でシ ミ ュ レーシ ョ ン を実行 し 、 デザ イ ンが要件どお り に動作する かを検証 し ます。
デザ イ ンの開発段階、 複雑性、 ま たは企業の方針に応 じ て、 さ ま ざ ま な検証手法があ り ます。 次に、 取得可能な有
益なデー タ と 、 こ れ ら のデー タ を使用 し て消費電力を解析す る 際に犯 し やすい ミ ス について説明 し ます。 正確な消
費電力見積 も り を実行す る には、 デザ イ ンのア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト が現実的な も のであ る 必要があ り ます。 ア ク
テ ィ ビ テ ィ レー ト は、 シ ミ ュ レーシ ョ ン さ れ る ブ ロ ッ ク に入力 さ れ る デー タ の通常の動作ま たは ワース ト ケース の
動作を示す必要があ り ます。 こ の よ う な情報は、 検証や機能の確認中には必ず し も 供給 さ れません。 無効なデー タ
が供給 さ れたために、 無効なデー タ や コ マ ン ド が入力 さ れた と き で も 、 シ ス テ ムが問題な く 処理 し て安定 し た状態
を保持す る こ と がで き る と 検証 さ れて し ま う 場合 も あ り ます。 こ の よ う なテ ス ト ケース を使用 し て消費電力解析を
実行す る と 、 デザ イ ン ロ ジ ッ ク に通常のシ ス テ ム動作状況 と 同 じ よ う に入力が供給 さ れないため、 消費電力見積 も
り が不正確にな り ます。
•
シ ス テ ム ト ラ ンザ ク シ ョ ン レベル
デザ イ ン サ イ ク ル初期に、 PCB 上のデバ イ ス間ま たは FPGA アプ リ ケーシ ョ ンの異な る フ ァ ン ク シ ョ ン間で発
生す る ト ラ ンザ ク シ ョ ン を記述 し てい る 場合があ り ます。 こ の記述か ら 、 特定の I/O ポー ト お よ びほ と ん ど の ク
ロ ッ ク ド メ イ ンのア ク テ ィ ビ テ ィ を フ ァ ン ク シ ョ ン ブ ロ ッ ク ご と に抽出で き ます。 こ の情報は、 Xilinx Power
Estimator ス プ レ ッ ド シー ト の入力の際に役立ち ます。
•
FPGA 記述レベル
アプ リ ケーシ ョ ンの RTL を定義す る 際は、 ビヘ イ ビ アー シ ミ ュ レーシ ョ ン を実行 し て機能を検証する 必要があ
る 場合があ り ます。 こ れは、 デー タ フ ロ ーお よ び ク ロ ッ ク サ イ ク ルに対す る 計算の有効性を検証す る のに役立
ち ます。 こ の段階では、 使用 さ れ る FPGA リ ソ ース数お よ び コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンは確定 し てい ません。 リ
ソ ース使用量を推定 し て、 I/O ポー ト ま たは内部制御信号 (セ ッ ト 、 リ セ ッ ト 、 ク ロ ッ ク イ ネーブル) のア ク
テ ィ ビ テ ィ を抽出で き ます。 こ の情報を Xilinx Power Estimator ス プ レ ッ ド シー ト に適用する と 、 結果が向上 し
ます。
シ ミ ュ レー タ で ノ ー ド ア ク テ ィ ビ テ ィ を抽出 し 、 SAIF フ ァ イ ル フ ォーマ ッ ト でエ ク ス ポー ト で き ます。 こ の
フ ァ イ ルは、 Vivado デザ イ ン フ ロ ーで よ り 正確な消費電力解析を実行す る ために保存で き ます。 た と えば、 イ
ンプ リ メ ン テーシ ョ ン後のシ ミ ュ レーシ ョ ン を実行す る つ も り がない場合な どは、 配置配線後に こ の フ ァ イ ル
を使用で き ます。
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第 3 章 : 消費電力の見積も り : Vivado Design Suite でのデザイ ン フ ロー段階
•
FPGA イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン レベル
イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン プ ロ セ ス の異な る 段階でシ ミ ュ レーシ ョ ン を実行 し 、 消費電力に関連す る さ ま ざ ま な
情報を取得で き ます。 こ の追加情報を使用 し て、 Xilinx Power Estimator ス プ レ ッ ド シー ト お よ び Vivado 消費電
力解析の結果を向上で き ます。 ま た、 I/O ポー ト お よ び特定のモジ ュ ールのア ク テ ィ ビ テ ィ を保存 し 、 合成後、
配置後、 配線後に Vivado 消費電力解析機能で再利用で き ます。
°
°
°
合成後 : ネ ッ ト リ ス ト が タ ーゲ ッ ト デバ イ ス で使用可能な実際の リ ソ ース にマ ッ プ さ れます。
配置後 : ネ ッ ト リ ス ト コ ン ポーネ ン ト が実際のデバ イ ス リ ソ ース に配置 さ れます。 こ のパ ッ ク 情報に よ り
最終的な ロ ジ ッ ク リ ソ ース数お よ び設定がわか る ので、 Xilinx Power Estimator ス プ レ ッ ド シー ト で情報を
更新で き ます。
配線後 : 配線が完了す る と 、 使用 さ れ る 配線 リ ソ ース に関す る すべての詳細お よ びデザ イ ンに含まれ る 各パ
ス の正確な タ イ ミ ン グ情報が定義 さ れます。 シ ミ ュ レー タ では、 イ ンプ リ メ ン ト さ れた回路の機能をベス
ト ケースお よ びワ ース ト ケース のゲー ト お よ び配線遅延で検証す る こ と に加え、 グ リ ッ チを含む内部 ノ ー
ド の正確な ア ク テ ィ ビ テ ィ が レ ポー ト さ れます。 こ の レベルの消費電力解析では、 プ ロ ト タ イ プのボー ド
で消費電力を実際に計測す る 前に最 も 正確な消費電力が得 ら れます。
ベ ク タ ーレ スの消費電力見積も り
デザ イ ン ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ がユーザーま たはシ ミ ュ レーシ ョ ン結果か ら 供給 さ れない場合、 ベ ク タ ーレ ス消
費電力見積 も り アルゴ リ ズ ムで こ のア ク テ ィ ビ テ ィ を推測で き ます。 詳細は、 40 ページの 「ベ ク タ ーレ ス見積 も り 」
を参照 し て く だ さ い。
解析用ス イ ッ チ ン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ の指定
•
シ ミ ュ レーシ ョ ン結果 (SAIF フ ァ イ ル)
Vivado の [Report Power] コ マ ン ド では、 デザ イ ン デー タ ベース内のネ ッ ト を シ ミ ュ レーシ ョ ン結果のネ ッ ト リ
ス ト 内の名前 と 一致 さ せます。 シ ミ ュ レーシ ョ ン結果のネ ッ ト リ ス ト は SAIF (Switching Activity Interchange
Format) フ ァ イ ルです。 一致 し たネ ッ ト すべてに ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ と ス タ テ ィ ッ ク 確率が適用 さ れ、
デザ イ ンの消費電力が算出 さ れます。 シ ミ ュ レーシ ョ ン結果は、 合成前や配置配線の前のデザ イ ン フ ロ ー早期
に生成 さ れてい る 場合があ り ます。 こ の場合、 シ ミ ュ レーシ ョ ン結果か ら モジ ュ ールの I/O ポー ト のア ク テ ィ ビ
テ ィ のみを キ ャ プチ ャ し て、 ベ ク タ ーレ ス エン ジ ンで内部 ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ を見積 も る よ う に し ます。
論理シ ミ ュ レーシ ョ ンでは、 グ リ ッ チ ア ク テ ィ ビ テ ィ はキ ャ プチ ャ さ れません。 ま た、 イ ンプ リ メ ン テーシ ョ
ン中の ロ ジ ッ ク 変換 (最適化、 複製、 ゲーテ ィ ン グ、 リ タ イ ミ ン グ な ど) のため、 [Report Power] コ マ ン ド でデザ
イ ン と シ ミ ュ レーシ ョ ン ネ ッ ト リ ス ト 間で一部の ノ ー ド を一致で き ない こ と があ り ますが、 ほ と ん ど のプ ラ イ
マ リ ポー ト お よ び制御信号は一致する ので、 一致 し た ノ ー ド に対 し ては現実的な ア ク テ ィ ビ テ ィ が供給 さ れま
す。 ア ク テ ィ ビ テ ィ は、 ベ ク タ ーレ ス エン ジ ンに よ り 不一致のデザ イ ン部分に伝搬 さ れ る ので、 消費電力見積
も り の精度が上が り ます。
次の よ う な タ イ プのシ ミ ュ レーシ ョ ン結果を使用 し て く だ さ い。
°
シ ミ ュ レーシ ョ ンへのテ ス ト ベ ク タ ーお よ び入力が、 デザ イ ンの典型的な動作ま たは意図 し た動作を表 し
てい る こ と を確認 し ます。 エ ラ ー処理お よ び コ ーナー ケース (稀に し か発生 し ないケース) のシ ミ ュ レー
シ ョ ンでは、 通常の動作条件で ロ ジ ッ ク がシ ミ ュ レーシ ョ ン さ れません。
°
イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン後のシ ミ ュ レーシ ョ ン結果の方が、 ビヘ イ ビ アー シ ミ ュ レーシ ョ ン結果 よ り も 好
まれます。 完全な タ イ ミ ン グ シ ミ ュ レーシ ョ ンの方が、 タ イ ミ ン グ グ リ ッ チ情報が SAIF 結果に取 り 込ま
れ る ので、 よ り 正確にな り ます。
重要 : [Report Power] では、 ベ ク タ ーレ ス アルゴ リ ズ ムお よ びデフ ォ ル ト の ス イ ッ チン グ レー ト を使用 し て、 指定 し
た SAIF フ ァ イ ル と 一致 し ないデザ イ ン ネ ッ ト のア ク テ ィ ビ テ ィ が計算 さ れます。 こ のため、 消費電力レ ポー ト で ト
グルレー ト が異な り 、 最終的には XPE に反映 さ れます。 タ イ ミ ン グ シ ミ ュ レーシ ョ ンがサポー ト さ れ る のは Verilog
だけなので、 VHDL で生成 さ れた .saif フ ァ イ ルを使用す る こ と はお勧め し ません。
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第 3 章 : 消費電力の見積も り : Vivado Design Suite でのデザイ ン フ ロー段階
重要 : Vivado IDE の [Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス の [Switching] タ ブで [Simulation activity file (.saif)] フ ィ ール ド
に SAIF フ ァ イ ル名を指定 し て SAIF シ ミ ュ レーシ ョ ン出力フ ァ イ ルを読み込み、 一致す る ネ ッ ト リ ス ト エ レ メ ン ト
に フ ァ イ ルに記述 さ れてい る ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を ア ノ テー ト し て く だ さ い。 ま たは、 Tcl コ マ ン ド の
read_saif を使用 し て SAIF シ ミ ュ レーシ ョ ン出力フ ァ イ ルを読み込みます。
使用モデルすべてについては、 『Vivado Design Suite ユーザー ガ イ ド : 消費電力の解析 と 最適化』 (UG907) [参照 5] を
参照 し て く だ さ い。
重要 : 消費電力解析用の SAIF フ ァ イ ルを Vivado シ ミ ュ レー タ か ら 生成す る には、『Vivado Design Suite ユーザー ガ イ
ド : ロ ジ ッ ク シ ミ ュ レーシ ョ ン』 (UG900) [参照 6] を参照 し て く だ さ い。
Vivado® Design Suite 内で Mentor Graphics 社の ModelSim シ ミ ュ レー タ か ら SAIF フ ァ イ ルを生成 し て消費電力を解析
す る 場合は、 ア ンサー 53544 を参照 し て く だ さ い。
完全な タ イ ミ ン グ シ ミ ュ レーシ ョ ンには、 write_sdf コ マ ン ド を使用 し てデザ イ ン タ イ ミ ン グ シ ミ ュ レーシ ョ ン
情報 (SDF) フ ァ イ ルを生成 し 、 シ ミ ュ レーシ ョ ン実行中にア ノ テー ト し ます。
•
既知のエ レ メ ン ト
アプ リ ケーシ ョ ンの動作の情報は、 入力フ ァ イ ルで定義 さ れていないア ク テ ィ ビ テ ィ を定義する 際に役立つの
で、 こ の手順はデザ イ ンのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力を算出す る のに重要です。
°
I/O ア ク テ ィ ビ テ ィ
I/O イ ン タ ーフ ェ イ ス のデー タ パ タ ーンがわか っ てい る 場合は、 こ のア ク テ ィ ビ テ ィ ( ト グル/信号レー ト お
よ びス タ テ ィ ッ ク 確率 (% High)) を Vivado IDE の [Properties] ウ ィ ン ド ウ の [Power] ビ ュ ーま たは Tcl コ マ ン
ド set_switching_activity で指定 し ます。 ス プ レ ッ ド シー ト な ど別の ツールで電源ご と の総消費電力
を算出 し ていない場合、 出力の終端方法を指定 し て、 [Report Power] コ マ ン ド で FPGA の電源か ら こ れ ら の
外部 コ ン ポーネ ン ト に供給す る 電力量が含め ら れ る よ う に し ます。
°
制御信号のア ク テ ィ ビ テ ィ
[Report Power] コ マ ン ド を実行す る と 、 すべての制御信号が [Power] ウ ィ ン ド ウ の [Signals] に リ ス ト さ れま
す。 アプ リ ケーシ ョ ンの予測 さ れ る 動作か ら 、 一部のセ ッ ト / リ セ ッ ト 信号が通常のデザ イ ン動作ではア ク
テ ィ ブではない こ と な ど がわか る 場合は、 こ れ ら の信号のア ク テ ィ ビ テ ィ を調整する 必要があ り ます。 同
様に、 アプ リ ケーシ ョ ンに含まれ る 一部の信号に よ り 、 ブ ロ ッ ク が使用 さ れない と き にブ ロ ッ ク 全体が
デ ィ ス エーブルにな る 場合があ り ます。 機能に合わせて ア ク テ ィ ビ テ ィ を調整 し て く だ さ い。 合成お よ び
配置配線アルゴ リ ズ ムでは、 RTL 記述を最適化する ために制御信号が推論ま たはマ ッ プ し 直 さ れ る こ と が
あ る ので、 こ れ ら のビ ュ ーに表示 さ れ る 信号に不明な信号が含まれてい る こ と があ り ます。 こ れ ら の信号
が何なのかがわか ら ない場合は、 ツールで こ れ ら のア ク テ ィ ビ テ ィ が決定 さ れ る よ う に し ます。 Tcl コ マ ン
ド の report_control_sets を使用する と 、 デザ イ ンの制御信号を取得で き ます。
I/O ア ク テ ィ ビ テ ィ お よ び制御信号のア ク テ ィ ビ テ ィ 値の設定方法は、 第 4 章の 「Vivado IDE での What-If 解析
の実行」 を参照 し て く だ さ い。
消費電力解析および最適化
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第 3 章 : 消費電力の見積も り : Vivado Design Suite でのデザイ ン フ ロー段階
デバイ ス/デザイ ン設定を確認 し て既知のエ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ
テ ィ を調整
[Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス は、 Flow Navigator で [Report Power] を ク リ ッ ク する と 開き ます。 こ のダ イ ア ロ グ
ボ ッ ク ス で消費電力設定を確認 し 、 既知のエ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ テ ィ を調整 し ます (図 3-2)。
X-Ref Target - Figure 3-2
図 3-2 : [Report Power] ダ イ ア ログ ボ ッ ク ス
•
[Output text file]
プ ロ ジ ェ ク ト の記録 と し て消費電力見積 も り 結果を保存す る 必要があ る 場合があ り ます。 ま た、 パフ ォーマ ン
ス ま たはエ リ ア制約を満たすために別のマ ッ プ、 配置、 お よ び配線オプシ ョ ン を試す場合、 各試行の消費電力
結果を保存 し てお く と 、 複数の条件で要件が満た さ れた と き に最 も 消費電力が低い ソ リ ュ ーシ ョ ン を選択する
のに役立ち ます。
消費電力解析および最適化
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第 3 章 : 消費電力の見積も り : Vivado Design Suite でのデザイ ン フ ロー段階
•
[Output XPE file] (Xilinx Power Estimator 用)
環境情報、 デバ イ ス使用量、 デザ イ ン ア ク テ ィ ビ テ ィ すべて を 1 つのフ ァ イ ル (.xpe) に保存 し 、 Xilinx Power
Estimator ス プ レ ッ ド シー ト に イ ン ポー ト で き ます。 消費電力要件を超え てお り 、 ツールの最適化機能だけでは
要件を満たす こ と がで き ない よ う な場合に有益です。 こ の場合、 現在の イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン結果を Xilinx
Power Estimator に イ ン ポー ト し 、 異な る マ ッ プ、 ゲーテ ィ ン グ、 畳み込み、 お よ びその他の手法を試 し て、 そ
れ ら の消費電力への影響を見積 も っ てか ら 、 RTL コ ー ド を変更 し 、 イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン を再実行 し ます。
ま た、 Xilinx Power Estimator ス プ レ ッ ド シー ト での見積 も り と 合成結果を比較 し て、 XPE の値を必要に応 じ て調
整 し ます。
各シー ト を確認 し て、 シ ス テ ムが正 し く 表現 さ れてい る か確認 し ます。
•
[Environment] : [Environment] タ ブで編集可能なオプシ ョ ン を確認 し ます。 プ ロ セ ス、 電圧、 環境デー タ が意図 し
た環境に近い も のであ る こ と を確認 し ます。 こ れ ら の設定は、 見積 も ら れ る 総消費電力に大き く 影響 し ます。
[Environment] タ ブでは、 次のオプシ ョ ン を設定で き ます。
[Device Settings]
-
[Temp grade] : デバ イ ス に適 し た温度グ レー ド を選択 し ます。 通常は [Commercial] ま たは [Industrial] で
す。 こ の設定に よ り ス タ テ ィ ッ ク 消費電力仕様が異な る デバ イ ス も あ り ます。 こ れを適切に設定する
こ と に よ り 、 選択 し たデバ イ ス に対 し て正 し いジ ャ ン ク シ ョ ン温度範囲が表示 さ れます。
-
[Process] : ワース ト ケース解析では、 [Maximum] に設定す る こ と をお勧め し ます。 デフ ォ ル ト 設定は
[Typical] で、 ス タ テ ィ ッ ク に計測 し た場合に近い結果が得 ら れますが、 [Maximum] に変更す る と 、 消
費電力仕様が ワース ト ケース の値に変更 さ れます。
[Environment Settings]
-
[Output Load] (pF) : I/O ポー ト の出力で駆動 さ れ る ボー ド お よ びその他の外部容量を指定 し ます。
-
[Ambient temperature] (°C) : FPGA デザ イ ン を含むエン ク ロ ージ ャ 内で達す る 可能性のあ る 最大温度を指
定 し ます。 こ の設定 と 、 エア フ ロ ーやその他の放熱経路 ( ヒ ー ト シ ン ク な ど) に よ り 、 ジ ャ ン ク シ ョ ン
温度が正確に算出 さ れ、 デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力が よ り 正確に算出 さ れます。
-
[Airflow] (LFM) : チ ッ プのエア フ ロ ーは、 LFM ( リ ニ ア フ ィ ー ト /分) で計測 さ れます。 LFM は、 CFM
(立方フ ィ ー ト /分) で表 さ れた フ ァ ンの出力を空気が通過す る 断面で除算 し て求め る こ と がで き ます。
FPGA お よ びフ ァ ンの具体的な配置は、 FPGA 上の空気の動 き 、 さ ら には放熱に影響す る 可能性があ り
ます。 こ のパ ラ メ ー タ ーのデフ ォ ル ト 値は 250LFM です。 エア フ ロ ーな し (静止空気中) で FPGA を動
作 さ せ る 場合、 デフ ォ ル ト の 250LFM を 0LFM に変更する 必要があ り ます。
-
[Heat sink] : ヒ ー ト シ ン ク を使用 し てお り 、 詳細な放熱情報がない場合は、 使用する ヒ ー ト シ ン ク の タ
イ プに適切なプ ロ フ ァ イ ルを選択 し ます。 こ のパ ラ メ ー タ ー と ほかのパ ラ メ ー タ ーを使用 し て、 有効
ΘJB が算出 さ れ、 よ り 正確なジ ャ ン ク シ ョ ン温度お よ び静止消費電力が算出 さ れます。 ソ ケ ッ ト の設
計お よ び構造に よ っ て、 ヒ ー ト シ ン ク と し て機能す る も の も あ り ます。
-
[Board selection] お よ び [Number of board layers] : ボー ド のおお よ そのサ イ ズ と ス タ ッ ク を選択す る と 、
ボー ド 自体の熱伝導性を考慮す る こ と に よ り 、 有効 ΘJB の算出に役立ち ます。
-
[ΘJB] : ボー ド お よ びシ ス テ ムの よ り 正確な温度モデルが存在する 場合は、 FPGA か ら の放熱量を指定
す る ために ΘJB (プ リ ン ト 回路基板 の熱抵抗) を使用す る 必要があ り ます。
よ り 正確な カ ス タ ム [ΘJB] を指定す る と 、 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度が よ り 正確に見積 も ら れ、 デバ イ ス の
ス タ テ ィ ッ ク 消費電力を よ り 正確に算出で き る よ う にな り ます。
重要 : カ ス タ ム [ ΘJB] を指定す る には、 [Board selection] を [Custom] に設定する 必要があ り ます。 カ ス タ ム [ΘJB] を
指定す る 場合は、 正確な消費電力を算出す る ため、 [Board temperature] も 指定する 必要があ り ます。
•
[Power Supply] : 電源情報が既知の場合は、 [Power Supply] タ ブで各電源に正 し い電圧値が設定 さ れてい る こ と を
確認 し ます。 電圧は、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力お よ びダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力の両方に大き く 影響 し ます。
•
[Switching] : [Switching] タ ブでデザ イ ンのシ ミ ュ レーシ ョ ンお よ びデフ ォ ル ト ア ク テ ィ ビ テ ィ 設定を確認 し て く
だ さ い。 デザ イ ン内の制約付 き ク ロ ッ ク も こ の タ ブに表示 さ れます。
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第 3 章 : 消費電力の見積も り : Vivado Design Suite でのデザイ ン フ ロー段階
X-Ref Target - Figure 3-3
図 3-3 : [Report Power] のス イ ッ チ ング設定
°
[Simulation Settings]
-
[Simulation activity file (.saif)] : Vivado の [Report Power] を実行す る には、 デザ イ ンに対 し て生成 さ れた
SAIF シ ミ ュ レーシ ョ ン デー タ を入力 と し て使用 し ます。 [Report Power] コ マ ン ド では、 デザ イ ン デー
タ ベース内のネ ッ ト を シ ミ ュ レーシ ョ ン結果のネ ッ ト リ ス ト 内の名前 と 一致 さ せます。 シ ミ ュ レー
シ ョ ン結果 (SAIF フ ァ イ ル) か ら の情報を入力 し て、 さ ら に精度の高い消費電力解析を取得す る 方法に
ついては、 28 ページの 「解析用ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ の指定」 を参照 し て く だ さ い。
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第 3 章 : 消費電力の見積も り : Vivado Design Suite でのデザイ ン フ ロー段階
°
°
[Default Activity Settings]
-
[Default toggle rate] : デザ イ ンの主な入力の消費電力解析で使用 さ れ る デフ ォ ル ト の ト グル レー ト です。
デフ ォ ル ト の ト グル レー ト は、 ス イ ッ チ ア ク テ ィ ビ テ ィ がユーザーに よ り 設定 さ れないプ ラ イ マ リ 入
力ネ ッ ト 、 シ ミ ュ レーシ ョ ン デー タ 、 ま たはデザ イ ンの制約に設定 さ れます。 非同期入力の場合、 ト
グル レー ト はデザ イ ンの中でキ ャ プチ ャ ク ロ ッ ク に対 し て設定 さ れます。 有効な値は、 0 以上 100 未
満です。 デフ ォ ル ト 値は 12.5 です。
-
[Default Static Probability] : デザ イ ンの消費電力解析で使用す る デフ ォ ル ト の ス タ テ ィ ッ ク 確率を指定 し
ます。 デフ ォ ル ト の ス タ テ ィ ッ ク 確率は、 ユーザー、 デザ イ ンのシ ミ ュ レーシ ョ ン デー タ ま たは制約
で ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ が指定 さ れていないプ ラ イ マ リ 入力に使用 さ れます。 有効な値は、 0
以上 1 以下です。 デフ ォ ル ト 値は 0.5 です。
[Enable Rate Settings]
-
[BRAM Port Enable] : デザ イ ンの全 BRAM イ ネーブル信号すべてのア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を設定 し ます。
-
[BRAM Write Enable] : デザ イ ンの全 BRAM 書き 込み イ ネーブル信号すべてのア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を
設定 し ます。
-
[Bidi Output Port Enable] : デザ イ ンのすべての双方向 I/O イ ネーブル信号 (例 : IOBUF の T ピ ン) すべて
のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を設定 し ます。
注記 : [Static Probability] と [Toggle Rate] は一緒に指定する 必要があ り ます。
°
[Toggle Rate Settings]
-
[Primary Outputs] : デザ イ ンのプ ラ イ マ リ 出力のすべての イ ネーブル信号すべて (例 : OBUFT の T ピ ン)
の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を設定 し ます。
-
[Logic] :
-
-
[Registers] : すべての レ ジ ス タ の出力ピ ンの ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を設定 し ます。
-
[Shift Registers] : すべてのシ フ ト レ ジ ス タ の出力ピ ンの ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を設
定 し ます。
-
[Distributed RAMs] : すべての分散 RAM のデー タ 出力ピ ンの ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト
を設定 し ます。
-
[LUTs] : すべての LUT の出力ピ ンの ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を設定 し ます。
-
[DSPs] : すべての DSP のデー タ 出力ピ ンの ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を設定 し ます。
-
[Block RAMs] : すべてのブ ロ ッ ク RAM のデー タ 出力ピ ンの ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト
を設定 し ます。
[GTs] (シ リ アル ト ラ ン シーバー ) :
-
[RX Data] : すべての GT の RX データ出力ピ ンのス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を設定し ます。
-
[TX Data] : すべての GT の TX データ出力ピ ンのス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を設定し ます。
注記 : [Static Probability] と [Toggle Rate] は一緒に指定する 必要があ り ます。 詳細お よ びガ イ ド ラ イ ン
は、 「ネ ッ ト リ ス ト エ レ メ ン ト ア ク テ ィ ビ テ ィ 」 の set_switching_activity コ マ ン ド の説明を参
照 し て く だ さ い。
•
[Constrained Clocks] : [Constrained Clocks] を展開する と 、 デザ イ ンで制約 さ れてい る ク ロ ッ ク がすべて リ ス ト さ
れます。 ク ロ ッ ク 周波数が正 し く 設定 さ れてい る こ と を確認 し ます。
ヒ ン ト : すべてのプ ラ イ マ リ ク ロ ッ ク を指定す る よ う に し ます。 デザ イ ン ク ロ ッ ク は、 create_clock ま たは
create_generated_clock 制約に基づいてのみ識別 さ れます。
推奨 : よ り 正確な消費電力算出結果を得 る ため、 デザ イ ンで正確な ク ロ ッ ク 周波数を使用する こ と をお勧め し ます。
消費電力解析および最適化
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第 3 章 : 消費電力の見積も り : Vivado Design Suite でのデザイ ン フ ロー段階
解析の実行
[Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス に必要なデー タ を入力 し た ら 、 解析を実行 し ます。 フ ァ イ ルお よ びユーザー入力
に よ り 供給 さ れた ア ク テ ィ ビ テ ィ がネ ッ ト リ ス ト にア ノ テー ト さ れ、 残 り の未定義の ノ ー ド にデフ ォ ル ト 値が適用
さ れます。 その後、 こ の初期ア ク テ ィ ビ テ ィ がプ ラ イ マ リ 入力か ら デザ イ ンのプ ラ イ マ リ 出力に伝搬 さ れ、 未定義
の ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ 見積 も り の精度が向上 し ます。 最後に、 使用 さ れ る 各 リ ソ ース のダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力
が算出 さ れ、 こ れ ら の リ ソ ース での ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ に よ り 生成 さ れ る 追加の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力が
推論 さ れ、 デバ イ ス で予測 さ れ る ジ ャ ン ク シ ョ ン温度お よ び総消費電力要件が算出 さ れます。
ス イ ッ チ ング ア ク テ ィ ビ テ ィ 制約の保持
[Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク スへの入力はすべてプ ロ ジ ェ ク ト の XDC 制約に保存 さ れ、 [Report Power] を フ ロ ー
で再実行す る と き に使用 さ れます。 こ れは、 what-if 解析に便利です。 最後に使用 し た ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ
制約が保持 さ れ、 GUI に表示 さ れます。 Vivado IDE の Tcl コ ン ソ ールで XDC ベース の コ マ ン ド を入力 し た り 、 [Net
Properties] ウ ィ ン ド ウ ([Power] ビ ュ ーの [Edit Properties] ボ タ ン) で入力 し た場合で も 、 それ ら の入力値は [Report
Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス に反映 さ れます。 ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ の XDC 制約は、 [Report Power] ダ イ ア ロ
グ ボ ッ ク ス と 一致 し ます。 ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス で変更を加え る と それが XDC 制約に反映 さ れ、 XDC 制約を変更す
る と ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス に反映 さ れます。
こ れは、 [Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス のデフ ォ ル ト の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を上書 き す る 場合に も 便利
です。 こ の場合、 適切なデフ ォ ル ト 値を使用 し て XDC 制約を作成 し 、 report_power を実行で き ます。
デザイ ン での電力配分の確認
消費電力解析が完了 し た ら 、[Power] ウ ィ ン ド ウ の [Summary] ページで [Total On-Chip Power] (総オンチ ッ プ消費電力)
お よ び温度プ ロ パテ ィ を確認 し ます。 [On-Chip Power] グ ラ フ では、 デバ イ ス リ ソ ース タ イ プご と の消費電力が示 さ
れます。 こ のグ ラ フ か ら 、 デザ イ ンで最 も 消費電力が高い箇所を特定で き ます (図 3-4)。
[Summary] ページには、 消費電力解析の [Confidence Level] も 表示 さ れます。 [Confidence Level] は、 入力デー タ の正
確 さ と 完全性を測定す る も ので、 [Report Power] で消費電力解析が実行 さ れ る と き に使用 さ れます。 値 (Low、
Medium、 High) を ク リ ッ ク す る と 詳細が表示 さ れ、 こ れ ら の詳細か ら 消費電力解析の精度を上げ る 方法がわか る こ
と があ り ます。 た と えば、 よ り 多 く の ク ロ ッ ク のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト やデザ イ ンの I./O 入力を指定す る と 、 消費
電力の精度が上が る 可能性があ り ます。
X-Ref Target - Figure 3-4
図 3-4 : Vivado 消費電力解析 : 消費電力レ ポー ト
消費電力解析および最適化
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第 3 章 : 消費電力の見積も り : Vivado Design Suite でのデザイ ン フ ロー段階
[Power Supply] ページには、 各電源の電流 と 、 その ス タ テ ィ ッ ク 消費電力お よ びダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力の内訳が表示
さ れます。
[Utilization Details] の下か ら リ ソ ース タ イ プ を選択する と 、 その リ ソ ース の消費電力の詳細が表示 さ れます (図 3-5)。
各 リ ソ ース のページは、 ツ リ ー形式の表にな っ てい ます。 列ヘ ッ ダーを ド ラ ッ グする と 、 列の順序を変更で き ます。
ま た、 列ヘ ッ ダーを ク リ ッ ク す る と 並べ替え順を変更で き ます。
X-Ref Target - Figure 3-5
図 3-5 : Vivado 消費電力解析 : I/O の消費電力の詳細
レ ポー ト さ れてい る 消費電力が要件を超え てい る 場合は、 第 6 章 「消費電力削減のための ヒ ン ト お よ び手法」 のデ
バ イ ス の消費電力を削減す る 手法を参照 し て く だ さ い。 使用で き る 手法は、 デザ イ ンの完成度や開発プ ロ セ ス の変
更許容度に よ っ て異な り ます。
消費電力解析および最適化
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第 4章
Vivado Design Suite での消費電力解析および
最適化
概要
こ の章では、 Vivado® Design Suite で実行可能な消費電力に関連 し た機能お よ びフ ロ ーを説明 し 、 消費電力見積 も り 、
解析、 お よ び最適化を実行で き る よ う に し ます。
消費電力解析は、 合成後、 最適化後、 配置後、 ま たは配線後に実行で き ます。 RTL エ ラ ボ レーシ ョ ン後には実行で
き ません。
消費電力最適化は、 配置前後にのみ実行で き ます。
消費電力の解析お よ び最適化は、 Vivado IDE ま たは Tcl プ ロ ンプ ト のいずれか を使用 し て実行可能で、 ダ イ ナ ミ ッ ク
に what-if シナ リ オ を試す こ と がで き ます。
Vivado IDE での消費電力解析
Vivado IDE の消費電力に関連 し た機能を使用する と 、 デザ イ ンの イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ンで次の消費電力見積 も り
お よ び解析を実行で き ます。
•
デザ イ ンの ス タ テ ィ ッ ク 消費電力に影響す る 次の温度特性を レ ポー ト
°
ジ ャ ン ク シ ョ ン温度、 周囲温度な ど の温度値
°
ボー ド 層の数、 ボー ド の温度な ど、 選択 し たボー ド に関す る デー タ
°
デザ イ ンで使用 さ れ る エア フ ロ ーお よ び ヒ ー ト シ ン ク プ ロ フ ァ イ ルのデー タ
•
各種電源の FPGA 電流要件の レ ポー ト
•
消費電力の分配を詳細に解析す る こ と に よ り 、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力、 熱消費電力、 ま たはオ フチ ッ プ消費電
力を削減す る 消費電力節約ス ト ラ テジ を特定
図 4-1 に、 典型的な消費電力見積 も り お よ び解析フ ロ ーを示 し ます。 最 も 正確な結果を得 ら れ る よ う 、 見積 も り ま
たは解析を実行す る 前に必要な ツールへの入力お よ び設定を行 う 手順 も 含まれてい ます。 消費電力見積 も り お よ び
解析 コ マ ン ド は、 Vivado IDE ま たは Tcl プ ロ ンプ ト か ら 実行で き ます。
消費電力解析および最適化
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
X-Ref Target - Figure 4-1
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X12401
図 4-1 : 消費電力見積も り および解析フ ロー
サポー ト さ れるデバイ ス アーキテ ク チ ャ
•
Vivado Design Suite のアーキテ ク チ ャ サポー ト については、『Vivado Design Suite ユーザー ガ イ ド : リ リ ース ノ ー
ト 、 イ ン ス ト ールお よ び ラ イ セ ン ス』 (UG973) [参照 1] を参照 し て く だ さ い。
サポー ト さ れる入力
•
タ イ ミ ン グ制約を指定す る XDC 制約フ ァ イ ル
•
ビヘ イ ビ アーま たは タ イ ミ ン グ シ ミ ュ レーシ ョ ンか ら のシ ミ ュ レーシ ョ ン出力ア ク テ ィ ビ テ ィ フ ァ イ ル (SAIF
フ ァ イ ル)
•
環境、 動作条件、 ツール デフ ォ ル ト 、 お よ び個々のネ ッ ト リ ス ト ノ ー ド ア ク テ ィ ビ テ ィ を指定する XDC/Tcl
フ ァ イル コ マン ド
•
Vivado 消費電力解析ツールには、 デフ ォ ル ト の値お よ び ノ ー ド ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を入力する メ カ ニズ ムが
複数含まれます。 次の リ ス ト は、 その さ ま ざ ま な メ カ ニズ ム を示 し た も ので、 優先順に リ ス ト さ れてい ます。
1. ス タ テ ィ ッ ク (定数は GND ま たは VCC に接続)
2. [Power] ウ ィ ン ド ウ の [Utilization Details] セ ク シ ョ ンでユーザーが入力 し た値
3. イ ン ポー ト さ れた シ ミ ュ レーシ ョ ン ア ク テ ィ ビ テ ィ フ ァ イ ル (SAIF)
4. イ ン ポー ト さ れた制約フ ァ イ ル : 制約フ ァ イ ル (XDC) ま たはデザ イ ン ネ ッ ト リ ス ト か ら イ ン ポー ト さ れた
ク ロ ッ ク 制約
消費電力解析および最適化
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
5. ベ ク タ ーレ ス見積 も り : 上記の入力いずれで も 定義 さ れていない ノ ー ド に対 し て、 デフ ォ ル ト 値 と ノ ー ド へ
の入力ア ク テ ィ ビ テ ィ に基づいて、 ア ク テ ィ ビ テ ィ が見積 も ら れます。
6. デフ ォ ル ト 値 : ベ ク タ ーレ ス見積 も り で見積 も る こ と がで き なか っ た ノ ー ド に対 し て、 デザ イ ンのプ ラ イ マ
リ 入力お よ びブ ラ ッ ク ボ ッ ク ス出力の場合 と 同様に、 デフ ォ ル ト 値が割 り 当て ら れます。
注記 : デフ ォ ル ト 値は、 [Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス で変更で き ます。 詳細は、 第 3 章の 「デバ イ ス/
デザ イ ン設定を確認 し て既知のエ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ テ ィ を調整」 を参照 し て く だ さ い。
サポー ト さ れる出力
•
GUI I/O バ ス、 ネ ッ ト 、 お よ びセル消費電力プ ロ パテ ィ
•
GUI お よ びテ キ ス ト 形式の消費電力レ ポー ト
•
Xilinx Power Estimator ス プ レ ッ ド シー ト に イ ン ポー ト 可能な XML ベース の消費電力レ ポー ト
•
Tcl コ マ ン ド を使用 し た ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト と 動作条件レ ポー ト
Vivado IDE を使用 し た消費電力解析
消費電力見積 も り は、 合成後のデザ イ ン フ ロ ーの ど の段階で も 実行で き ます。 図 4-2 に、 Vivado IDE で消費電力見
積 も り を実行 し 、 設定 メ ニ ュ ーにア ク セ スす る 方法を示 し ます。
X-Ref Target - Figure 4-2
図 4-2 : Vivado IDE での消費電力見積も り の実行
消費電力解析および最適化
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
ベ ク タ ー ベースの見積 も り
通常は、 デザ イ ン開発の各段階でシ ミ ュ レーシ ョ ン を実行 し 、 デザ イ ンが要件どお り に動作する かを検証 し ます。
デザ イ ンの開発段階、 複雑性、 ま たは企業の方針に応 じ て、 さ ま ざ ま な検証手法があ り ます。 次に、 取得可能な有
益なデー タ と 、 こ れ ら のデー タ を使用 し て消費電力を解析す る 際に犯 し やすい ミ ス について説明 し ます。 正確な消
費電力見積 も り を実行す る には、 デザ イ ンのア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト が現実的な も のであ る 必要があ り ます。 ア ク
テ ィ ビ テ ィ レー ト は、 シ ミ ュ レーシ ョ ン さ れ る ブ ロ ッ ク に入力 さ れ る デー タ の通常の動作ま たは ワース ト ケース の
動作を示す必要があ り ます。 こ の よ う な情報は、 検証や機能の確認中には必ず し も 供給 さ れません。 無効なデー タ
が供給 さ れたために、 無効なデー タ や コ マ ン ド が入力 さ れた と き で も 、 シ ス テ ムが問題な く 処理 し て安定 し た状態
を保持す る こ と がで き る と 検証 さ れて し ま う 場合 も あ り ます。 こ の よ う なテ ス ト ケース を使用 し て消費電力解析を
実行す る と 、 デザ イ ン ロ ジ ッ ク に通常のシ ス テ ム動作状況 と 同 じ よ う に入力が供給 さ れないため、 消費電力見積 も
り が不正確にな り ます。
•
シ ス テ ム ト ラ ンザ ク シ ョ ン レベル
デザ イ ン サ イ ク ル初期に、 PCB 上のデバ イ ス間ま たは FPGA アプ リ ケーシ ョ ンの異な る フ ァ ン ク シ ョ ン間で発
生す る ト ラ ンザ ク シ ョ ン を記述 し てい る 場合があ り ます。 こ の記述か ら 、 特定の I/O ポー ト お よ びほ と ん ど の ク
ロ ッ ク ド メ イ ンのア ク テ ィ ビ テ ィ を フ ァ ン ク シ ョ ン ブ ロ ッ ク ご と に抽出で き ます。 こ の情報を使用す る と 、
Vivado 消費電力設定を入力 し やす く な り ます。
•
FPGA 記述レベル
アプ リ ケーシ ョ ンの RTL を定義す る 際は、 ビヘ イ ビ アー シ ミ ュ レーシ ョ ン を実行 し て機能を検証する 必要があ
る 場合があ り ます。 こ れは、 デー タ フ ロ ーお よ び ク ロ ッ ク サ イ ク ルに対す る 計算の有効性を検証す る のに役立
ち ます。 こ の段階では、 使用 さ れ る FPGA リ ソ ース数お よ び コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンは確定 し てい ません。 リ
ソ ース使用量を推定 し て、 I/O ポー ト ま たは内部制御信号 (セ ッ ト 、 リ セ ッ ト 、 ク ロ ッ ク イ ネーブル) のア ク
テ ィ ビ テ ィ を抽出で き ます。 こ の情報を使用す る と 、 Vivado 消費電力解析情報の精度が上が り ます。
シ ミ ュ レー タ で ノ ー ド ア ク テ ィ ビ テ ィ を抽出 し 、 SAIF フ ァ イ ル フ ォーマ ッ ト でエ ク ス ポー ト で き ます。 こ の
フ ァ イ ルは、 Vivado デザ イ ン フ ロ ーで よ り 正確な消費電力解析を実行す る ために保存で き ます。 た と えば、 イ
ンプ リ メ ン テーシ ョ ン後のシ ミ ュ レーシ ョ ン を実行す る つ も り がない場合な どは、 配置配線後に こ の フ ァ イ ル
を使用で き ます。
•
FPGA イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン レベル
イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン プ ロ セ ス の異な る 段階でシ ミ ュ レーシ ョ ン を実行 し 、 消費電力に関連す る さ ま ざ ま な
情報を取得で き ます。 こ の追加情報を使用 し て、 Xilinx Power Estimator ス プ レ ッ ド シー ト お よ び Vivado 消費電
力解析の結果を向上で き ます。 ま た、 I/O ポー ト お よ び特定のモジ ュ ールのア ク テ ィ ビ テ ィ を保存 し 、 合成後、
配置後、 配線後に Vivado 消費電力解析機能で再利用で き ます。
°
°
°
合成後 : ネ ッ ト リ ス ト が タ ーゲ ッ ト デバ イ ス で使用可能な実際の リ ソ ース にマ ッ プ さ れます。
配置後 : ネ ッ ト リ ス ト コ ン ポーネ ン ト が実際のデバ イ ス リ ソ ース に配置 さ れます。 こ のパ ッ ク 情報に よ り
最終的な ロ ジ ッ ク リ ソ ース数お よ び設定がわか る ので、 Xilinx Power Estimator ス プ レ ッ ド シー ト で情報を
更新で き ます。
配線後 : 配線が完了す る と 、 使用 さ れ る 配線 リ ソ ース に関す る すべての詳細お よ びデザ イ ンに含まれ る 各パ
ス の正確な タ イ ミ ン グ情報が定義 さ れます。 シ ミ ュ レー タ では、 イ ンプ リ メ ン ト さ れた回路の機能をベス
ト ケースお よ びワ ース ト ケース のゲー ト お よ び配線遅延で検証す る こ と に加え、 グ リ ッ チを含む内部 ノ ー
ド の正確な ア ク テ ィ ビ テ ィ が レ ポー ト さ れます。 こ の レベルの消費電力解析では、 プ ロ ト タ イ プのボー ド
で消費電力を実際に計測す る 前の最 も 正確な消費電力が得 ら れます。
消費電力解析および最適化
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
ベ ク タ ーレ ス見積 も り
デザ イ ン ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ がユーザーま たはシ ミ ュ レーシ ョ ン結果か ら 供給 さ れない場合、 ベ ク タ ーレ ス消
費電力見積 も り アルゴ リ ズ ムで こ のア ク テ ィ ビ テ ィ が予測 さ れます。 ベ ク タ ーレ ス エン ジ ンは、 未定義 ノ ー ド すべ
てに初期シー ド (デフ ォ ル ト の信号レー ト お よ びス タ テ ィ ッ ク 確率) を割 り 当て、 デザ イ ンのプ ラ イ マ リ 入力か ら 内
部 ノ ー ド の出力ま でア ク テ ィ ビ テ ィ を伝搬 し 、 プ ラ イ マ リ 出力に到達す る ま で こ の操作を繰 り 返 し ます。 こ のアル
ゴ リ ズ ムでは、 デザ イ ンの接続性、 リ ソ ース の機能、 お よ び コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンが識別 さ れます。 ヒ ュ ー リ ス
テ ィ ク ス に よ り 、 ネ ッ ト リ ス ト に含まれ る ど の ノ ー ド のグ リ ッ チ レー ト で も 見積 も る こ と がで き ます。 グ リ ッ チは、
デザ イ ン エ レ メ ン ト がア ク テ ィ ブな ク ロ ッ ク エ ッ ジ間で最終的な値に安定す る ま でに数回ス テー ト が変わ る と 発生
し ます。 ベ ク タ ーレ ス伝搬エン ジ ンは、 時間が比較的かか る 配線後のシ ミ ュ レーシ ョ ンほ ど正確ではあ り ませんが、
精度 と 計算速度のバ ラ ン ス を取っ た優れた方法です。
重要 : ベ ク タ ーレ ス の消費電力見積 も り では、 GT の出力ポー ト にア ク テ ィ ビ テ ィ が伝搬 さ れません。 デザ イ ン ロ
ジ ッ ク がア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト に よ っ て異な る 場合、set_switching_activity -type <rx_data|tx_data>
コ マ ン ド で GT 出力のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を明示的に指定 し て、 正確な解析が実行 さ れ る よ う にする 必要があ り
ます。
ヒ ン ト : ベ ク タ ーレ ス の消費電力見積 も り は、 ス イ ッ チン グ レー ト お よ びス タ テ ィ ッ ク 確率を明確に置 き 換え ない
限 り 、 デザ イ ンの平均消費電力見積 も り にな り ます。
ベ ク タ ーレ ス見積も り を改善するユーザー入力
特定の ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ は、 シ ス テ ムの仕様ま たは FPGA が通信す る イ ン タ ーフ ェ イ ス に よ り 決定 さ れ る の
で、 ど のデザ イ ンで も 通常は既知です。 特に FPGA の複数のセルを駆動す る ノ ー ド (セ ッ ト 、 リ セ ッ ト 、 ク ロ ッ ク イ
ネーブル、 ク ロ ッ ク 信号) に対 し て こ の情報を ツールに供給する と 、 消費電力見積 も り に有益です。
こ れ ら の ノ ー ド には、 次が含まれます。
•
ク ロ ッ ク ア ク テ ィ ビテ ィ
すべての FPGA ク ロ ッ ク ド メ イ ンの正確な周波数、 お よ び外部か ら 供給 さ れ る のか (入力ポー ト )、 内部で生成
さ れ る のか、 ま たは外部か ら プ リ ン ト 回路基板に供給 さ れ る のか (出力ポー ト ) は、 通常判明 し てい ます。
デザ イ ンには、 create_clock を使用 し て指定 し た ク ロ ッ ク が少な く と も 1 つ含まれてい る 必要があ り ます。
ク ロ ッ ク が定義 さ れていない場合、 [Report Power] を実行する と 警告 メ ッ セージが表示 さ れ、 ス イ ッ チン グ ア ク
テ ィ ビ テ ィ の算出に 10GHz ク ロ ッ ク 周波数が使用 さ れます。
•
I/O デー タ ポー ト
FPGA に対する デー タ の入出力のプ ロ ト コ ルお よ びフ ォーマ ッ ト がわか っ てい る と 、 通常はツールで少な く と も
一部の I/O に対 し て信号の遷移レー ト や信号の ス タ テ ィ ッ ク 確率を指定で き ます。 た と えば、 プ ロ ト コ ルに DC
バ ラ ン ス要件 (信号の ス タ テ ィ ッ ク 確率が 50%) があ る 場合や、 メ モ リ イ ン タ ーフ ェ イ スへのデー タ の書き 込み
お よ び メ モ リ イ ン タ ーフ ェ イ ス か ら のデー タ の読み出 し 頻度がわか っ てい る 場合は、 ス ト ロ ーブ信号お よ び
デー タ 信号のデー タ レー ト を設定で き ます。
プ ラ イ マ リ 入力にユーザー ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト が指定 さ れていない場合、 [Report Power] を実行す る と デフ ォ
ル ト の ス タ テ ィ ッ ク 確率 0.5 と デフ ォ ル ト の ト グル レー ト 12.5% が割 り 当て ら れます。
•
I/O お よ び内部制御信号
シ ス テ ムお よ びその機能か ら 、 セ ッ ト 、 リ セ ッ ト 、 ク ロ ッ ク イ ネーブルな ど の制御信号のア ク テ ィ ビ テ ィ を予
測で き る 場合があ り ます。 こ れ ら の信号は通常、 デザ イ ン ロ ジ ッ ク の広範囲部分をオン、 オ フ にで き る ので、
こ のア ク テ ィ ビ テ ィ 情報を供給す る こ と で消費電力見積 も り の精度が高 く な り ます。
プ ラ イ マ リ 入力が リ セ ッ ト であ る (順次エ レ メ ン ト の RESET ピ ンに直接接続 さ れてい る ) 場合は、 デフ ォ ル ト の
ス タ テ ィ ッ ク 確率 0 と デフ ォ ル ト の信号レー ト 0 が割 り 当て ら れます。 同様に、 プ ラ イ マ リ 入力が ク ロ ッ ク イ
ネーブルであ る (順次エ レ メ ン ト の CE ピ ンに直接接続 さ れてい る ) 場合は、デフ ォ ル ト の ス タ テ ィ ッ ク 確率 0.99
と デフ ォ ル ト の信号レー ト 2 が割 り 当て ら れます。
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
Vivado IDE からの消費電力解析の設定
[Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス で環境、 ア ク テ ィ ビ テ ィ 、 電源、 お よ びツール デフ ォ ル ト を指定す る には、 次を
実行 し ます。 図 4-2 を参照 し て く だ さ い。
1.
[Flow] → [Open Synthesized Design] ま たは [Flow] → [Open Implemented Design] を ク リ ッ ク し ます。
ま たは、 Flow Navigator で こ れ ら を ク リ ッ ク し ます。
2.
[Tool] → [Report] → [Report Power] を ク リ ッ ク し ます。
ま たは、 Flow Navigator で [Report Power] を ク リ ッ ク し ます。
3.
[Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス で、 デバ イ ス の環境お よ びツール設定を指定 し ます。
°
[Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス の各 タ ブで、 デザ イ ンの環境に合わせて設定を変更 し ます。
°
環境お よ び電圧設定は、 デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力に大 き く 影響 し ます。
°
ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト お よ び電圧設定は、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力に大き く 影響 し ます。
°
特定の設定が不明の場合は、 デフ ォ ル ト の値を使用 し て く だ さ い。
°
シ ミ ュ レーシ ョ ン結果か ら のア ク テ ィ ビ テ ィ フ ァ イ ルがあ る 場合、 こ のダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス で指定で き
ます。
こ れ ら の段階の詳細は、 第 3 章の 「デバ イ ス/デザ イ ン設定を確認 し て既知のエ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ テ ィ を調
整」 を参照 し て く だ さ い。
4.
レ ポー ト 名を指定 し ます。
Vivado IDE からの消費電力解析の実行
[Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス で [OK] を ク リ ッ ク し 、 消費電力解析を開始 し ます。 ツールで次が実行 さ れます。
1.
環境、 デバ イ ス、 お よ びツール オプシ ョ ンが考慮 さ れます。
2.
ネ ッ ト リ ス ト の接続お よ び コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンが読み込まれます。
3.
定義 し た ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ が適用 さ れます。
ノ ー ド と は、 ネ ッ ト 、 ピ ン、 ポー ト な ど の コ ン ポーネ ン ト です。
4.
残 り の未定義 ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ が決定 さ れ、 温度お よ び電源電力が算出 さ れます。
消費電力解析では、 ア ク テ ィ ビ テ ィ の定義に次の よ う な情報が使用 さ れます。
•
シ ミ ュ レーシ ョ ン フ ァ イ ル (SAIF)
•
ベ ク タ ーレ ス消費電力解析手法を使用 し た自動計算
•
set_switching_activity Tcl コ マ ン ド を使用 し た手動定義
詳細は、 「Tcl プ ロ ンプ ト か ら の消費電力解析の実行」 を参照 し て く だ さ い。
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
制御信号のア ク テ ィ ビ テ ィ の調整
正確な消費電力解析用に SAIF ベース のア ノ テーシ ョ ン を使用 し た場合は、 最初の解析を実行 し た後に消費電力解析
を調整で き ます。
[Report Power] コ マ ン ド では、 すべての制御信号が [Power] ウ ィ ン ド ウ の [Signals] に リ ス ト さ れます。 アプ リ ケー
シ ョ ンの予測 さ れ る 動作か ら 、 一部のセ ッ ト / リ セ ッ ト 信号が通常のデザ イ ン動作ではア ク テ ィ ブではない こ と な ど
がわか る 場合は、 こ れ ら の信号のア ク テ ィ ビ テ ィ を調整す る と 有益です。 同様に、 ブ ロ ッ ク が使用 さ れない と き に、
アプ リ ケーシ ョ ンに含まれ る 一部の信号がブ ロ ッ ク 全体をデ ィ ス エーブルにする こ と があ り ます。 機能に合わせて
ア ク テ ィ ビ テ ィ を調整 し て く だ さ い。
合成お よ び配置配線アルゴ リ ズ ムでは、 RTL 記述を最適化する ために制御信号が推論ま たはマ ッ プ し 直 さ れ る こ と
があ る ので、 こ れ ら のビ ュ ーに表示 さ れ る 信号に不明な信号が含まれてい る こ と があ り ます。 こ れ ら の信号が何な
のかがわか ら ない場合は、 ツールで こ れ ら のア ク テ ィ ビ テ ィ が決定 さ れ る よ う に し ます。
Vivado IDE からの消費電力レポー ト の解析
消費電力レ ポー ト お よ び解析ビ ュ ーは Vivado IDE に統合 さ れてい ます (図 4-4)。 さ ま ざ ま な消費電力ビ ュ ーを表示で
き る だけではな く 、 既存のビ ュ ー と 連動 さ せ る こ と も 可能です。
•
[Power] ウ ィ ン ド ウ の [Settings] ページに、 消費電力の算出に使用 さ れたデバ イ ス、 ツール、 お よ び環境設定がす
べて表示 さ れます。
•
[Summary] ページには、 重要な温度お よ び電源電力の結果のサマ リ が表示 さ れます。
[Utilization Details] セ ク シ ョ ンの各 リ ソ ース タ イ プのページ ま たは [Netlist] ウ ィ ン ド ウ で リ ソ ース タ イ プを選択す る
と 、 [Properties] ウ ィ ン ド ウ の [Statistics] ビ ュ ーに選択 し たエ レ メ ン ト の コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン、 使用量、 ア ク テ ィ
ビ テ ィ の詳細が表示 さ れます。 複数の レ ポー ト を生成 し て、 異な る 動作条件やア ク テ ィ ビ テ ィ パ タ ーンでの消費電
力を見積 も り で き ます。
[Utilization Details] セ ク シ ョ ンの値 ([Clocks] ページの [Frequency] ま たは [I/O] ページの [Signal Rate] な ど) には、 消費
電力解析を実行す る ために [Report Power] で使用 さ れた値の ソ ース を示すために色分け さ れてい る も のがあ り ます。
ウ ィ ン ド ウ の下部に、 その色が ど の ソ ース を意味す る のか示 さ れます。 た と えば、 値がシ ミ ュ レーシ ョ ン ア ク テ ィ
ビ テ ィ フ ァ イ ルか ら 提供 さ れてい る のか、 ユーザー定義なのか、 ベ ク タ ーレ ス伝搬エン ジ ンで割 り 当て ら れたデ
フ ォ ル ト 値なのかがわか り ます。
X-Ref Target - Figure 4-3
図 4-3 : 消費電力レポー ト の色分け
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
重要 : [Report Power] では、 IP イ ン テ グ レー タ ーを使用 し て コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン し た Zynq-7000 ブ ロ ッ ク の
Zynq®-7000 AP SoC 消費電力解析がサポー ト さ れます。 PS の使用お よ び機能は、 IP イ ン テ グ レー タ ー ツールで設定
し ます。 [Report Power] では、 こ れ ら の設定に基づいて消費電力が見積 も ら れます。 Vivado の消費電力見積 も り は読
み出 し 専用なので、 PS 特定のプ ロ セ ッ サの [Signal Rate] ま たは [Static Probability]、 イ ン タ ーフ ェ イ ス、 ま たは メ モ リ
を こ の段階で変更す る こ と はで き ません。 [PS] タ ブの各フ ィ ール ド の詳細は、 『Xilinx Power Estimator ユーザー ガ イ
ド 』 (UG440) [参照 4] の 「PS Sheet」 セ ク シ ョ ン を参照 し て く だ さ い。
X-Ref Target - Figure 4-4
図 4-4 : Vivado IDE での消費電力情報
消費電力レポー ト の保存 と 復元
レ ポー ト の保存 と 復元は、 2016.1 リ リ ース か ら Vivado に含まれ る よ う にな っ た新機能です。 こ の機能を使用す る と 、
Vivado IDE か ら の消費電力レ ポー ト を保存 し てか ら 、 必要な場合に開き 直す こ と がで き ます。 レ ポー ト は RPX 形式
で保存 さ れ、 次の Vivado Tcl コ マ ン ド でいつで も 開 く こ と がで き ます。
open_report
プ ロ ジ ェ ク ト モー ド で実行 し て、 イ ンプ リ メ ン ト 済みデザ イ ン を開 く と 、 消費電力レ ポー ト impl_1 が タ イ ミ ン グ レ
ポー ト の よ う にデフ ォ ル ト で開 き ます。
X-Ref Target - Figure 4-5
図 4-5 : 消費電力レポー ト
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
チ ェ ッ ク ポ イ ン ト フ ロ ーでは、 report_power Tcl コ マ ン ド で -rpx オプシ ョ ン を使用する と レ ポー ト を保存で き
ます。
report_power -rpx design_1_power.rpx
こ の保存 し た レ ポー ト は、 次の Tcl コ マ ン ド を使用する と Vivado IDE で開 く こ と がで き ます。
open_report -name rpx1 ./design_1_power.rpx
Vivado IDE での What-If 解析の実行
what-if 解析を実行す る には、 デザ イ ンのネ ッ ト お よ びセルに対 し て ト グル レー ト お よ びス タ テ ィ ッ ク 確率を設定 し
ます。 こ れ ら を設定す る には、 [Netlist] ウ ィ ン ド ウ、 回路図、 消費電力レ ポー ト でネ ッ ト ま たはセルを選択 し 、
[Properties] ウ ィ ン ド ウ の [Power] ビ ュ ーを ク リ ッ ク し ます (図 4-6)。 [Power] ビ ュ ーで [Edit Properties] ボ タ ン を ク リ ッ
ク し 、 [Edit Power Properties] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス で [Toggle rate] お よ び [Static probability] を設定 し 、 [OK] を ク リ ッ ク
し ます。
X-Ref Target - Figure 4-6
図 4-6 : [Net Properties] ウ ィ ン ド ウの [Power] ビ ュ ー
上記の例では、 [Toggle rate] は 1.5% に、 [Static probability] は 0.8 に設定 さ れてい ます。
[OK] を ク リ ッ ク す る と 、 Tcl コ ン ソ ールに次の XDC 制約が表示 さ れます。
set_switching_activity -toggle_rate 1.500000 -static_probability 0.800000 [get_nets en_a]
重要 : こ の XDC 制約に よ り 、 デザ イ ンはア ッ プデー ト が必要な状態にな り ます。
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
消費電力制約ア ド バイザー
消費電力制約ア ド バ イ ザー (Power Constraints Advisor) は、 ツールで算出 さ れたデザ イ ン内の制御信号すべての ス
イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を レ ポー ト し ます。 制御信号には、 リ セ ッ ト お よ び イ ネーブル ( リ セ ッ ト 、 セ ッ ト 、 ク リ
ア、 プ リ セ ッ ト な ど) が含まれます。 妥当な ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を供給する こ と に よ り 、 正確な消費電力見
積 も り を得 る こ と がで き ます。
消費電力制約ア ド バ イ ザーを実行す る には、 Vivado IDE で [Tools] → [Power Constraints Advisor] を ク リ ッ ク し ます。
X-Ref Target - Figure 4-7
図 4-7 : 消費電力制約ア ド バイザー
レ ポー ト の表を確認 し 、 非ア ク テ ィ ブな イ ネーブルや必要以上の時間アサー ト さ れ る リ セ ッ ト 信号な ど、 ク リ テ ィ
カルな制御信号の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ が不正な場合は修正 し ます。
消費電力制約ア ド バ イ ザー レ ポー ト には、 次の制約が表示 さ れます。
[Net] : ネ ッ ト は、 制御セ ッ ト か BRAM イ ネーブルのいずれかです。
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
[Confidence] : ネ ッ ト の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ がど の程度正確か (信頼性レベル) を示 し ます。 ネ ッ ト の信頼性
レベルを算出す る 際に消費電力ツールで使用 さ れ る し き い値は、 次の と お り です。
•
セ ッ ト / リ セ ッ ト /プ リ セ ッ ト / ク リ ア
X-Ref Target - Figure 4-8
図 4-8 : 消費電力ツールの し き い値
•
BRAM イ ネーブル
X-Ref Target - Figure 4-9
図 4-9 : BRAM イ ネーブル
注記 :
•
BRAM イ ネーブルに正 し い ス タ テ ィ ッ ク 確率を設定す る と 、 該当す る ネ ッ ト はア ド バ イ ザーに表示 さ れません。
•
信頼性レベルが Low の場合、 BRAM はデザ イ ンでア ク テ ィ ブではないので、 削除で き る か ど う かを再検討 し て
く だ さ い。
[Fanout] : 各制御信号のフ ァ ン ア ウ ト (駆動 さ れ る 最下位プ リ ミ テ ィ ブの数) を示 し ます。 フ ァ ン ア ウ ト が大き い信号
は、 確認 し て修正す る こ と が最 も 重要な信号です。 フ ァ ン ア ウ ト の大 き い信号は、 デザ イ ンの大部分のダ ウ ン ス ト
リ ーム ス イ ッ チン グ をデ ィ ス エーブルにする こ と がで き る ので、 消費電力がかな り 低 く レ ポー ト さ れ る 可能性があ
る か ら です。 フ ァ ン ア ウ ト の少ない信号は ス イ ッ チン グが不正確であ っ て も 影響が小 さ いので、 重要度は低 く な り
ます。
[Fanout Type] : ネ ッ ト が制御セ ッ ト (セ ッ ト 、 リ セ ッ ト 、 ク リ ア、 プ リ セ ッ ト ) か BRAM イ ネーブルかを示 し ます。 制
御ネ ッ ト に複数のエン ト リ があ る 場合、 こ れ ら のネ ッ ト に複数の フ ァ ン ア ウ ト があ り 、 フ ァ ン ア ウ ト セルの異な る
ピ ン を駆動す る こ と を意味 し ます。
[Polarity] : 制御セ ッ ト の極性を示 し ます。 ネ ッ ト の ス タ テ ィ ッ ク 確率を設定す る 際は、 極性に注意 し て く だ さ い。
[Static Probability] : 編集可能な フ ィ ール ド で、 ネ ッ ト の フ ァ ン ア ウ ト タ イ プ と 極性に基づいた正 し いア ク テ ィ ビ テ ィ
を入力す る 必要があ り ます。
[Toggle Rate] : ネ ッ ト の ト グル レー ト を示 し ます。 こ の フ ィ ール ド は編集可能で、 ス タ テ ィ ッ ク 確率に基づいて入力
す る 必要があ り ます。
消費電力制約ア ド バ イ ザーは、 次の よ う に使用す る こ と をお勧め し ます。
1.
[Confidence] 列を ク リ ッ ク し て Low が一番上にな る よ う に並べ替え ます。
2.
Ctrl キーを押 し なが ら [Fanout] 列を 2 回 ク リ ッ ク し て、 高い値か ら 低い値の順に並べ替え ます。
3.
信頼性レベルが Low で フ ァ ン ア ウ ト が 200 を超え る 制御ネ ッ ト すべて を確認 し 、 新 し い [Static Probability] と
[Toggle Rate] を定義 し ます。
4.
[OK] を ク リ ッ ク し てデザ イ ンに制約を適用 し 、 [Report Power] コ マ ン ド を再実行 し ます。
次は、 制御セ ッ ト お よ び BRAM イ ネーブルに正確な ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を設定 し やす く す る 例です。
消費電力解析および最適化
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
ア ク テ ィ ブ High リ セ ッ ト 、 ス タ テ ィ ッ ク 確率 0.9 : リ セ ッ ト が 90% の時間 High (ア ク テ ィ ブ) であ る こ と を意味 し ま
す。 ロ ー ド セルが 90% の時間 リ セ ッ ト さ れ る と い う こ と なので、 こ れは多すぎ ます。 [Static Probability] を 0 に、
[Toggle Rate] を 0 に設定 し て、 リ セ ッ ト が非ア ク テ ィ ブ ( よ り 現実的な状態) にな る よ う に ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ
テ ィ を変更 し て く だ さ い。
BRAM イ ネーブル、 ス タ テ ィ ッ ク 確率 0、 ト グル レー ト 0 : BRAM が イ ネーブルにな ら ない こ と を示 し てお り 、 こ れ
は非現実的です。 25% の イ ネーブル レー ト ([Static Probability] を 0.25、 [Toggle Rate] を 50) な ど、 BRAM イ ネーブル
に よ り 現実的な ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を割 り 当てて く だ さ い。
注記 : 次の コ マ ン ド を使用す る と 、 消費電力ア ド バ イ ザ リ のテ キ ス ト レ ポー ト を生成で き ます。
report_power -advisory -file power_report.pwr
ア ド バ イ ザ リ の表は、 こ の レ ポー ト フ ァ イ ルの最後に追加 さ れます。
Tcl イ ン タ ー フ ェ イ ス を使用 し た消費電力解析
こ のセ ク シ ョ ンでは、 Tcl イ ン タ ーフ ェ イ ス を使用 し た典型的な消費電力解析フ ロ ーを説明 し ます。 「消費電力解析
の Tcl コ マ ン ド 」 に、 消費電力解析に関連す る コ マ ン ド を リ ス ト し ます。
特定の コ マ ン ド のオプシ ョ ン、 プ ロ パテ ィ 、 適用可能なエ レ メ ン ト 、 お よ び戻 り 値は、 次を参照 し て く だ さ い。
•
「<command_name> -help」 と 入力
•
『Vivado Design Suite Tcl コ マ ン ド リ フ ァ レ ン ス ガ イ ド 』 (UG835) [参照 2] を参照
•
『Vivado Design Suite ユーザー ガ イ ド : 制約の使用』 (UG903) [参照 3] を参照
消費電力解析の Tcl コ マ ン ド
•
read_saif
•
set_switching_activity
•
set_operating_conditions
•
report_switching_activity
•
report_operating_conditions
•
report_power
•
reset_switching_activity
•
reset_operating_conditions
•
set_units
消費電力解析に影響する タ イ ミ ング制約
•
create_clock
•
create_generated_clock
•
set_input_delay
•
set_case_analysis
消費電力解析および最適化
UG907 (v2016.2) 2016 年 6 月 8 日
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
Tcl プ ロ ン プ ト からの消費電力解析の設定
消費電力見積 も り を実行す る 前に、 デバ イ ス の環境、 デザ イ ン ネ ッ ト リ ス ト の既知の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ
レー ト を指定す る 必要があ り ます。 こ れに よ り 、 消費電力見積 も り が正確な も のにな り ます。
•
「デバ イ ス環境」
•
「ネ ッ ト リ ス ト エ レ メ ン ト ア ク テ ィ ビ テ ィ 」
•
「set_case_analysis」
デバイ ス環境
次の よ う なデバ イ ス動作条件をすべて指定 し ます。
•
•
•
温度
°
周辺温度
°
ヒ ー ト シン ク
電圧
°
VCCINT
°
VCCAUX
°
VCCO
デバ イ ス
°
温度グ レー ド
°
プ ロ セ ス コ ーナー
次の コ マ ン ド を使用 し ます。
•
report_operating_conditions
すべて ま たは指定 し た動作条件設定を レ ポー ト し ます。 次に例を示 し ます。
report_operating_conditions
# Reports all
report_operating_conditions -voltage
•
set_operating_conditions
指定 さ れてい る 動作条件パ ラ メ ー タ ーを変更 し ます。 次に例を示 し ます。
set_operating_conditions -process maximum -junction_temperature 50
set_operating_conditions -voltage {vccint 0.97 vccaux 1.71}
•
reset_operating_conditions
指定 さ れてい る 動作条件パ ラ メ ー タ ーま たはすべてのパ ラ メ ー タ ーを、 選択 し たデバ イ ス のデフ ォ ル ト 値に戻
し ます。 次に例を示 し ます。
reset_operating_conditions
# Resets all
reset_operating_conditions -voltage
消費電力解析および最適化
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
ネ ッ ト リ ス ト エレ メ ン ト アクテ ィ ビテ ィ
次の コ マ ン ド を使用 し て、 信号ま たは ト グル レー ト お よ びス タ テ ィ ッ ク 確率な ど の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ 、
お よ び既知のネ ッ ト リ ス ト エ レ メ ン ト の ク ロ ッ ク 波形情報を定義 し ます。
•
set_switching_activity
指定 し たエ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ テ ィ を設定 し ます。 ス タ テ ィ ッ ク 確率 と 信号レー ト のいずれかか、 ス タ テ ィ ッ
ク レー ト と ト グル レー ト のいずれか を設定で き ます。 次に例を示 し ます。
°
プ ラ イ マ リ ポー ト と デザ イ ン全体のブ ラ ッ ク ボ ッ ク ス出力のデフ ォ ル ト の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を
設定す る には、 次を入力 し ます。
set_switching_activity -default_static_probability 0.5 -default_toggle_rate 12.5
°
ポー ト /ネ ッ ト /ピ ンの信号レー ト を設定する には、 次を入力 し ます。
set_switching_activity -static_probability 0.5 -signal_rate 50 [get_ports din*]
重要 : ス タ テ ィ ッ ク 確率が 0 よ り 大 き く 1 未満の場合、 信号レー ト は 0 よ り 大 き く す る 必要があ り ます。
同様に、 信号レー ト が 0 の場合、 ス タ テ ィ ッ ク 確率は 0 ま たは 1 にす る 必要があ り ます。
ス タ テ ィ ッ ク 確率 と 信号レー ト は、 一緒に指定す る 必要があ り ます。
°
ポー ト /ネ ッ ト /ピ ンの ト グル レー ト を設定す る には、 次を入力 し ます。
set_switching_activity -static_probability 0.5 -toggle_rate 25 [get_nets din_int*]
ト グル レー ト はエ レ メ ン ト に関連付け ら れた ク ロ ッ ク 専用の も ので、 有効な値の範囲は 0 ～ 100 です。
ノ ー ド グループに対 し て ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を設定す る 方法は、 次の と お り です。
°
set_switching_activity コ マ ン ド は、 -type オプシ ョ ン を付け る と 、 ノ ー ド グループ ( タ イ プ) のア
ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を設定す る のに も 使用で き ます。 次の表は、 サポー ト さ れ る タ イ プ を示 し てい ます。
表 4-1 : ス イ ッ チ ング ア ク テ ィ ビ テ ィ の Tcl コ マ ン ド の タ イ プ (-type オプ シ ョ ン)
タ イ プ名
ス イ ッ チ ング ア ク テ ィ ビ テ ィ
ピ ン名
セル名
bram_enable
BRAM の イ ネーブル ピ ン
ENARDEN/ENBWREN
RAMB36/18
bram
BRAM のア ク テ ィ ブ デー タ 出力
すべて
DOADO/DOBDO
RAMB36/18
bram_wr_enable
BRAM の書 き 込み イ ネーブル ピ ン
WEA/WEBWE
RAMB36/18
register
FF/ ラ ッ チの出力ピ ン
Q
FD*
shift_register
シ フ ト レ ジ ス タ の出力ピ ン
Q
SRL*
lut_ram
RAM の出力デー タ ピ ン
O
RAM(32|64|128|256)*
lut
出力ピ ン
O
LUT*
dsp
DSPデー タ 出力すべて
P/ACOUT/BCOUT/PCOUT
DSP48
gt_txdata
ポー ト の TX デー タ
TXDATA
GT*_CHANNEL
gt_rxdata
RX デー タ 出力ポー ト
RXDATA
GT*_CHANNEL
io_output
プ ラ イ マ リ 出力
get_ports -filter {DIRECTION
== OUT} && ‘I’ pin of OBUF*
& IOBUF*
OBUF*
io_bidir_enable
Bidir ポー ト の イ ネーブル ピ ン
T
OBUF*
消費電力解析および最適化
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
set_switching_activity コ マ ン ド の -type の使用例
デザ イ ンの最上位ス コ ープの LUT に指定 し た ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を設定 :
set_switching_activity -type lut –static_probability 0.5 –toggle_rate 25 [get_cells]
CPU/MEM の階層のすべての レ ジ ス タ に指定 し た ト グル レー ト と ス タ テ ィ ッ ク 確率を設定 :
set_switching_activity -type register -toggle_rate 0.4 -static_probability 0.5 [get_cells CPU/MEM]
CPU/ の階層 と その下の階層のすべての レ ジ ス タ に指定 し た ト グル レー ト と ス タ テ ィ ッ ク 確率を設定 :
set_switching_activity -type register -toggle_rate 0.4 -static_probability 0.5 –hier [get_cells CPU]
すべてのプ ラ イ マ リ 出力に指定 し た ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を設定 :
set_switching_activity -type io_output –static_probability 0.5 -toggle_rate 0.4 -all
重要 : 理想的には ト グル レー ト にはグ リ ッ チ レー ト は含まれ る べ き ではな く 、 次の条件が満た さ れてい る 必要があ
り ます。
(toggle_rate/200) =< static_probability =< 1-(toggle_rate/200)
グ リ ッ チ ス イ ッ チを考慮す る には、 信号レー ト 設定 と 実際のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を一緒に使用 し ます。
重要 : set_switching_activity を使用 し て も デザ イ ン ク ロ ッ ク ネ ッ ト には影響 し ません。 ク ロ ッ ク ネ ッ ト のア
ク テ ィ ビ テ ィ を変更す る には、 タ イ ミ ン グ制約 (create_clock、 create_generated、 set_case_analysis な
ど) を使用 し て く だ さ い。
•
report_switching_activity
指定 し たエ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ テ ィ を レ ポー ト し ます。 ス タ テ ィ ッ ク 確率、 信号レー ト お よ び ト グル レー ト
を表示 し ます。 割 り 当て ら れた ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ の ソ ース も 表示 し ます。
report_switching_activity コ マ ン ド の例は、 次の と お り です。
°
単一ネ ッ ト の ス タ テ ィ ッ ク 確率、 信号レー ト 、 ト グル レー ト を レ ポー ト :
Vivado% report_switching_activity -static_probability [get_ports clk_p]
clk_p:
static probability = 0.5 (C)
Vivado% report_switching_activity
clk_p:
(C)
[get_ports clk_p]
static probability = 0.5 (C)
signal rate = 400 (C) toggle rate = 200
割 り 当て ら れた ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ の ソ ース は、 (C) = XDC 制約、 (D) = ト グル デフ ォ ル ト 、
(S) = SAIF ア ノ テー ト 、 (A) = ユーザー割 り 当て、 で記述 さ れます。
°
グループ ノ ー ド を レ ポー ト :
-
階層 CPU/ の分散 RAM すべての ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を レ ポー ト :
report_switching_activity –type lut_ram
-
[get_cells CPU/*]
デザ イ ンの GT RXDATA すべての ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を レ ポー ト :
report_switching_activity –type gt_rxdata -all
サポー ト さ れ る タ イ プについては、 表 4-1 を参照 し て く だ さ い。
•
reset_switching_activity
消費電力解析および最適化
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
特定のネ ッ ト リ ス ト エ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト (ス タ テ ィ ッ ク 確率、 信号レー ト 、 お よ び ト グル レー
ト ) を ツールのデフ ォ ル ト 値に リ セ ッ ト し ます。 こ の コ マ ン ド では、 ユーザー指定の値 と シ ミ ュ レーシ ョ ン ア ク
テ ィ ビ テ ィ レー ト 設定の両方が リ セ ッ ト さ れます。 次に例を示 し ます。
°
プ ラ イ マ リ ポー ト と デザ イ ン全体のブ ラ ッ ク ボ ッ ク ス出力のデフ ォ ル ト の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を
リ セ ッ ト す る には、 次を入力 し ます。
reset_switching_activity -default
°
デザ イ ン全体のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を リ セ ッ ト する には、 次を入力 し ます。
reset_switching_activity -all
°
特定のポー ト /ネ ッ ト /ピ ンのア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を リ セ ッ ト す る には、 次を入力 し ます。
reset_switching_activity [get_ports din*]
°
ノ ー ド グループのア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を リ セ ッ ト :
-
デザ イ ン全体の BRAM イ ネーブル (ENARDEN/ENBWREN) すべての ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を リ
セッ ト :
reset_switching_activity –type bram_enable -all
-
階層 CPU/ と その下の レベルのすべての LUT の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を リ セ ッ ト :
reset_switching_activity –type lut –hier [get_cells CPU/MEM]
サポー ト さ れ る タ イ プについては、 表 4-1 を参照 し て く だ さ い。
•
read_saif
SAIF シ ミ ュ レーシ ョ ン出力フ ァ イ ルを読み込んで、 一致す る ネ ッ ト リ ス ト エ レ メ ン ト に こ の フ ァ イ ルに記述 さ
れてい る ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を ア ノ テー ト し ます。 次は、 その具体例です。
read_saif -out_file read_saif.rpt -strip_path tb/tb_core/core -file routed.saif
read_saif のオプシ ョ ンは、 次の と お り です。
-out_file : 不一致のシ ミ ュ レーシ ョ ンお よ びデザ イ ン ネ ッ ト リ ス ト を フ ァ イ ルにダ ンプ し ます。
-strip_path : デフ ォ ル ト では、 デザ イ ン最上位がテ ス ト ベンチに イ ン ス タ ン シエー ト さ れた と 想定 さ れ
ます。 こ のため、 階層の最初の 2 レベルは SAIF デー タ がデザ イ ンにア ノ テー ト さ れ る 間に削除 さ れます。
シ ミ ュ レーシ ョ ン設定に複数の階層レベルが含まれ る 場合は、 SAIF か ら 階層を削除 さ れ る 階層を指定 し
て、 実際のデザ イ ンに近い状態にな る よ う に し ます。
read_saif コ マ ン ド では、 SAIF ア ノ テーシ ョ ン サマ リ も 表示 さ れ、 一致す る デザ イ ン ネ ッ ト の数が表示 さ れ
ます。 正確な解析には 100% のデザ イ ン ネ ッ ト 一致が理想的です。
重要 : デザ イ ンに暗号化 さ れた IP/ブ ロ ッ ク が含まれてい る と 、 シ ミ ュ レー タ では こ れ ら の IP/ブ ロ ッ ク お よ び暗号化
さ れた階層の内部ブ ロ ッ ク に対 し て SAIF 情報が出力 さ れません。 こ の不完全な SAIF 情報が消費電力見積 も り の精
度に影響す る 可能性があ り ます。
read_saif コ マ ン ド では、 デザ イ ン ク ロ ッ ク ネ ッ ト のア ク テ ィ ビ テ ィ は変更 さ れません。 ク ロ ッ ク ネ ッ ト ア ク
テ ィ ビ テ ィ は、 タ イ ミ ン グ制約で駆動 さ れます。
read_saif コ マ ン ド は、 各 SAIF フ ァ イ ルに対 し て複数回実行で き ます。 こ れに よ り 、 デザ イ ンの異な る ブ ロ ッ ク
に複数の SAIF フ ァ イ ルを読み込む こ と がで き ます。 すべての SAIF フ ァ イ ルか ら の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を
考慮 し て消費電力が見積 も ら れます。 同 じ ネ ッ ト が複数の SAIF フ ァ イ ルに含まれ る 場合は、 read_saif コ マ ン ド
を使用 し て最後に読み込んだ SAIF フ ァ イ ルか ら の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ が適用 さ れます。
消費電力解析および最適化
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
•
create_clock
ク ロ ッ ク 波形を指定す る 合成/ イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン制約です。 次に例を示 し ます。
create_clock -name clk -period 5 [get_ports clk];
•
# 200MHz
create_generated_clock
生成 ク ロ ッ ク 波形を指定す る 合成/ イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン制約です。 次に例を示 し ます。
create_generated_clock -name gen_clk -source clk1 -divide_by 2 [get_net -hier sys_clk]
•
set_input_delay
プ ラ イ マ リ 入力を特定の ク ロ ッ ク に関連付け ます。 こ れは複数 ク ロ ッ ク のデザ イ ンの場合、 特にプ ラ イ マ リ
ポー ト が異な る ク ロ ッ ク で起動 さ れ る 場合に重要です。 次に例を示 し ます。
create_clock -name clk1 -period 5 [get_ports clk]
set_input_delay -clock clk1 1 [get_ports d]
注記 : プ ラ イ マ リ ポー ト が ど の ク ロ ッ ク と も 関連付け ら れていない場合、 ス イ ッ チン グ レー ト はパ ス のデス
テ ィ ネーシ ョ ン ク ロ ッ ク に基づいて計算 さ れます。
デフ ォ ル ト では、 create_clock お よ び create_generated_clock は XDC フ ァ イ ルで定義 さ れてい る ので、 再
実行す る 必要はあ り ません。 ただ し 、 [Report Power] の ク ロ ッ ク 周波数を変更する な ど what-if 解析を実行す る には、
変更を反映 さ せ る ために create_clock ま たは create_generated_clock を使用す る 必要があ り ます。
•
set_case_analysis
グ ロ ーバル ク ロ ッ ク プ リ ミ テ ィ ブ (BUFG、 BUFGCE、 BUFGCE_DIV、 BUFG_GT、 BUFGCTRL) の ク ロ ッ ク の
イ ネーブル/選択は、 set_case_analysis コ マ ン ド で指定 し ます。 こ の コ マ ン ド に よ り 、 タ イ ミ ン グ解析で ク
ロ ッ ク ロ ジ ッ ク を通過す る ク ロ ッ ク が特定 さ れます。 た と えば、 BUFGMUX のセ レ ク ト 信号を
set_case_analysis を使用 し て設定 し 、 タ イ ミ ン グ解析で正 し い ク ロ ッ ク が選択 さ れ る よ う にす る 必要があ
り ます。 こ れに よ り 、 [Report Power] で も 正 し い ク ロ ッ ク を使用 し て消費電力が見積 も ら れます。 BUGCE ブ
ロ ッ ク の場合、 CE 入力を set_case_analysis を使用 し て設定 し 、 ク ロ ッ ク 出力を イ ネーブルま たはデ ィ ス
エーブルにす る 必要があ り ます。
最小限の入力セ ッ ト
消費電力見積 も り を実行す る 前に、 次を実行 し ます。
•
ア ク テ ィ ビ テ ィ は、 ネ ッ ト リ ス ト のすべての ク ロ ッ ク に対 し て定義 さ れ る よ う に し ます。
•
可能な場合、 Tcl コ マ ン ド を使用 し てデザ イ ンに含まれ る プ ラ イ マ リ 入力ポー ト のア ク テ ィ ビ テ ィ を指定す る
か、 ま たはシ ミ ュ レーシ ョ ン出力フ ァ イ ルを読み込みます。 こ れ ら のポー ト のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト が内部 ロ
ジ ッ ク のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を決定する ので、 ツールのデフ ォ ル ト 設定がアプ リ ケーシ ョ ン と 一致 し ていな
い と 、 内部 ロ ジ ッ ク のア ク テ ィ ビ テ ィ が正 し く 見積 も ら れない可能性があ り ます。
•
HDL コ ー ド で定義 さ れてい る グ ロ ーバル セ ッ ト 、 リ セ ッ ト 、 ク ロ ッ ク イ ネーブル信号な ど、 フ ァ ン ア ウ ト が大
き いネ ッ ト のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト がわか っ てい る 場合は指定 し ます。
シ ミ ュ レーシ ョ ン結果フ ァ イ ルを読み込む際には、 ア ク テ ィ ビ テ ィ が ワース ト ケース デザ イ ンの論理ア ク テ ィ ビ
テ ィ を記述 し た も の (最大デザ イ ン コ ー ド カバレ ッ ジが達成 さ れたシ ミ ュ レーシ ョ ン結果) であ る よ う に し て く だ さ
い。 ベーシ ッ ク お よ び コ ーナー ケース テ ス ト のシ ミ ュ レーシ ョ ン結果を使用す る と 、 消費電力が正確に見積 も ら れ
ない可能性があ り ます。
消費電力解析および最適化
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
Tcl プ ロ ン プ ト からの消費電力解析の実行
環境お よ びア ク テ ィ ビ テ ィ をすべて定義 し た ら 、 report_power コ マ ン ド を使用 し て消費電力解析アルゴ リ ズ ム を
実行で き ます。 次に例を示 し ます。
Vivado% report_power -file routed.pwr -xpe design_top.xpe
ツールで次が実行 さ れます。
1.
環境設定お よ びデザ イ ンのネ ッ ト リ ス ト が読み込まれます。
2.
入力フ ァ イ ルま たは Tcl コ マ ン ド を使用 し て指定 し たネ ッ ト リ ス ト エ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ テ ィ がア ノ テー ト
さ れます。
注記 : 未定義の ノ ー ド には、 ベ ク タ ーレ ス伝搬エン ジ ンに よ り 、 既知のエ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ テ ィ 、 ロ ジ ッ ク
の構成お よ び接続に基づいて ア ク テ ィ ビ テ ィ が見積 も ら れます。
3.
デザ イ ンの温度お よ び電源電力が計算お よ びレ ポー ト さ れます。
Tcl プ ロ ン プ ト からの消費電力レポー ト の解析
デザ イ ンの消費電力を解析す る には、 まず消費電力レ ポー ト に含まれてい る 温度お よ び電源電力情報を確認 し ます
(図 4-10)。
次に、 要件に対す る デザ イ ン マージ ンに よ っ て、 リ ソ ース ま たは階層セ ク シ ョ ン を確認 し ます。 こ れ ら のセ ク シ ョ
ンには、 デザ イ ンの消費電力の分配が詳細に示 さ れます。 解析の結果、 Xilinx Power Estimator に戻 り 、 デザ イ ンの
アーキ テ ク チ ャ シナ リ オ を実行す る 必要が出て く る 可能性があ り ます。
what-if シナ リ オを実行 し 、 次の設定を変更 し た場合の影響を評価で き ます。
•
環境
•
デバ イ ス
•
イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン
•
消費電力ツール
消費電力解析および最適化
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
X-Ref Target - Figure 4-10
図 4-10 : 消費電力および温度情報を含むテキス ト 形式レポー ト
使用モデルの例
Vivado に含まれてい る cpu_hdl デザ イ ン を使用 し た場合の、 上記のセ ク シ ョ ン で説明 し た コ マ ン ド のほ と ん ど を含
むス ク リ プ ト 例を示 し ます。
消費電力レ ポー ト は Tcl コ マ ン ド を使用 し てダ イ ナ ミ ッ ク に実行で き ます。 次に例を示 し ます。
vivado -mode batch -source power_analysis.tcl
ま たは、 Tcl ス ク リ プ ト を使用す る こ と も で き ます。 次に、 バ ッ チ モー ド で ス ク リ プ ト を実行する 場合の ス ク リ プ ト
例を示 し ます。
消費電力解析および最適化
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
例 1 : プ ロ ジ ェ ク ト モー ド での合成後および イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン後の消費電
力見積 も り および比較
#--------------------- Setup estimation --------------------# Open example project with HDL source files and timing constraints
create_project project_1 $work_dir/project_1 -part xc7k70tfbg676-2 -force
set_property target_language VHDL [current_project]
instantiate_example_design -template xilinx.com:design:cpu_hdl:1.0
#----------------------- Run Synthesis then Power estimation ----------------# Run Vivado Design Suite synthesis and automatically
launch_runs synth_1
wait_on_run synth_1
#open design
open_run synth_1
# Display tool default assumed operating conditions
report_operating_conditions -all
# Set specific device and environment operating conditions
set_operating_conditions -ambient 25
set_operating_conditions -voltage {vccint 1.0 vccaux 1.71}
# Generate verbose post-synthesis power report
report_power -verbose -file ex1_post-synthesis.pwr
#------------------------ Run Implementation then Power estimation ----------launch_runs impl_1
wait_on_run impl_1
#open design
open_run impl_1
# Generate post-implementation verbose power report
report_power -file ex1_post-implementation.pwr
# Return operating conditions to default for device
reset_operating_conditions -ambient -voltage {vccint vccaux}
消費電力解析および最適化
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
例 2 : 非プ ロ ジ ェ ク ト モー ド での合成後お よび イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン後の消費
電力見積 も り お よび比較
#--------------------- Setup estimation --------------------# Open netlist in projectless mode
read_edif -name top.edf
Link the design
link_design
# OR open Vivado checkpoint
open_checkpoint -file post_synth.dcp
# read design constraints, if it is not part of a design checkpoint (DCP)
read_xdc -name top_full.xdc
# Display tool default assumed operating conditions
report_operating_conditions -all
# Set specific device and environment operating conditions
set_operating_conditions -ambient 25
set_operating_conditions -voltage {vccint 0.95 vccaux 1.71}
#---------------------- Power estimation at post synthesis ---------------# Generate verbose post-synthesis power report
report_power -verbose -file ex1_post-synthesis.pwr
#----Run various Implementation steps then run Power estimation after every step ---opt_design
report_power -verbose -file ex1_post-opt_design.pwr
power_opt_design ;# Optional
report_power -verbose -file ex1_post_pwr_opt_design.pwr
place_design
report_power -verbose -file ex1_post_place_design.pwr
phys_opt_design ;# Optional
report_power -verbose -file ex1_post_phys_opt_design.pwr
route_design
# Generate post-route verbose power report
report_power -verbose -file ex1_post_route_design.pwr
# Return operating conditions to default for device
reset_operating_conditions -ambient -voltage {vccint vccaux}
例 3 : リ セ ッ ト 時のス タ テ ィ ッ ク 確率の値が正確であ る こ と を確認
# Query the Static Probability value of the reset
report_switching_activity -static_probability [get_ports reset]
# Output is reset: static probability = 0.5 (D)
# Set Static Probability value and signal rate of reset to 0
set_switching_activity -static_probability 0.0 -toggle_rate 0 [get_ports reset]
# Generate post-route verbose power report
report_power -verbose -file ex1_post_route_design.pwr
消費電力解析および最適化
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
例 4 : what-if デザイ ン解析/レポー ト 、 デザイ ン ア ク テ ィ ビ テ ィ の変更/ リ セ ッ ト
消費電力解析での作業はダ イ ナ ミ ッ ク であ り 、 what-if シナ リ オを即座に試す こ と がで き ます。 イ ンプ リ メ ン ト 済み
デザ イ ン を開 き 、 次の コ マ ン ド を入力 し ます。 こ れに よ り 、 サブモジ ュ ール fftEngine の制御信号 ( ク ロ ッ ク イ
ネーブルお よ び リ セ ッ ト ) のア ク テ ィ ビ テ ィ が変更 さ れ、 こ の階層レベルお よ びデザ イ ン全体の消費電力への影響を
評価で き ます。
#---------------- Report power and activity with default settings -----------# Report power
report_power -file ex3_power_before.pwr
# Get activity of signals of interest
report_switching_activity [get_nets {fftEngine/reset fftEngine/wb_we_i_reg}]
#---------- scenario with no reset and higher CE activity -------------# disable reset and enable clock enables in module fftEngine most of the time
set_switching_activity -static_probability 0 -signal_rate 0 [get_nets fftEngine/reset_reg]
set_switching_activity -static_probability 1 -toggle_rate 0 [get_nets fftEngine/wb_we_i_reg]
report_power -file ex3_power_no_reset_activ.pwr
report_switching_activity [get_nets fftEngine/reset_reg fftEngine/wb_we_i_reg]
#----------- scenario with active reset and low CE activity --------# enable reset and disable clock enable in module fftEngine most of the time
set_switching_activity -static_probability 1 -toggle_rate 0 [get_nets fftEngine/reset_reg]
set_switching_activity -static_probability 0 -signal_rate 0 [get_nets fftEngine/wb_we_i_reg]
report_power -file ex3_power_reset_activ.pwr
report_switching_activity [get_nets fftEngine/reset_reg fftEngine/wb_we_i_reg]
消費電力解析および最適化
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
消費電力最適化の機能
Vivado デザ イ ン ツールでは、 さ ま ざ ま な消費電力の最適化が提供 さ れてお り 、 デザ イ ンのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力を
最大 30% 削減で き ます。 こ れ ら の最適化では、 ASIC で使用 さ れ る ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グ手法が使用 さ れ、 デザ イ
ンの出力に影響 し ない部分や、 その ク ロ ッ ク サ イ ク ルで ス テー ト のア ッ プデー ト が不要な部分のア ク テ ィ ビ テ ィ を
最小限に抑え る こ と がで き ます。 こ れ ら の最適化は、 デザ イ ン全体に適用す る か、 選択 し た部分のみに適用で き ま
す (図 4-11)。
FPGA のダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力は、 デザ イ ンの さ ま ざ ま な ノ ー ド におけ る ク ロ ッ ク 周波数 (f)、 ノ ー ド 容量 (C)、
FPGA の動作電圧 (V)、 お よ びア ク テ ィ ビ テ ィ か ら 算出 さ れます。 ほ と ん ど のデザ イ ン では、 上記のパ ラ メ ー タ ーの
い く つかは FPGA テ ク ノ ロ ジ (電圧な ど) ま たはデザ イ ン要件 (動作周波数) に よ り 通常固定 さ れますが、 デザ イ ン内
のモー ド には FPGA の出力には影響 し ないが ト グル し 続け る も の も あ り 、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力の大 き な部分を占
め ます。 こ の よ う な ノ ー ド を FPGA の ク ロ ッ ク イ ネーブル (CE) を使用 し てゲーテ ィ ン グで き ます。 こ れは コ ーデ ィ
ン グ手法で も 達成で き ますが、 デザ イ ンにほかの ソ ース か ら の IP が含まれていた り 、 その よ う な細粒度のゲーテ ィ
ン グ を実行す る には多大な労力を要す る ため、 ほ と ん ど の場合は実行 さ れません。 Vivado では こ れ ら の消費電力の
最適化が 1 つの コ マ ン ド で自動的に実行で き 、 最大限の消費電力削減を簡単に実行で き ます。
Vivado では、 レ ガシ IP ブ ロ ッ ク お よ びサー ド パーテ ィ IP ブ ロ ッ ク を含むデザ イ ン全体が解析 さ れます。 各 ク ロ ッ ク
サ イ ク ルの結果に影響 し ない ソ ース レ ジ ス タ の出力 ロ ジ ッ ク を特定 し 、 細粒度 ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グ ま たは ロ ジ ッ
ク ゲーテ ィ ン グ信号を作成 し て、 不要な ス イ ッ チ イ ン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を除去 し ます。
X-Ref Target - Figure 4-11
Before
sig
After
Power
Consumption
Power
Consumption
sig
CE
WP389_15_021011
図 4-11 : ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ング
ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グに よ る 最適化では、 シ ンプル デ ュ アル ポー ト モー ド ま たは完全なデ ュ アル ポー ト モー ド 両
方の専用ブ ロ ッ ク RAM の消費電力 も 削減 さ れます (図 4-12）。 こ れ ら のブ ロ ッ ク には、 ア レ イ イ ネーブル、 ラ イ ト
イ ネーブル、 お よ び出力レ ジ ス タ の ク ロ ッ ク イ ネーブルな ど の イ ネーブル信号があ り ます。 節約 さ れ る 消費電力の
ほ と ん どはア レ イ イ ネーブルの使用に よ る も ので、 デー タ が書き 込まれず、 出力が使用 さ れない と き に、 消費電力
を削減す る 機能が イ ンプ リ メ ン ト さ れます。
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X-Ref Target - Figure 4-12
Before
After
address
address
data out
data in
data out
data in
ce
WP389_16_021011
図 4-12 : ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ングによ る最適化で ブ ロ ッ ク RAM イ ネーブルを活用
ザ イ リ ン ク ス の ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グ最適化では追加のゲーテ ィ ン グ ロ ジ ッ ク が作成 さ れ、 ユーザー ロ ジ ッ ク が変
更 さ れ る こ と はないので、 デザ イ ンの機能は常に保持 さ れます。 ただ し 、 こ の最適化に よ っ て、 特に最適化が ク リ
テ ィ カル パ ス に使用 さ れた場合な どは、 タ イ ミ ン グが影響を受け る こ と があ り ます。
ブ ロ ッ ク RAM の WRITE_MODE の消費電力最適化
ザ イ リ ン ク ス 7 シ リ ーズ デバ イ ス では、 完全なデュ アル ポー ト (TDP) のブ ロ ッ ク RAM の場合、 そのポー ト の出力
が接続 さ れていないか、 書 き 込み中に不要であれば、 WRITE_MODE は WRITE_FIRST か ら NO_CHANGE に変更で
き ます。
同様に、 完全なデ ュ アル ポー ト (TDP) のブ ロ ッ ク RAM の場合、 そのポー ト の出力が接続 さ れていなければ、
WRITE_MODE は WRITE_FIRST か ら NO_CHANGE に変更で き ます。
UltraScale™ デバ イ ス では、 上記の最適化に加え て、 シ ンプル デ ュ アル ポー ト (SDP) モー ド の場合、 読み出 し ポー ト
と 書 き 込みポー ト 両方の WRITE_MODE は、 読み出 し お よ び書 き 込みポー ト の ク ロ ッ ク が非同期であれば、 安全に
NO_CHANGE に変更で き ます。
変更す る と 、 ブ ロ ッ ク RAM の出力ポー ト はア ッ プデー ト さ れないため、 書き 込みサ イ ク ルの消費電力を削減で き ま
す。 こ の最適化は、 ユーザー定義の機能お よ びパフ ォーマ ン ス に影響のない場合にのみ実行 さ れます。
ブ ロ ッ ク RAM のカ スケー ド 最適化
ザ イ リ ン ク ス 7 シ リ ーズデバ イ ス でブ ロ ッ ク RAM がカ ス ケー ド さ れ る 場合、 いつで も ア ク テ ィ ブにで き る ブ ロ ッ ク
RAM は 1 つのみなので、 残 り のブ ロ ッ ク RAM はア ド レ スお よ び既存の イ ネーブル条件に基づいてデ ィ ス エーブル
にで き ます。 こ れに よ り 、 消費電力を大幅に削減で き ます。
こ れ ら の最適化は、 Vivado Design Suite の opt_design 段階で実行 さ れます。
Vivado IDE での消費電力最適化の実行
消費電力最適化は、 Vivado の opt_design お よ び power_opt_design 段階で実行 さ れます。
opt_design 中に実行 さ れ る 最適化には、 ユーザーの操作は必要あ り ません。 こ れ ら の最適化は、 主にブ ロ ッ ク
RAM の消費電力削減を目的 と し てい ます。
重要 : 消費電力最適化は、 opt_design、 power_opt_design のいずれか ま たは両方で、 デザ イ ンの タ イ ミ ン グ パ
フ ォーマ ン ス に影響す る こ と があ り ます。
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UltraScale デバ イ ス の場合、タ イ ミ ン グに悪影響を及ぼす可能性のあ る よ り ア グ レ ッ シブな BRAM 消費電力最適化が
power_opt_design にのみ含まれ る ので、 消費電力を抑え る よ り も パフ ォーマ ン ス を優先 さ せる こ と がで き ます。
デフ ォ ル ト では、 opt_design コ マ ン ド でブ ロ ッ ク RAM の消費電力最適化が実行 さ れます。 ブ ロ ッ ク RAM の消費
電力最適化は、 -bram_power_opt オプシ ョ ン を使用 し て明示的に ス タ ン ド ア ロ ン で実行す る こ と も で き ます。
opt_design -bram_power_opt
ブ ロ ッ ク RAM の消費電力最適化をデフ ォ ル ト の opt_design フ ロ ーか ら デ ィ ス エーブルにす る には、
opt_design コ マ ン ド に NoBramPowerOpt 指示子を設定 し ます。
opt_design -directive NoBramPowerOpt
こ の指示子は、 [Project Settings] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス の [Implementation] ページ (図 4-13) か ら も 設定で き ます。
X-Ref Target - Figure 4-13
図 4-13 : 最適化中のブ ロ ッ ク RAM の消費電力最適化を オ フ
Vivado IDE で power_opt_design を使用 し た消費電力最適化を イ ネーブルにする には、 [Tools] → [Project Settings]
を ク リ ッ ク し 、 [Implementation] を選択 し て [Power Opt Design] の下の [is_enabled] オプシ ョ ン をオンに し ます
(図 4-14)。
こ のオプシ ョ ン を オンにす る と 、 消費電力最適化が Vivado IDE の イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ンの一部 と し て実行 さ れま
す。 最適化を詳細に設定 し 、 その結果を レ ポー ト す る 場合は、 「消費電力解析の Tcl コ マ ン ド 」 を参照 し て く だ さ い。
重要 : [Power Opt Design] は、 デザ イ ン フ ロ ーの配置前ま たは配置後のいずれかで イ ネーブルにで き ますが、 両方で
は イ ネーブルにで き ません。 詳細は、 「消費電力最適化の実行」 を参照 し て く だ さ い。
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X-Ref Target - Figure 4-14
図 4-14 : 消費電力最適化オプ シ ョ ン
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Vivado IDE での消費電力最適化レポー ト の表示
Vivado IDE では、 デザ イ ンで実行 さ れた消費電力最適化を示す消費電力最適化レ ポー ト を表示で き ます。 消費電力
最適化レ ポー ト は、 合成ま たは イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン後に表示で き ます。
重要 : Vivado では、消費電力最適化は Vivado デザ イ ン フ ロ ーの opt_design お よ び power_opt_design 段階で実
行 さ れます。 こ れ ら の段階はど ち ら も デザ イ ンが合成 さ れた後の イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン中に実行 さ れます。 合成
済みデザ イ ンで消費電力最適化レ ポー ト の生成を実行す る と 、 レ ポー ト には元のデザ イ ンに コ ー ド 記述 さ れた消費
電力最適化機能に関す る 情報 ( ク ロ ッ ク イ ネーブル (CE) を使用 し た BRAM のゲー ト 制御な ど) のみが含まれます。
ツールで イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン中に実行 さ れ る 消費電力最適化情報は含まれません。
Vivado IDE での消費電力最適化レ ポー ト を表示する には、 次の手順を実行 し ます。
1.
Flow Navigator で [Open Synthesized Design] ま たは [Open Implemented Design] を ク リ ッ ク し ます。
2.
[Tool] → [Report] → [Report Power Optimization] を ク リ ッ ク し ます。
こ の操作は、 次の Tcl コ マ ン ド で も 実行で き ます。
report_power_opt -name <report_name>
3.
[Report Power Optimization] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス (図 4-15) で次のオプシ ョ ン を指定 し ます。
°
°
°
[Results name] : Vivado IDE で表示 さ れ る 消費電力最適化レ ポー ト の名前を指定 し ます。
[Export to file] : オ ン にす る と 、 Vivado IDE に消費電力最適化レ ポー ト だけでな く 、 テ キ ス ト 形式の レ ポー
ト も 生成 さ れ ます。 テ キ ス ト フ ァ イ ルの フ ァ イ ル名 と デ ィ レ ク ト リ を指定 し 、 TXT か XML 形式を選択 し
ます。
[Open in a new tab] : オンにす る と 、 こ の新 し い消費電力最適化レ ポー ト が現在 Vivado IDE で表示 さ れてい る
その他の消費電力最適化レ ポー ト に追加 さ れます。 オ フ の ま ま にす る と 、 Vivado IDE に現在表示 さ れてい
る 消費電力最適化レ ポー ト がすべて こ の新 し い消費電力最適化レ ポー ト で上書き さ れます。
X-Ref Target - Figure 4-15
図 4-15 : [Report Power Optimization] ダ イ ア ログ ボ ッ ク ス
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4.
[OK] を ク リ ッ ク し ます。
消費電力最適化レ ポー ト が Vivado IDE の結果 ウ ィ ン ド ウ エ リ アに表示 さ れます。
X-Ref Target - Figure 4-16
図 4-16 : 消費電力最適化レ ポー ト - サマ リ
消費電力最適化レ ポー ト は、 次の よ う な カ テ ゴ リ 別に表示 さ せ る こ と がで き ます。
•
[General Information] : デザ イ ンに関する 情報、 デザ イ ンの ど の部分にザ イ リ ン ク ス デバ イ ス が イ ンプ リ メ ン ト さ
れ る か、 こ の消費電力最適化レ ポー ト を生成 し た Tcl コ マ ン ド な ど
•
[Summary] : ユーザーま たは消費電力最適化ツールで最適化 さ れたブ ロ ッ ク RAM、 SRL、 ス ラ イ ス レ ジ ス タ の数
•
[Recommendations] : 消費電力改善目的でデザ イ ン を さ ら に最適化する ためにで き る こ と
•
[Hierarchical Information] : Vivado の消費電力最適化 さ れた BRAM、 SRL、 シ フ ト レ ジ ス タ の詳細。 図 4-17 では、
イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン中に最適化 さ れた BRAM セルの リ ス ト (Tool Gated BRAMs) が表示 さ れてい ます。
X-Ref Target - Figure 4-17
図 4-17 : 消費電力最適化レポー ト - 階層情報
Vivado で実行 さ れ る 消費電力最適化の詳細は、 「消費電力最適化の機能」 お よ び 「ブ ロ ッ ク RAM の
WRITE_MODE の消費電力最適化」 を参照 し て く だ さ い。
sd
ヒ ン ト : 階層モジ ュ ールま たは イ ン ス タ ン ス に DONT_TOUCH 属性が設定 さ れてい る 場合は、 消費電力最適化でそ
の ロ ジ ッ ク が最適化 さ れ る こ と はあ り ません。
消費電力解析および最適化
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Tcl イ ン タ ー フ ェ イ ス を使用 し た消費電力最適化の実行
Vivado には、 消費電力最適化用に 4 つの Tcl コ マ ン ド があ り ます。
•
set_power_opt
•
opt_design -bram_power_opt
•
power_opt_design
•
report_power_opt
こ れ ら の コ マ ン ド は、 消費電力最適化を有効に し 、 デザ イ ンの最適化を適用す る 部分を指定 し 、 実行 さ れた最適化
の効果を レ ポー ト し ます。
特定の コ マ ン ド のオプシ ョ ン、 プ ロ パテ ィ 、 適用可能なエ レ メ ン ト 、 お よ び戻 り 値は、 次を参照 し て く だ さ い。
•
「<command_name> -help」 と 入力
•
『Vivado Design Suite Tcl コ マ ン ド リ フ ァ レ ン ス ガ イ ド 』 (UG835) [参照 2] お よ び 『Vivado Design Suite ユーザー
ガ イ ド : 制約の使用』 (UG903) [参照 3]
消費電力最適化制約の設定
消費電力最適化を実行す る 前に、 オプシ ョ ンで消費電力最適化制約を設定 し 、 消費電力最適化を実行する デザ イ ン
の部分を特定で き ます。 set_power_opt コ マ ン ド を使用す る と 、 消費電力最適化にセル タ イ プ、 階層レベル、 ク
ロ ッ ク ド メ イ ン を含め る か ど う かな ど を設定で き ます。
ヒ ン ト : こ の場合で も 、 power_opt_design コ マ ン ド を使用 し て消費電力最適化を有効にす る 必要があ り ます。
set_power_opt コ マ ン ド は、 最適化を実行す る 部分を指定す る ためにのみ使用 し ます。
set_power_opt コ マ ン ド の構文は、 次の と お り です。
set_power_opt [-include_cells <args>] [-exclude_cells <args>] [-clocks <args>]
[-cell_types <args>] [-quiet] [-verbose]
表 4-2 : set_power_opt のオプ シ ョ ン
オプ シ ョ ン名
省略可
デ フ ォル ト
説明
-include_cells
○
すべて
ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グに含め る セルを指定 し ます。
-exclude_cells
○
なし
ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グか ら 除外する セルを指定 し ます。
-clocks
○
すべての
クロック
指定 し た ク ロ ッ ク が供給 さ れ る セルに ク ロ ッ ク ゲー
テ ィ ン グ を適用 し ます。
-cell_types
○
すべて
ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グ を適用する セル タ イ プを指定 し
ます。 all、 bram、 reg、 srl、 none のいずれか を指
定 し ます。
-quiet
○
なし
コ マ ン ド エ ラ ーを非表示に し ます。
-verbose
○
なし
プ ロ グ ラ ム実行中 メ ッ セージの制限を解除 し 、 すべて
の メ ッ セージ を表示 し ます。
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例
次の例では、 BRAM お よ び REG セルに対 し て消費電力最適化を設定 し 、 その後 SRL を追加 し てい ます。
set_power_opt -cell_types {bram reg}
set_power_opt -cell_types {srl}
次の例では、 BRAM セルにのみ消費電力最低か を設定 し 、 その後 cpuEngine ブ ロ ッ ク を最適化か ら 除外 し て、
cpuEngine/cpu_dbg_dat_i ブ ロ ッ ク を追加 し てい ます。
set_power_opt -cell_types bram
set_power_opt -exclude_cells cpuEngine
set_power_opt -include_cells cpuEngine/cpu_dbg_dat_i
消費電力最適化の実行
消費電力最適化は、 消費電力を最小限に抑え る ため、 デザ イ ン全体ま たはデザ イ ンの一部 (set_power_opt を使用
し た場合) に実行で き ます。
消費電力最適化は、 デザ イ ン フ ロ ーの配置前ま たは配置後のいずれかで実行で き ますが、 両方では実行で き ません。
配置前の消費電力最適化では、 消費電力の削減量を最大にす る こ と に焦点が置かれ、 まれに タ イ ミ ン グが悪化する
こ と も あ り ます。 タ イ ミ ン グの保持が主な目標の場合は、 消費電力最適化を配置後に実行する よ う に し て く だ さ い。
こ の場合、 タ イ ミ ン グ を保持 し た消費電力最適化のみが実行 さ れます。 配置後に phys_opt_design
-bram_enable_opt を実行す る と 、 タ イ ミ ン グに影響する BRAM イ ネーブルの最適化の一部を元に戻す こ と も で
き ます。
典型的な配置前の消費電力最適化の ス ク リ プ ト は、 次の よ う にな り ます。
synth_design
opt_design
power_opt_design
place_design
route_design
report_power
こ の コ マ ン ド の構文は、 次の と お り です。
power_opt_design [-quiet] [-verbose]
表 4-3 : power_opt_design のオプ シ ョ ン
オプ シ ョ ン名
省略可
デ フ ォル ト
説明
-quiet
○
なし
コ マ ン ド エ ラ ーを非表示に し ます。
-verbose
○
なし
プ ロ グ ラ ム実行中 メ ッ セージの制限を解除 し 、 すべての
メ ッ セージ を表示 し ます。
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消費電力最適化テキス ト レポー ト の生成
report_power_opt コ マ ン ド を実行す る と 、 ブ ロ ッ ク RAM、 SRL、 レ ジ ス タ な ど、 消費電力最適化が実行 さ れた
すべてのセルがテ キ ス ト レ ポー ト に階層別に示 さ れます。 各セルに使用 さ れた イ ネーブルに関す る 情報 と 、 イ ネー
ブルが Vivado で作成 さ れたのかユーザーに よ り 作成 さ れたのかが示 さ れます。
こ の コ マ ン ド の構文は、 次の と お り です。
report_power_opt [-cell <arg>] [-file <arg>] [-quiet] [-verbose]
表 4-4 : report_power_opt のオプ シ ョ ン
オプ シ ョ ン名
省略可
デ フ ォル ト
説明
-cell
○
最上位
指定 し たセルの消費電力最適化を レ ポー ト し ます。
-file
○
なし
レ ポー ト を出力す る フ ァ イ ルを指定 し ます。 指定 し た
フ ァ イ ルが既に存在す る 場合は、 上書 き さ れます。
-quiet
○
なし
コ マ ン ド エ ラ ーを非表示に し ます。
-verbose
○
なし
プ ロ グ ラ ム実行中 メ ッ セージの制限を解除 し 、 すべての
メ ッ セージ を表示 し ます。
例
次の例では、 myopt.rep と い う フ ァ イ ルを作成 し 、 デザ イ ン全体の消費電力最適化を レ ポー ト し てい ます。
report_power_opt -file myopt.rep
次の例では、 myopt.rep と い う フ ァ イ ルを作成 し 、 デザ イ ンの mctrl0 サブ階層の消費電力最適化を レ ポー ト し てい
ます。
report_power_opt -file myopt2.rep -cell mcore0/mctrl0
消費電力最適化を使用 し て消費電力を最大限に削減する方法
Vivado ツールで消費電力最適化を実行 し た と き に消費電力が最大限に削減 さ れ る よ う にする には、 消費電力最適化
をデザ イ ン全体に実行 し 、 デザ イ ンの一部を除外 し ない よ う に し ます。 消費電力最適化を有効に し て も 消費電力が
削減 さ れない場合は、 デザ イ ンが正 し く 制約 さ れてい る か ど う かを確認 し て く だ さ い。 デザ イ ンのすべての レ ジ ス
タ に制約が設定 さ れてい る か ど う かを確認す る には、 check_timing コ マ ン ド を使用 し ます。
デザ イ ンが正 し く 制約 さ れてい る 場合は、 消費電力最適化に影響す る 可能性のあ る コ ーデ ィ ン グ ス タ イ ルがないか
ど う か確認 し ます。 デバ ッ グが必要であ る 可能性があ る 部分は、 グ ロ ーバル セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号、 ブ ロ ッ ク RAM
イ ネーブル生成、 お よ びレ ジ ス タ ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グの 3 つです。 こ れ ら の部分で消費電力最適化に生成 さ れた
イ ネーブルの数が少ない場合、 コ ー ド ま たは合成お よ び イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ンのオプシ ョ ン/プ ロ パテ ィ を確認す
る 必要があ る 可能性があ り ます。
•
グ ロ ーバル セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号
可能な限 り (特にデー タ パ ス、 パ イ プ ラ イ ン フ リ ッ プ フ ロ ッ プ、 ブ ロ ッ ク RAM (BRAM) に対 し て)、 非同期セ ッ
ト / リ セ ッ ト 信号の使用を最小限に抑え ます。
ま た、 power_opt_design でグ ロ ーバル セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号に dont_touch プ ロ パテ ィ を設定 し 、 イ ネーブ
ル と し て使用 さ れない よ う にす る こ と も 考慮 し ます。 HDL で dont_touch プ ロ パテ ィ を設定す る と 、 フ ロ ーの
すべての段階で こ の属性が適用 さ れます。 こ のオプシ ョ ンは、 消費電力最適化用の XDC 制約 と し て設定する こ
と をお勧め し ます。 次にその例を示 し ます。
set_property DONT_TOUCH true [get_cells u1]
最後に、 消費電力最適化お よ びベ ク タ ーレ ス消費電力見積 も り の前に、 グ ロ ーバル セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号の信号
レー ト お よ び確率が正 し く 設定 さ れてい る こ と を確認 し て く だ さ い。
消費電力解析および最適化
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
•
ス ラ イ ス レ ジ ス タ お よ び SRL
power_opt_design でデザ イ ンの ス ラ イ ス レ ジ ス タ ま たは SRL に対 し て ク ロ ッ ク イ ネーブルが生成 さ れない
原因は、 多数あ り ます。 次は、 その例です。
•
°
デザ イ ンに組み合わせループが存在す る
°
デザ イ ンへのプ ラ イ マ リ 入力が ソ ース と な る フ リ ッ プ フ ロ ッ プお よ び SRL にセ ッ ト / リ セ ッ ト 信号が使用 さ
れてい る
°
デー タ パ ス フ リ ッ プ フ ロ ッ プに非同期セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号が使用 さ れてい る
°
デザ イ ンに多数の ク ロ ッ ク ド メ イ ンがあ り 、 ク ロ ッ ク ド メ イ ン を ま たがっ てい る ために イ ネーブルが生成
さ れない
°
SRL のサ イ ズ : SRL のシ フ ト レ ジ ス タ の段数が多いほ ど、 すべての段に対 し て 1 つの ク ロ ッ ク イ ネーブル
を生成す る のが困難にな り ます。
ブ ロ ッ ク RAM
ブ ロ ッ ク RAM (BRAM) が多数使用 さ れ る デザ イ ンでは、 消費電力を大き く 削減で き る 可能性があ り ます。
Vivado では、 さ ま ざ ま な最適化手法を使用 し て イ ネーブルを生成 し 、 消費電力を削減 し ます。
power_opt_design を使用 し て も BRAM のゲーテ ィ ン グがそれほ ど適用 さ れていない場合は、 次の よ う な原
因が考え ら れます。
°
BRAM が主に FIFO18/FIFO36 セルであ る 。 こ れ ら の イ ン ス タ ン ス はツールで最適化で き ません。
°
推論ま たは イ ン ス タ ン シエー ト さ れた メ モ リ が、 A ポー ト と B ポー ト に別の ク ロ ッ ク を使用 し た完全な
デ ュ アル ポー ト (TDP) モー ド であ り 、 power_opt_design で最適化で き ない。
°
BRAM 自体ま たは BRAM に供給 さ れ る ア ド レ ス/ ラ イ ト イ ネーブル フ リ ッ プ フ ロ ッ プに非同期 リ セ ッ ト が
使用 さ れてい る 。
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第 4 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析お よび最適化
消費電力最適化後の タ イ ミ ングの保持
消費電力最適化では、 消費電力を最大限に削減 し なが ら 、 タ イ ミ ン グへの影響は最小限に抑え ます。 消費電力最適
化に よ り タ イ ミ ン グが悪化 し た場合は、 こ の影響を補正す る ための手法を使用で き ます。
可能な場合、 タ イ ミ ン グ ク リ テ ィ カルでない ク ロ ッ ク ド メ イ ン ま たはモジ ュ ールを特定 し 、 set_power_opt XDC
コ マ ン ド を使用 し てそれ ら のみに消費電力最適化を適用 し ます。 最 も ク リ テ ィ カルな ク ロ ッ ク ド メ イ ンがデザ イ ン
の大部分を占めてい る 場合や電力の大部分を消費 し てい る 場合は、 ク リ テ ィ カル パス上のセルが消費電力最適化で
削除 さ れていないか ど う か を確認 し ます。 消費電力最適化で最適化 さ れたオブジ ェ ク ト には、 IS_CLOCK_GATED プ
ロ パテ ィ が設定 さ れます。 こ れ ら のセルを消費電力最適化か ら 除外 し ます。
ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グが適用 さ れたセルを検索する には、 次の Tcl コ マ ン ド を使用 し ます。
get_cells -hier -filter {IS_CLOCK_GATED==1}
Vivado IDE を使用 し てい る 場合は、 [Find] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス (図 4-18) を使用 し て こ れ ら のセルを検索で き ます。
X-Ref Target - Figure 4-18
図 4-18 : 消費電力最適化 さ れたセルの検索
よ り 簡単な方法は、 BRAM に対す る 消費電力最適化を制限す る こ と です。 こ れに よ り タ イ ミ ン グへの影響が最小限
に抑え ら れますが、 その効果はデザ イ ンの BRAM の数お よ びそれ ら が ど の よ う にゲーテ ィ ン グ さ れてい る かに よ り
ます。 消費電力最適化を BRAM に限定す る 場合は、 opt_design ま たは power_opt_design を実行する 前に
set_power_opt -cell_types {bram} コ マ ン ド を実行 し ます。
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第 5章
Vivado 消費電力レポー ト を使用 し た正確な
消費電力解析
概要
消費電力解析では、 ツールで さ ま ざ ま な要因を想定す る 必要があ る ため、 正 し い見積 も り を得る のは簡単な こ と で
はあ り ません。 ユーザーがで き る だけ詳細に指定 し て こ れ ら の想定を最小限に抑え る こ と に よ り 、 消費電力を よ り
正確に見積 も る こ と がで き ます。
正確な消費電力解析には、 次を考慮す る 必要があ り ます。
•
温度設定
•
電源設定
•
ク ロ ッ ク 仕様
•
制御信号
•
プ ラ イ マ リ 入力
•
個々の コ ン ポーネ ン ト
温度設定
ス タ テ ィ ッ ク 消費電力は、 理想的には ト ラ ン ジ ス タ の ソ ース か ら ド レ イ ンへの リ ー ク 電力 と ゲー ト リ ー ク 電力の合
計です。 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力は、 温度条件に完全に依存 し ます。 正確な消費電力の見積 も り には、 よ り 正確な温
度情報を提供す る こ と が基本的な要件です。
プ ロ セス コ ーナー
デバ イ ス が製造 さ れ る 際には、 その製造過程に よ っ て、 デバ イ ス ご と に さ ま ざ ま なパフ ォーマ ン スお よ び消費電力
のパ タ ーンがあ り ます。 [Report Power] を実行する と 、 TYPICAL と MAXIMUM の 2 つのプ ロ セ ス コ ーナーの ス タ
テ ィ ッ ク 消費電力の見積 も り が表示 さ れます。 すべてのデバ イ ス が TYPICAL 見積 も り 値にな っ てい る のが理想的で
すが、 プ ロ セ ス の変動に よ り デバ イ ス でば ら つ き があ り 、 TYPICAL 値を軸に、 デバ イ ス のプ ロ セ ス の変動に基づい
て手動で調整す る 必要があ り ます。 MAXIMUM 設定を使用する と 、 レ ポー ト さ れ る 数値が動作範囲内に収ま り 、
ハー ド ウ ェ アの測定値に近い も のにな り ます。 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度が固定 さ れてい る 場合、 TYPICAL か ら
MAXIMUM ま での ス タ テ ィ ッ ク 消費電力に予測 さ れ る 変動は コ マーシ ャ ル デバ イ ス で約 2.5 倍にな り ます。
推奨 : 正確な ワ ース ト ケース の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力を達成す る には、 MAXIMUM プ ロ セ ス設定を使用 し ます。
Vivado では、 [Report Power] のデフ ォ ル ト プ ロ セ ス は TYPICAL です。 こ れは、 [Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス の
[Environment] タ ブで MAXIMUM に変更で き ます。
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第 5 章 : Vivado 消費電力レ ポー ト を使用 し た正確な消費電力解析
X-Ref Target - Figure 5-1
図 5-1 : [Report Power] のプ ロ セス設定
同等 Tcl コ マ ン ド :
set_operating_conditions -process maximum
ジ ャ ン ク シ ョ ン温度
リ ー ク 電流はジ ャ ン ク シ ョ ン温度の増加に応 じ て指数関数的に増加す る ので、 ス タ テ ィ ッ ク 電力が高 く な る 要因 と
な り ます。 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度は、 デバ イ ス の全消費電力、 冷却シ ス テ ム、 ボー ド 選択、 周囲条件な ど さ ま ざ ま な
要因に依存 し ます。 デフ ォ ル ト では、 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度は周囲温度、 ヒ ー ト シ ン ク 、 ボー ド 選択な ど のその他の
温度設定入力に基づいて算出 さ れます。 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度は全消費電力に直接比例する ため、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費
電力が増加す る と 上昇 し ます。 正確な ス タ テ ィ ッ ク 消費電力を見積 も る には、 正 し いジ ャ ン ク シ ョ ン温度を指定す
る こ と が非常に重要です。
推奨 : ジ ャ ン ク シ ョ ン温度はハー ド ウ ェ ア上の電力を測定する 際に読み出 し 、 [Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス の
既存の設定を上書 き し て く だ さ い。
Vivado IDE でジ ャ ン ク シ ョ ン温度を設定する には、 [Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス の [Environment] タ ブで
[Junction temperature] をオンに し 、 値を入力 し ます。
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第 5 章 : Vivado 消費電力レ ポー ト を使用 し た正確な消費電力解析
X-Ref Target - Figure 5-2
図 5-2 : [Report Power] のジ ャ ン ク シ ョ ン温度設定
同等 Tcl コ マ ン ド :
set_operating_conditions -junction_temp 45
ザ イ リ ン ク ス デバ イ ス に単純なサー ミ ス タ ま たはその他の携帯型温度測定デバ イ ス を配置する と 、 大ま かなジ ャ ン
ク シ ョ ン温度を測定で き ます。 ザ イ リ ン ク ス ハー ド ウ ェ ア プ ロ グ ラ ミ ン グ ツールの 1 つを使用 し てデバ イ ス をプ ロ
グ ラ ムす る と 、 ダ イ 温度値を読み出す こ と がで き ます。 た と えば、 ISE の iMPACT では [Debug] → [Read Status
Register] を ク リ ッ ク す る と ダ イ 温度値を読み出す こ と がで き ます。 Vivado ハー ド ウ ェ ア マネージ ャ ーでは、 シ ス テ
ム モニ タ ー ウ ィ ン ド ウ にダ イ 温度のプ ロ ッ ト 図が描かれます。
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第 5 章 : Vivado 消費電力レ ポー ト を使用 し た正確な消費電力解析
電源設定
電圧ス ケー リ ン グは、 ザ イ リ ン ク ス FPGA お よ び All Programmable SoC での消費電力を削減す る 方法の 1 つです。 デ
バ イ ス には、 ロ ジ ッ ク に特定の電圧を提供す る 異な る 電圧レールがあ り ます。 各デバ イ ス のデー タ シー ト には、 こ
れ ら の電圧レールの推奨動作条件が リ ス ト さ れてい ます。 た と えば、 Kintex-7 デバ イ ス は 0.97V ～ 1.03V の VCCINT
レールで動作で き ます。 電圧ス ケー リ ン グが使用 さ れ る よ う にす る と 、 電力バジ ェ ッ ト を満たす こ と がで き ます。
ハー ド ウ ェ ア設定では、 こ れ ら の レールは、 細粒度制御付 き の外部電源レ ギ ュ レー タ に よ り 提供 さ れます。 電源電
圧が増加す る と 消費電力が増加す る ため、 正 し い消費電力を見積 も る には、 正確な電源電圧を指定する 必要があ り
ます。
推奨 : [Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス の [Power Supply] タ ブで正確な電源値を指定 し ます。
Vivado IDE で電源電圧を指定す る には、[Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス の [Power Supply] タ ブに値を入力 し ます。
X-Ref Target - Figure 5-3
図 5-3 : [Report Power] ダ イ ア ログ ボ ッ ク スでの電源値の設定
同等 Tcl コ マ ン ド :
set_operating_conditions -voltage {vccint 0.98 vccaux 1.8}
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第 5 章 : Vivado 消費電力レ ポー ト を使用 し た正確な消費電力解析
ク ロ ッ ク仕様
デザ イ ン ク ロ ッ ク は、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力計算におけ る 主な コ ン ポーネ ン ト です。 ク ロ ッ ク が定義 さ れていない
と 、 ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ の見積 も り が不正確にな り 、 消費電力の見積 も り も 不正確にな り ます。 ク ロ ッ ク
ノ ー ド は、 XDC コ マ ン ド の create_clock ま たは create_generated_clock を使用 し て定義 さ れ る タ イ ミ ン グ
制約か ら 識別 さ れます。
推奨 : デザ イ ンで必要な ク ロ ッ ク はすべて create_clock ま たは create_generated_clock コ マ ン ド を使用 し て
定義す る 必要があ り ます。
[Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス の [Switching] タ ブには、 デザ イ ン で定義 さ れてい る すべての ク ロ ッ ク が表示 さ れ
ます。
X-Ref Target - Figure 5-4
図 5-4 : [Report Power] ダ イ ア ログ ボ ッ ク スの制約が付いた ク ロ ッ ク
デザ イ ンで定義 さ れ る ク ロ ッ ク すべてが表示 さ れてい る こ と を確認 し ます。
[Report Power] を実行 し 、 [Summary] ページで [Confidence level] を ク リ ッ ク し て詳細を表示す る と 、 デザ イ ンで定義
さ れてい る ク ロ ッ ク の割合がわか り ます。 こ の情報を使用 し て、 ク ロ ッ ク ア ク テ ィ ビ テ ィ の信頼性レベルが High に
な る よ う に し ます。
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第 5 章 : Vivado 消費電力レ ポー ト を使用 し た正確な消費電力解析
X-Ref Target - Figure 5-5
図 5-5 : 信頼性レ ベル
Tcl モー ド では、 get_clocks お よ び report_clocks コ マ ン ド を使用 し て定義 さ れた ク ロ ッ ク の リ ス ト を取得 し
ます。
テ キ ス ト レ ポー ト には、 ク ロ ッ ク ア ク テ ィ ビ テ ィ の信頼性レベルが表示 さ れます。
report_power -file power.rpt
X-Ref Target - Figure 5-6
図 5-6 : テキス ト レ ポー ト - ク ロ ッ ク ア ク テ ィ ビ テ ィ の信頼性レ ベル
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第 5 章 : Vivado 消費電力レ ポー ト を使用 し た正確な消費電力解析
制御信号
グ ローバルおよび リ ージ ョ ナル リ セ ッ ト
グ ロ ーバル リ セ ッ ト のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト に よ っ て、 消費電力の見積 も り が大幅に変わ る こ と があ り ます。 ア ク
テ ィ ビ テ ィ レー ト は、 デザ イ ンの各 ロ ジ ッ ク ブ ロ ッ ク の ス テー ト と ロ ジ ッ ク 出力が変更 さ れ る 可能性を示 し ます。
正 し い ス イ ッ チン グ情報で設定 さ れていない場合、 消費電力見積 も り が非現実な も の と な り ます。
た と えば、 リ セ ッ ト は run が開始 し てか ら 数サ イ ク ル間だけアサー ト (ア ク テ ィ ブ) さ れ、 その後は非ア ク テ ィ ブに
な る のが理想的です。
X-Ref Target - Figure 5-7
図 5-7 : リ セ ッ ト 信号の期間
こ れは、 ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を使用 し て次の よ う に記述する こ と も で き ます。
set_switching_activity -static_probability 0.01 -signal_rate 2 [get_ports glb_reset]
[Report Power] でグ ロ ーバル リ セ ッ ト と な る プ ラ イ マ リ ポー ト が特定 さ れ、 上記の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ が
適用 さ れます。 グ ロ ーバル リ セ ッ ト の特定には、 保守的で安全な方法 (最下位プ リ ミ テ ィ ブの リ セ ッ ト ピ ンに直接
接続 さ れたポー ト ) が使用 さ れます。
ただ し こ れは、 リ セ ッ ト ロ ジ ッ ク が特別な ロ ジ ッ ク 回路 ( リ セ ッ ト ジ ェ ネ レー タ ー、 デバ ウ ンサー、 リ セ ッ ト ス ト
レ ッ チン グ な ど) を使用 し て内部で生成 さ れ る よ う な複雑なデザ イ ンではあ ま り 役に立ち ません。 リ セ ッ ト を生成す
る のに使用 さ れ る ロ ジ ッ ク があ る 場合、 [Report Power] では設計意図を把握で き ず、 デフ ォ ル ト の ス イ ッ チン グ情報
が適用 さ れません。
X-Ref Target - Figure 5-8
00&0
/RFN
&ONBUHVHWBJHQ
XVHUBUHVHW
図 5-8 : リ セ ッ ト ロ ジ ッ ク
こ の場合、 リ セ ッ ト ア ク テ ィ ビ テ ィ 情報は確率計算 と 伝搬アルゴ リ ズ ム を使用 し て生成 さ れた ロ ジ ッ ク か ら 算出 さ
れます。 確率計算は、 ロ ジ ッ ク の最下位プ リ ミ テ ィ ブ レベルで実行 さ れます。 確率アルゴ リ ズ ムに よ り 、 特定の ロ
ジ ッ ク ブ ロ ッ ク (深 く ネ ス ト 化 さ れた フ ィ ー ド バ ッ ク ロ ジ ッ ク な ど) の処理に ラ グが発生す る こ と があ り 、 リ セ ッ ト
ネ ッ ト の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ が予期 し ない結果にな る こ と があ り ます。
推奨 : グ ロ ーバル/ リ ージ ョ ナル リ セ ッ ト ネ ッ ト に対 し て、 正 し い ス イ ッ チン グ情報を供給する よ う に し て く だ さ い。
こ の よ う な グ ロ ーバル リ セ ッ ト ネ ッ ト に注意 し て く だ さ い。 こ れ ら のネ ッ ト のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト は、 [Net
Properties] ウ ィ ン ド ウ の [Power] ビ ュ ーで直接設定 し ます。
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第 5 章 : Vivado 消費電力レ ポー ト を使用 し た正確な消費電力解析
X-Ref Target - Figure 5-9
図 5-9 : ネ ッ ト ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト の設定
同等 Tcl コ マ ン ド :
set_switching_activity -static_probability 0.01 -signal_rate 2 [get_nets
u1/clkRst_gen/user_reset]
消費電力レ ポー ト を使用す る と 、 デザ イ ンの リ セ ッ ト ネ ッ ト が特定 し やす く も な る ので、 こ れ ら のネ ッ ト の ス イ ッ
チン グ情報を検証 し て、 それを修正す る 処置を取 る こ と がで き ます。 [Report Power] の最初のテ ス ト run をデフ ォ ル
ト 設定を使用 し て実行す る と 、 リ セ ッ ト ネ ッ ト のア ク テ ィ ビ テ ィ を解析で き ます。
X-Ref Target - Figure 5-10
図 5-10 : 消費電力レポー ト の リ セ ッ ト ネ ッ ト
消費電力レ ポー ト には、 こ の リ セ ッ ト ネ ッ ト の影響を受け る ロ ジ ッ ク セルの数が [Fanout] 列に表示 さ れます。 初期
の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ の見積 も り が正 し く ない場合は、 消費電力レ ポー ト でそのネ ッ ト を ク リ ッ ク し (上図
を参照)、 [Net Properties] ウ ィ ン ド ウ の [Power] ビ ュ ーでプ ロ パテ ィ を変更 し ます。
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第 5 章 : Vivado 消費電力レ ポー ト を使用 し た正確な消費電力解析
注記 : レ ポー ト には、 プ リ セ ッ ト /セ ッ ト お よ び リ セ ッ ト ネ ッ ト の両方が ま と めて表示 さ れます。 上記の リ セ ッ ト
ネ ッ ト のガ イ ド ラ イ ンは、 プ リ セ ッ ト /セ ッ ト ネ ッ ト に も 適用 さ れます。
グ ローバル ク ロ ッ ク イ ネーブル
通常、 ク ロ ッ ク イ ネーブルの扱いは リ セ ッ ト ほ ど複雑ではな く 、 ほ と ん ど のデザ イ ンでわか り やす く 簡単です。 た
だ し 、 リ セ ッ ト オン パ ワーが認識 さ れ る デザ イ ン ( ク ロ ッ ク イ ネーブルが広範囲に使用 さ れ、 特別 ロ ジ ッ ク 回路を
使用 し て制御 さ れ る ) の よ う に複雑であ る こ と も あ り ます。 通常、 ク ロ ッ ク イ ネーブルの使用は リ セ ッ ト よ り も 複雑
ではな く 、 ほ と ん ど のデザ イ ンで簡単でわか り やす く な っ てい ますが、 リ セ ッ ト オン パ ワーが認識 さ れ る デザ イ ン
( ク ロ ッ ク イ ネーブルが広範囲に使用 さ れて、 特定の ロ ジ ッ ク 回路を使用 し て制御) と 同 じ よ う に複雑にな っ てい る
こ と も あ り ます。 ロ ジ ッ ク セルのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力は、 ク ロ ッ ク イ ネーブルの ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ に
よ っ て変わ り ます。 ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト が正 し く 設定 さ れていない場合は、 消費電力の見積 も り 値 も 不正にな り
ます。
た と えば、 イ ネーブルは実行中はアサー ト さ れ (ア ク テ ィ ブ)、 ロ ジ ッ ク セルが使用 さ れない場合にのみ非ア ク テ ィ
ブにな る はずです (消費電力を削減す る ために明確に制御 し てい る 場合)。
X-Ref Target - Figure 5-11
図 5-11 : イ ネーブル信号の期間
こ れは、 ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を使用 し て次の よ う に記述する こ と も で き ます。
set_switching_activity -static_probability 0.99 -signal_rate 2 [get_ports glb_enable]
[Report Power] でグ ロ ーバル イ ネーブル と な る プ ラ イ マ リ ポー ト が特定 さ れ、 上記の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ
が適用 さ れます。 グ ロ ーバル イ ネーブルの特定には、 保守的で安全な方法 (最下位プ リ ミ テ ィ ブの CE ピ ンに直接接
続 さ れたポー ト ) が使用 さ れます。
推奨 : グ ロ ーバル/ リ ージ ョ ナル イ ネーブル ネ ッ ト に対 し て、 正 し い ス イ ッ チ ン グ情報を供給す る よ う に し て く だ
さ い。
消費電力レ ポー ト を使用す る と 、 デザ イ ンの イ ネーブル ネ ッ ト が特定 し やす く も な る ので、 こ れ ら のネ ッ ト の ス
イ ッ チン グ情報を検証 し て、 それを修正す る 処置を取 る こ と がで き ます。 [Report Power] の最初のテ ス ト run をデ
フ ォ ル ト 設定を使用 し て実行す る と 、 イ ネーブル ネ ッ ト のア ク テ ィ ビ テ ィ を解析で き ます。
X-Ref Target - Figure 5-12
図 5-12 : 消費電力レポー ト のイ ネーブル ネ ッ ト
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第 5 章 : Vivado 消費電力レ ポー ト を使用 し た正確な消費電力解析
消費電力レ ポー ト には、こ の イ ネーブル ネ ッ ト の影響を受け る ロ ジ ッ ク セルの タ イ プ と 数が [Logic Type] と [Fanout]
列に表示 さ れます。 初期の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ の見積 も り が正 し く ない場合は、 消費電力レ ポー ト でその
ネ ッ ト を ク リ ッ ク し 、 [Net Properties] ウ ィ ン ド ウ の [Power] ビ ュ ーでプ ロ パテ ィ を変更 し ます。
プ ラ イ マ リ 入力
共通 ノ ー ド は、 前述の推奨事項に従っ て処理 さ れます。 デザ イ ン特有のハン ド シ ェ ー ク (プ ロ ト コ ル、 メ モ リ イ ン
タ ーフ ェ イ ス な ど) お よ びデー タ ポー ト に も 注意をす る 必要があ り ます。 理想的には、 プ ラ イ マ リ ポー ト のア ク
テ ィ ビ テ ィ レー ト に よ っ てデザ イ ンの全体的な ア ク テ ィ ビ テ ィ が決ま り 、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力の精度に影響を与
え ます。
[Report Power] では、 デフ ォ ル ト の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト (Toggle_rate=12.5 お よ び
Static_Probability=0.5) がプ ラ イ マ リ 入力 ( ク ロ ッ ク お よ び制御ポー ト 以外) に割 り 当て ら れます。 こ れ ら の値は、 ポー
ト が 8 ク ロ ッ ク サ イ ク ルで 1 回 ト グル し 、 50% の時間 High ( ロ ジ ッ ク 1) にな る こ と を意味 し ます。 こ れはデー タ
ポー ト で も だいたい う ま く い く 想定ですが、 ハン ド シ ェー ク ノ ー ド に適用する と 、 精度に大き く 影響 し ます。 こ れ
に よ り 、 プ ラ イ マ リ 入力に正 し い ス イ ッ チン グ情報を設定す る のが どれだけ重要かがわか り ます。
デフ ォ ル ト のア ク テ ィ ビ テ ィ 設定は、 [Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス の [Settings] タ ブに表示 さ れます。
X-Ref Target - Figure 5-13
図 5-13 : デ フ ォル ト のス イ ッ チ ン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ の設定
すべてのプ ラ イ マ リ 入力 ( ク ロ ッ ク で も 制御信号で も ない) に適用 さ れ る デフ ォ ル ト 値は変更で き ます。
同等 Tcl コ マ ン ド :
set_switching_activity -default_static_probability 0.5 -default_toggle_rate 25
すべてのプ ラ イ マ リ 入力に同 じ ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト が適用 さ れます。 [Report Power] ではデー タ ポー ト と ハン ド
シ ェー ク ポー ト は区別 さ れないので、 ハン ド シ ェ ー ク ポー ト に対 し て ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を手動で指定する こ と
が重要です。 こ れは、 Vivado IDE ま たは Tcl コ マ ン ド で実行で き ます。
推奨 : プ ラ イ マ リ I/O ポー ト には、 正 し い ス イ ッ チン グ値が設定 さ れ る よ う に し て く だ さ い。
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第 5 章 : Vivado 消費電力レ ポー ト を使用 し た正確な消費電力解析
消費電力レ ポー ト の [I/O] ページには、 すべてのポー ト と それに該当する ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ 情報が リ ス ト
さ れます。
X-Ref Target - Figure 5-14
図 5-14 : 消費電力レポー ト の [I/O] ページ
I/O ポー ト のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を確認 し ます。 ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を変更する には、 消費電力レ ポー ト で入
力ポー ト を選択 し て、 [I/O Port Properties] ウ ィ ン ド ウ の [Power] ビ ュ ーでプ ロ パテ ィ を変更 し ます。
同等 Tcl コ マ ン ド :
set_switching_activity -static_probability 0.25 -toggle_rate 10 [get_ports im_fcx_sync_in]
set_switching_activity -static_probability 0.5 -toggle_rate 50 [get_ports im_fcx_data_in]
コ ンポーネ ン ト レ ベル
最後に、 消費電力が大 き いプ リ ミ テ ィ ブのア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を監視 し ます。 上記の項目すべて を処理 し た ら 、
ハー ド ブ ロ ッ ク (BRAM、 GT、 DSP な ど) のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト に適切な値を指定 し ます。 ただ し 、 こ れ ら の値は
再確認 し て、 内部 ロ ジ ッ ク 伝搬やツール内のモデ リ ン グ問題がない よ う に し ておいて く だ さ い。
た と えば、 [Report Power] では GT のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト は伝搬 さ れません。 GT デー タ 出力が ロ ジ ッ ク に接続 さ
れてい る 場合は、 ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を GT の TX/RX 出力に設定する 必要があ り ます。
[Report Power] を ク リ ッ ク す る と 、 [Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス で さ ま ざ ま な タ イ プ (レ ジ ス タ 、 シ フ ト レ ジ ス
タ 、 LUT、 RAM、 BRAM、 DSP、 GT) の出力ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を設定で き ます。 こ れ ら の設定は、
set_switching_activity コ マ ン ド に -type オプシ ョ ン を使用す る の と 同 じ です。 値を設定す る と 、 その後の消
費電力レ ポー ト の実行でその値が使用 さ れます。
消費電力解析および最適化
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第 5 章 : Vivado 消費電力レ ポー ト を使用 し た正確な消費電力解析
X-Ref Target - Figure 5-15
すべてのプライマリ入力 (クロック、リセット、イネーブル ポート以外) とブラック ボックス出力に適用
High の時間の割合 (%)
High の時間の割合 (%)
High の時間の割合 (%)
図 5-15 : ス イ ッ チ ング ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト の設定
グ ロ ーバル設定は、 デザ イ ンのハー ド プ リ ミ テ ィ ブの イ ン ス タ ン スすべてに影響 し ます。 た と えば、 [Block RAMs]
の ト グル レー ト 設定はデザ イ ンのすべての BRAM に適用 さ れます。
ま た、 ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を変更す る ためには、 [Cell Properties] ウ ィ ン ド ウ を使用する こ と も で き ます。 消費電
力レ ポー ト で BRAM、 DSP、 GT セ ク シ ョ ン を確認 し て く だ さ い。
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第 5 章 : Vivado 消費電力レ ポー ト を使用 し た正確な消費電力解析
X-Ref Target - Figure 5-16
図 5-16 : BRAM のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト
ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を変更す る には、 消費電力レ ポー ト でハー ド ブ ロ ッ ク イ ン ス タ ン ス を選択 し て、 [Cell
Properties] ウ ィ ン ド ウ の [Power] ビ ュ ーでプ ロ パテ ィ を変更 し ます。
X-Ref Target - Figure 5-17
図 5-17 : BRAM セルの [Power] プ ロパテ ィ
タ イ プご と ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を変更する 同等の Tcl コ マ ン ド は、 次の と お り です。
•
特定のデザ イ ン階層 イ ン ス タ ン ス (u1/transmit) の BRAM すべてにア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を設定す る には、 次の
コ マ ン ド を使用 し ます。
set_switching_activity -static_probability 0.25 -toggle_rate 10 -type bram
[get_cells u1/transmit]
•
デザ イ ンのすべての GT にア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を設定す る には、 次の コ マ ン ド を使用 し ます。
set_switching_activity -static_probability 0.5 -toggle_rate 50 -type gt -all
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第 6章
消費電力削減のための ヒ ン ト および手法
概要
こ の章では、 消費電力を削減す る 手法お よ びその手法に よ る 総消費電力への効果を説明 し ます。 こ の情報は、 時間、
消費電力要件、 使用可能な リ ソ ース、 お よ びデザ イ ンの変更許容度な ど に合わせて最適なオプシ ョ ン を評価する 際
に役立ち ます。
シ ス テム レ ベルの消費電力削減
冷却ス ト ラ テ ジ
冷却ス ト ラ テジは、 デバ イ ス で生成 さ れた熱が除去 さ れて環境に吸収 さ れ る よ う に し ます。 こ れ ら の冷却ス ト ラ テ
ジは、 デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力に大 き く 影響 し ます。 通常設計の初期段階で適用 し 、 フ ロ ー後半にな っ て
か ら では適用 し づ ら く な り ます。
•
エア フ ロ ーを増やす
•
周囲温度を下げ る
•
ヒ ー ト シ ン ク (ま たは さ ら に大 き い ヒ ー ト シ ン ク ) を使用する か、 ま たは別の レ ギ ュ レー タ を選択する
電源ス ト ラ テ ジ
電圧は、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力お よ びダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力の両方に大 き く 影響 し ます。 電圧レベルのア ク テ ィ ブ
制御に よ り 、 指定の電圧がデバ イ ス に適用 さ れます。
•
ス イ ッ チン グ レ ギ ュ レー タ を使用する
ス イ ッ チン グ レ ギ ュ レー タ は、 リ ニア レ ギ ュ レー タ と 比べ る と 電力効率は高 く な り ますが、 コ ン ポーネ ン ト 数
は多 く な り ます。
•
調整可能な レ ギ ュ レー タ を使用す る
同 じ 電源で複数の FPGA に電力を供給す る 場合、 FPGA お よ び消費電力が最大のデバ イ ス ので き る 限 り 近 く で電
圧を感知 し ます。
•
許容誤差が小 さ い レ ギ ュ レー タ を選択す る
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第 6 章 : 消費電力削減のための ヒ ン ト お よび手法
デバイ スの選択
•
製品に適 し たデバ イ ス を選択す る
デバ イ ス選択では、 消費電力が主要な要素 と な っ て き てい ます。 集積度、 機能、 パフ ォーマ ン ス要件に最適で、
消費電力要件 も 満たすデバ イ ス を選択 し て く だ さ い。
•
デバ イ ス数を最小限に抑え る
こ れに よ り 、 エ リ ア、 I/O イ ン タ ー コ ネ ク ト の消費電力、 総 リ ー ク 電流、 お よ びその他の要因を抑え る こ と がで
き ます。 通常、 プ ロ セ ッ サ と FPGA な ど の複数の コ ン ポーネ ン ト をサ イ ズが大 き めの 1 つの FPGA と 置き 換え
る と 、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力を削減で き ます。
•
可能な限 り 小型のデバ イ ス を選択す る
こ れに よ り リ ー ク 電流が削減 さ れます。 通常、 1 つの FPGA フ ァ ミ リ では同 じ パ ッ ケージ を異な る ダ イ サ イ ズ
で使用で き ます。 た と えば、 プ ロ ト タ イ プ中お よ び生産前には大 き めのダ イ を使用 し 、 量産段階では小 さ めの
ダ イ を使用す る こ と も 可能です。
•
可能な限 り 大型のパ ッ ケージ を選択す る
こ れに よ り 、 放熱が増加 し ます。 パ ッ ケージが大 き いほ ど、 ダ イ の熱を環境に放散する エ リ アが大き く な り ま
す。 パ ッ ケージの上面に装着す る ヒ ー ト シ ン ク を大 き く す る と 、 下面のボール グ リ ッ ド ア レ イ を介 し てプ リ ン
ト 回路基板に放散 さ れ る 熱を増やす こ と がで き ます。
•
低電圧デバ イ ス を使用す る
一部のデバ イ ス フ ァ ミ リ には、 低消費電力オプシ ョ ンがあ り ます。 電圧要件を下げ る と 、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電
力お よ びダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力を大幅に削減で き ます。
•
リ ー ク 電流が小 さ いデバ イ ス を使用す る
一部のデバ イ ス フ ァ ミ リ では、 特定の ス ピー ド グ レー ド ま たは温度グ レー ド を使用す る こ と に よ り 、 低 リ ー ク
電流ま たは低ス タ テ ィ ッ ク 消費電力オプシ ョ ン を利用で き ます。 こ れ ら のデバ イ ス の価格は多少高 く な り ます
が、 電気代、 冷却ハー ド ウ ェ ア、 お よ びシ ス テ ム管理費を その価格以上に節約で き る 可能性があ り ます。
消費電力および温度の計測
こ のセ ク シ ョ ンでは、 FPGA デバ イ ス の消費電力 と 放熱を計測する ための手法を説明 し ます。 こ れ ら の手法には、
FPGA の内部 リ ソ ース を使用す る も のや、 ボー ド コ ン ポーネ ン ト ま たは外部 コ ン ポーネ ン ト を使用す る も のがあ り
ます。 アプ リ ケーシ ョ ンに よ っ ては、 フ ィ ール ド に設置後に消費電力 と 温度を逐次監視 し て調整する 必要があ っ た
り 、 こ れ ら の測定手法を ラ ボでプ ロ ト タ イ プお よ び検証段階で使用 し た り し ます。
消費電力の計測方法
消費電力を計測す る には、 次の方法があ り ます。
•
「電流検出抵抗器を使用」
•
「ア ド バン ス レ ギ ュ レー タ お よ びデジ タ ル電力コ ン ト ロ ー ラ ーを使用」
•
「オン ボー ド 監視を実行」
•
「個別の電源レールを使用」
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第 6 章 : 消費電力削減のための ヒ ン ト お よび手法
電流検出抵抗器を使用
レ ギ ュ レー タ 出力 と FPGA デバ イ ス の間に電流検出抵抗器を直列に挿入す る と 、 小 さ な電圧降下が発生 し ます。 こ
れは、 オームの法則に よ る と 電流に比例 し ます。 こ の電圧を XADC で計測する と 、 FPGA デバ イ ス に供給 さ れ る 電
流がわか り ます。 正 し く 計測す る ために必要な接続については、 『7 シ リ ーズ FPGA お よ び Zynq-7000 All
Programmable SoC XADC デ ュ アル 12 ビ ッ ト 1 MSPS アナ ロ グ - デジ タ ル コ ンバー タ ー ユーザー ガ イ ド 』 (UG480) [参
照 9] (XADC ユーザー ガ イ ド ) を参照 し て く だ さ い。 電流検出抵抗器の使用方法については、 『XADC (Xilinx
Analog-to-Digital Converter) の駆動』 (XAPP795) [参照 10] を参照 し て く だ さ い。
ア ド バン ス レギ ュ レー タ およびデジ タ ル電力 コ ン ト ロー ラ ーを使用
最新の評価キ ッ ト には、 ア ド バン ス レ ギ ュ レー タ と デジ タ ル電力コ ン ト ロ ー ラ ーが含まれてお り 、 こ れ ら を使用 し
て レ ギ ュ レー タ の出力電流 と 電圧を キ ャ プチ ャ し 、 その情報を USB イ ン タ ーフ ェ イ ス を介 し て監視コ ン ピ ュ ー タ ー
に送信で き ます。 電源レールを監視す る には、 こ れが最 も 単純で便利な方法です。
ほ と ん ど のザ イ リ ン ク ス開発ボー ド には、 テ キサ ス イ ン ス ツル メ ン ツ社の UCD92xx コ ン ト ロ ー ラ ーが搭載 さ れてお
り 、 PC 上の Fusion Digital Power Designer ソ フ ト ウ ェ アか ら PMBus (I2C) to USB イ ン タ ーフ ェ イ ス モジ ュ ールを使用
し てア ク セ ス で き ます。
オ ンボー ド 監視を実行
ザ イ リ ン ク 7 シ リ ーズ デバ イ ス フ ァ ミ リ には、 電源電圧 と デバ イ ス の温度を計測す る ため、 内部セ ンサー と 、 少な
く と も 1 つのアナ ロ グ/デジ タ ル コ ンバー タ ーが含ま れてい ます。 Vivado ハー ド ウ ェ ア マネージ ャ ーを使用す る と 、
リ アル タ イ ムで JTAG にア ク セ ス で き 、 デバ イ ス の コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンの実行前 と 実行後に さ ま ざ ま な電源電圧
やデバ イ ス のジ ャ ン ク シ ョ ン温度を計測で き ます。 シ ス テ ム モニ タ ーま たは XADC コ ン ポーネ ン ト を コ ー ド に イ ン
ス タ ン シエー ト し て、 FPGA アプ リ ケーシ ョ ンか ら こ れ ら を計測する こ と も で き ます。
個別の電源レールを使用
可能であれば、 各電源電圧に個別の電圧レールを使用 し て く だ さ い。 電圧レールがひ と ま と めに接続 さ れてい る 場
合は、 こ れ ら の レール間で電力を計測す る 際にそれを考慮 し ます。
温度の計測方法
温度を計測す る には、 次の方法があ り ます。
•
「外部監視を実行」
•
「オン ボー ド 監視を実行」
外部監視を実行
デバ イ ス パ ッ ケージに よ り シ リ コ ンにア ク セ ス で き ないので、 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度を直接計測す る こ と はで き ませ
ん。 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度は、 パ ッ ケージ、 ヒ ー ト シ ン ク 、 お よ びその他の熱電対があ る 場所の温度を計測する こ と
に よ り 見積 も る こ と がで き ます。
ま た、 温度カ メ ラ を使用 し て、 デバ イ ス の温度お よ び周辺の コ ン ポーネ ン ト や環境 と の放熱関係を視覚化で き ます。
オ ンボー ド 監視を実行
温度は、 消費電力計測 と 同 じ 方法を使用 し て計測で き ます。 デバ イ ス コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンの前後に Vivado ハー
ド ウ ェ ア マネージ ャ ーを使用で き ます。 ま た、 シ ス テ ム モニ タ ー /XADC プ リ ミ テ ィ ブ をデザ イ ンに含めて、 デバ
イ ス のジ ャ ン ク シ ョ ン温度を読み出す こ と も 可能 です。
消費電力解析および最適化
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第 6 章 : 消費電力削減のための ヒ ン ト お よび手法
消費電力および温度の計測方法
デザ イ ンの総消費電力に寄与す る 3 つの要因を評価す る ため、 計測前にデバ イ ス のジ ャ ン ク シ ョ ン温度を制御 し て
安定 さ せ る 必要があ り ます。 こ れは、 デバ イ スお よ びデザ イ ンの ス タ テ ィ ッ ク 消費電力がデバ イ ス のジ ャ ン ク シ ョ
ン温度に大 き く 依存 し てい る ため必要です。
デザ イ ンの総消費電力に寄与す る 3 つの要因は、 次の と お り です。
•
「デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力」
•
「デザ イ ンの ス タ テ ィ ッ ク 消費電力」
•
「デザ イ ンのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力」
デバイ スのス タ テ ィ ッ ク 消費電力
空のデザ イ ン を ダ ウ ン ロ ー ド し 、 入力 ノ イ ズがキ ャ プチ ャ さ れず、 すべての内部 ロ ジ ッ ク お よ びコ ン フ ィ ギ ュ レー
シ ョ ン回路が既知の ス テー ト にな っ てい る こ と を確認 し ます。
注記 : 空のデザ イ ンには、 ト グル し ないゲー ト ま たはフ リ ッ プ フ ロ ッ プが 1 つ含まれてお り 、 すべての出力が ト ラ イ
ス テー ト にな っ てい ます。
ジ ャ ン ク シ ョ ン温度が安定 し た ら 、 VCCINT、 VCCAUX、 お よ びその他の電源を計測 し ます。 特殊な装置、 単純な
ヒ ー ト ガ ン、 ま たは冷却ス プ レーを使用する と 、 温度を強制的に変更で き 、 デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力への
環境に よ る 影響を評価で き ます。 VCCADC は常に VCCAUX に接続 し てお く 必要があ り ます。
デザイ ンのス タ テ ィ ッ ク 消費電力
FPGA デバ イ ス にデザ イ ン を ダ ウ ン ロー ド し て、 すべての入力および内部ア ク テ ィ ビ テ ィ (入力データ、 外部および内
部 ク ロ ッ ク 生成) を開始し ない よ う に し ます。 デバ イ ス の温度が安定 し た ら 、 電源レールの消費電力を計測し ます。
こ れ ら の値か ら デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力を差 し 引 く と 、 デザ イ ンで使用 さ れ る特定の ロ ジ ッ ク リ ソ ースおよ
びコ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンで消費 さ れる ス タ テ ィ ッ ク 消費電力 (デザ イ ンの ス タ テ ィ ッ ク 消費電力) が求め ら れます。
デザイ ンのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力
FPGA デバ イ ス にデザ イ ン を ダ ウ ン ロ ー ド し て、 デザ イ ン を表す ク ロ ッ ク お よ び入力ス テ ィ ミ ュ ラ ス を供給 し ます。
ジ ャ ン ク シ ョ ン温度が安定 し た ら 、 電源の消費電力を計測 し ます。
こ の消費電力は、 デザ イ ンの瞬間的な総消費電力を表 し てお り 、 各 ク ロ ッ ク サ イ ク ルのア ク テ ィ ビ テ ィ に よ っ て変
化 し ます。
デザイ ン レ ベルの消費電力削減
次のセ ク シ ョ ンでは、 デザ イ ンの消費電力要件を満たすためにデザ イ ンに適用で き る 手法を示 し ます。
デザ イ ン サ イ ク ルには、 主に次の 2 つの状況で消費電力 ク ロ ージ ャ が含まれます。
•
制約が満た さ れた後、 さ ら にデザ イ ン を最適化す る 場合
ま たは
•
デザ イ ンが消費電力要件を超え てい る 場合
消費電力解析および最適化
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第 6 章 : 消費電力削減のための ヒ ン ト お よび手法
制約が満た さ れた後に さ ら にデザイ ン を最適化
通常、 開発プ ロ セ ス の こ の段階では、 RTL、 ボー ド 電源、 冷却パ ラ メ ー タ ーの変更は、 検証に時間がかかっ た り 、
PCB リ ス ピ ン コ ス ト がかか っ た り す る ため、 最小限に抑え る 必要があ り ますが、 こ の段階で も 異な る ツール オプ
シ ョ ンや制約を試 し て、 ロ ジ ッ ク お よ び配線 リ ソ ース数、 コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン、 お よ びア ク テ ィ ビ テ ィ を最適
化で き ます。 こ の最適化に よ り 、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力が最小限に抑え ら れ、 同時に ス タ テ ィ ッ ク 消費電力 も 削減
さ れます。 デザ イ ン マージ ンに も よ り ますが、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力を通常 15% ～ 20% 削減で き 、 一部のデザ イ ン
ではそれ よ 以上削減で き ます。
消費電力要件を超えている場合
通常 こ の段階では、 シ ス テ ム を市場に リ リ ースす る プ レ ッ シ ャ ーが大 き く 、 ボー ド 環境お よ び冷却オプシ ョ ン な ど
のシ ス テ ムに含まれ る 多 く のパ ラ メ ー タ ーが詳細に定義 さ れてい ます。 そのためエン ジニ ア リ ン グ作業のや り 直 し
は制限 さ れますが、 次の手法を使用す る と 、 消費電力を削減で き る 可能性が高いエ リ ア を特定で き ます。
手順 1 : 消費電力要件を超え ている箇所の特定
GUI を使用 し てい る 場合は Vivado® 消費電力解析レ ポー ト の [Summary] ページ、 コ マ ン ド ラ イ ン を使用 し てい る 場
合はレ ポー ト フ ァ イ ル (.pwr) の Summary セ ク シ ョ ン を確認 し ます。 [On-Chip Power] お よ び [Power Supply] セ ク シ ョ
ンで、 消費電力分配の概要を確認で き ます。 [Summary] ページで要件を超え てい る 消費電力の種類お よ び電力量を確
認 し ます。
手順 2 : 焦点を置 く エ リ アの特定
Vivado 消費電力解析レ ポー ト ま たは Xilinx Power Estimator で詳細を確認 し ます。 環境パ ラ メ ー タ ー と 、 各 リ ソ ース、
デザ イ ン階層、 ク ロ ッ ク ド メ イ ンで消費 さ れ る 電力を解析 し ます。 消費電力が高いエ リ ア を見つけた場合は、 次の
情報を使用 し てその原因を特定で き ます。
手順 3 : 試行
上記の手順で特定 し た消費電力を最適化す る デザ イ ン箇所の候補 リ ス ト を確認 し 、 簡単な も のか ら 順に並び替え て、
実行す る 最適化ま たは試みを決定 し ます。 消費電力ツールを使用す る と what-if 解析を実行で き る ので、 コ ー ド や制
約を実際に変更 し た り イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン を再実行 し た り せずに、 デザ イ ンの変更を入力 し て簡単に消費電力
を見積 も る こ と がで き ます。
リ ソ ース を よ り 効果的に使用
•
ブ ロ ッ ク RAM
°
°
•
ブ ロ ッ ク RAM の消費電力量は、 イ ネーブルにな っ てい る 時間に直接比例 し ます。 消費電力を削減する に
は、 デザ イ ンでブ ロ ッ ク RAM が使用 さ れていない ク ロ ッ ク サ イ ク ルで RAM イ ネーブル信号を Low に し
ます。 ブ ロ ッ ク RAM の イ ネーブル レー ト と ク ロ ッ ク レー ト は、 消費電力を最適化する 際に最 も 重要なパ
ラ メ ー タ ーです。
TDP モー ド で書 き 込み中に出力 ラ ッ チが変更 さ れない場合は、 NO_CHANGE モー ド を使用 し ます。 こ れが
電力効率が最 も 高いモー ド です。 SDP モー ド では、 NO_CHANGE モー ド は WRITE_FIRST モー ド と 同 じ な
ので、 NO_CHANGE モー ド はあ り ません。
I/O
I/O イ ン タ ーフ ェ イ ス は長距離を駆動する 必要があ り 、 寄生効果の影響が大き く な る 可能性があ る ため、 通常デ
バ イ ス の消費電力要件の大部分を占め ます。
°
VCCAUX
で き る だけ低い VCCAUX を使用 し ます。 こ れに よ り 、 こ の電源の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力お よ びダ イ ナ ミ ッ
ク 消費電力の両方が最小限に抑え ら れます。
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第 6 章 : 消費電力削減のための ヒ ン ト お よび手法
°
入力
内部で参照 さ れ る 入力規格の使用を制限 し ます。
°
IODELAY
IDELAY2 の HIGH_PERFORMANCE_MODE プ ロ パテ ィ を FALSE に設定 し ます。 FALSE に設定す る と 、 出
力ジ ッ タ ーは増加 し ますが、 消費電力は小 さ く な り ます。
°
IBUF_LOW_PWR
双方向 I/O お よ び入力 I/O の IBUF_LOW_PWR プ ロ パテ ィ を TRUE に設定 し ます。 デザ イ ン パフ ォーマ ン
ス で こ の設定が許容 さ れ る こ と を確認 し て く だ さ い。
°
I/O コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン
パフ ォーマ ン ス要件に対 し て I/O 規格、 駆動電流、 お よ びオンチ ッ プ終端設定を確認 し 、 ト ラ イ ス テー ト が
可能な DCI I/O 規格 (T_DCI) を使用 し て駆動電流を下げた り 、 終端を省いた り 、 外部終端を使用 し た り で き
ないか を評価 し ます。
°
•
-
受信チ ッ プでサポー ト さ れ る 最小の スルー /駆動電流/電圧を使用 し ます。
-
並列終端 よ り も 終端な し ま たは直列終端を選択 し ます。 こ の決定には、 シ グナル イ ン テ グ リ テ ィ シ
ミ ュ レーシ ョ ン ツールを使用で き ます。
-
デバ イ ス の温度要件、 シ ス テ ム コ ス ト 、 お よ びボー ド の スペース要件を考慮 し て、 オンチ ッ プ終端 と
オ フチ ッ プ終端の ど ち ら が適 し てい る かを検討 し ます。
-
電圧幅の低い差動規格を使用で き ないかを検討 し ます。
-
アプ リ ケーシ ョ ンで大型パ ラ レル バス の代わ り に ト ラ ン シーバーを使用で き ないか を検討 し ます。
-
IBUF、 IODELAY な ど の I/O 機能の要件を評価 し 、 許容 さ れ る 場合はデ ィ ス エーブルに し ます。
ト ラ ン シーバー
°
°
°
°
•
出力
GTX/GTH/GTP ト ラ ン シーバーでは、 消費電力を削減で き る 可能性のあ る パ ワ ーダ ウ ン モー ド がサポー ト
さ れてい ます。
GTX/GTH レ シーバーには、 シ ス テ ム レベルでの消費電力 と パフ ォーマ ン ス の ト レー ド オ フ に応 じ て、 2 種
類の適応フ ィ ル タ ーがあ り ます。 GTX/GTH/GTP レ シーバーには、 チ ャ ネル損失が低 く 消費電力で最適化 さ
れた、 電力効率の高い LPM (低消費電力モー ド ) と い う 適応モー ド があ り ます。
各 GTX/GTH/GTP ト ラ ン シーバーでは、 SATA (Serial ATA) お よ び SAS (Serial Attach SCSI) 仕様に記述 さ れて
い る OOB (Out Of Band) シーケ ン ス の生成 と 、 PCI Express 仕様に記述 さ れてい る ビー コ ンがサポー ト さ れて
い ます。 OOB シーケ ン ス を使用 し ない場合、 さ ら に消費電力を削減で き ます。
ト ラ ン シーバーを可能な数だけ 1 つの タ イ ルにパ ッ ク し て、 サポー ト 回路の複製を最小限に抑え ます。
XADC
°
XADC は、 ラ ン タ イ ム中に DRP ポー ト か ら その コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン レ ジ ス タ #2 (ア ド レ ス 0x42) に書
き 込む こ と でパ ワーダ ウ ンで き ます。 各チ ャ ネルのパ ワーダ ウ ンは、 こ の レ ジ ス タ の ビ ッ ト DI4 と DI5 で
制御 さ れます。
Vivado でパ ワ ーダ ウ ン ビヘ イ ビ アーを ス タ テ ィ ッ ク にエ ミ ュ レー ト す る には、 次の コ マ ン ド を Vivado の
Tcl コ ン ソ ールに入力 し て、 コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン レ ジ ス タ を設定 し ます。
set_property INIT_42 {16'h0430} [get_cells <inst>]
<inst> は XADC イ ン ス タ ン ス です。
上記の コ マ ン ド は、 XADC の両方のチ ャ ネルをパ ワーダ ウ ン し ます。
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第 6 章 : 消費電力削減のための ヒ ン ト お よび手法
•
ロジッ ク
次の方法でデザ イ ン記述を最適化で き ます。
°
ロ ジ ッ ク の最適化の妨げにな り 、 配置配線 リ ソ ース を多 く 使用す る 非同期の制御信号を最小限に抑え ます。
°
制御セ ッ ト 数を最小限に抑え ます。 制御セ ッ ト は、 ク ロ ッ ク 、 ク ロ ッ ク イ ネーブル、 セ ッ ト 、 リ セ ッ ト 、
ラ イ ト イ ネーブル (LUT RAM の場合) 信号の固有グループです。 1 つの ス ラ イ ス内での信号数の制限お よ び
信号の共有のため、 制御セ ッ ト の情報は重要です。 こ れは FPGA アーキ テ ク チ ャ に よ っ て異な り ますが、
制限に達す る と 、 近接 し た関連 ロ ジ ッ ク をパ ッ ク で き ず、 配線 リ ソ ース が増加する 場合があ り ます。
°
パ イ プ ラ イ ン段を追加 し て、 組み合わせ ロ ジ ッ ク コ ーンのサ イ ズ を最小限に抑え ます。 こ れに よ り 、 各 ク
ロ ッ ク サ イ ク ルで信号が最終ス テー ト に到達する ま で、 レ ジ ス タ 間のグ リ ッ チの伝搬を最小限に抑え る こ
と がで き ます。
°
リ ソ ース の タ イ ム シ ェ ア リ ン グ を使用 し ます。 こ の手法では、 同 じ ハー ド ウ ェ ア リ ソ ース に異な る フ ァ ン
ク シ ョ ン を時分割多重化す る こ と で、 デバ イ ス の リ ソ ース使用量を最小限に抑え ます。 こ れに よ り 、 小 さ
いデバ イ ス を使用で き る よ う にな っ た り 、 配置配線の密集が緩和 さ れ、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力お よ びダ イ
ナ ミ ッ ク 消費電力を削減で き ます。
°
低速で類似 し てい る プ ロ セ ス は、 別の リ ソ ース を使用せずに同 じ リ ソ ース で実行で き ます。 ただ し 、 処理
す る デー タ のバ ッ フ ァ ー処理、 マルチプ レ ク サー処理、 初期化、 お よ び制御方法を慎重に検討する 必要が
あ り ます。 複数の入力セ ンサーを処理す る な ど、 並列処理が行われ る アプ リ ケーシ ョ ンで こ の よ う な最適
化を実行 し ます。 多数の処理ユニ ッ ト を入力 と し て使用す る 代わ り に、 1 つの処理ユニ ッ ト を高速に動作 さ
せ、 入力チ ャ ネルを順次処理 し なが ら 各出力の応答時間は同 じ にな る よ う にする こ と がで き ます。 Xilinx
Power Estimator の what-if 見積 も り を実行す る と 、 消費電力の削減が作業努力に値す る か を判断で き ます。
°
DSP お よ びブ ロ ッ ク RAM のオプシ ョ ンの レ ジ ス タ を使用 し ます。 た と えば、 DSP ブ ロ ッ ク で乗算器ま た
は MREG レ ジ ス タ を イ ネーブルにす る と 、 ク ロ ッ ク サ イ ク ル間の内部グ リ ッ チの伝搬が最小限に抑え ら
れ、 最 も 電力効率の高い イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ンにな り ます。
Vivado 消費電力最適化機能での試行
Vivado ツールで消費電力最適化を実行 し た と き に消費電力が最大限に削減 さ れ る よ う にする には、 消費電力最適化
をデザ イ ン全体に実行 し 、 デザ イ ンの一部を除外 し ない よ う に し ます。 デバ ッ グが必要であ る 可能性があ る 部分は
グ ロ ーバル セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号、 ブ ロ ッ ク RAM イ ネーブル生成、 お よ びレ ジ ス タ ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グの 3 つで
す。 こ れ ら の部分で消費電力最適化に生成 さ れた イ ネーブルの数が少ない場合、 コ ー ド ま たは合成お よ び イ ンプ リ
メ ン テーシ ョ ンのオプシ ョ ン/プ ロ パテ ィ を確認す る 必要があ る 可能性があ り ます。
重要 : Vivado 消費電力最適化では、 消費電力を最大限に削減 し なが ら タ イ ミ ン グへの影響は最小限に抑え ますが、
場合に よ っ ては タ イ ミ ン グが悪化す る 場合があ り ます。 こ の影響を補正す る 方法は、 第 4 章の 「消費電力最適化後
の タ イ ミ ン グの保持」 を参照 し て く だ さ い。
•
グ ロ ーバル セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号
可能な限 り (特にデー タ パ ス、 パ イ プ ラ イ ン フ リ ッ プ フ ロ ッ プ、 ブ ロ ッ ク RAM (BRAM) に対 し て)、 非同期セ ッ
ト / リ セ ッ ト 信号の使用を最小限に抑え ます。
ま た、 power_opt_design でグ ロ ーバル セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号に dont_touch プ ロ パテ ィ を設定 し 、 イ ネーブ
ル と し て使用 さ れない よ う にす る こ と も 考慮 し ます。 HDL で dont_touch プ ロ パテ ィ を設定す る と 、 フ ロ ーの
すべての段階で こ の属性が適用 さ れます。 こ のオプシ ョ ンは、 消費電力最適化用の XDC 制約 と し て設定する こ
と をお勧め し ます。 次にその例を示 し ます。
set_property DONT_TOUCH true [get_cells u1]
最後に、 消費電力最適化お よ びベ ク タ ーレ ス消費電力見積 も り の前に、 グ ロ ーバル セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号の信号
レー ト お よ び確率が正 し く 設定 さ れてい る こ と を確認 し て く だ さ い。
消費電力解析および最適化
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第 6 章 : 消費電力削減のための ヒ ン ト お よび手法
•
ス ラ イ ス レ ジ ス タ お よ び SRL
power_opt_design でデザ イ ンの ス ラ イ ス レ ジ ス タ ま たは SRL に対 し て ク ロ ッ ク イ ネーブルが生成 さ れない
原因は、 多数あ り ます。 次は、 その例です。
•
°
デザ イ ンに組み合わせループが存在す る
°
デザ イ ンへのプ ラ イ マ リ 入力が ソ ース と な る フ リ ッ プ フ ロ ッ プお よ び SRL にセ ッ ト / リ セ ッ ト 信号が使用 さ
れてい る
°
デー タ パ ス フ リ ッ プ フ ロ ッ プに非同期セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号が使用 さ れてい る
°
デザ イ ンに多数の ク ロ ッ ク ド メ イ ンがあ り 、 ク ロ ッ ク ド メ イ ン を ま たがっ てい る ために イ ネーブルが生成
さ れない
°
SRL のサ イ ズ : SRL のシ フ ト レ ジ ス タ の段数が多いほ ど、 すべての段に対 し て 1 つの ク ロ ッ ク イ ネーブル
を生成す る のが困難にな り ます。
ブ ロ ッ ク RAM
ブ ロ ッ ク RAM (BRAM) が多数使用 さ れ る デザ イ ンでは、 消費電力を大き く 削減で き る 可能性があ り ます。
Vivado では、 さ ま ざ ま な最適化手法を使用 し て イ ネーブルを生成 し 、 消費電力を削減 し ます。
power_opt_design を使用 し て も BRAM のゲーテ ィ ン グがそれほ ど適用 さ れていない場合は、 次の よ う な原
因が考え ら れます。
°
BRAM が主に FIFO18/FIFO36 セルであ る 。 こ れ ら の イ ン ス タ ン ス はツールで最適化で き ません。
°
推論ま たは イ ン ス タ ン シエー ト さ れた メ モ リ が、 A ポー ト と B ポー ト に別の ク ロ ッ ク を使用 し た完全な
デ ュ アル ポー ト (TDP) モー ド であ り 、 power_opt_design で最適化で き ない。
°
BRAM 自体ま たは BRAM に供給 さ れ る ア ド レ ス/ ラ イ ト イ ネーブル フ リ ッ プ フ ロ ッ プに非同期 リ セ ッ ト が
使用 さ れてい る 。
Vivado 消費電力解析機能での試行
Vivado の [Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス で設定を変更 し て解析を実行 し 、 消費電力への影響を確認で き ます。
°
環境 : 温度パ ラ メ ー タ ー、 プ ロ セ ス、 ま たは電圧を設定 し ます。
°
デザ イ ンのア ク テ ィ ビ テ ィ : デザ イ ンに含まれ る ネ ッ ト ま たはセルのア ク テ ィ ビ テ ィ を調整 し ます。 1 つま
たは複数のア イ テ ム を同時に変更 し ます。 次 も 変更で き ます。
-
ク ロ ッ ク ド メ イ ン : ス イ ッ チン グ周波数を調整 し ます。
-
グルー ロ ジ ッ ク : ダ イ ナ ミ ッ ク ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を調整 し ます。
-
I/O : ス タ テ ィ ッ ク ア ク テ ィ ビ テ ィ お よ びダ イ ナ ミ ッ ク ア ク テ ィ ビ テ ィ の確率を調整 し ます。 負荷容量
や近端ボー ド 終端な ど、 デバ イ ス出力に接続 さ れてい る 外部 コ ン ポーネ ン ト のパ ラ メ ー タ ー も 調整で
き ます。
-
信号 : デー タ 信号のダ イ ナ ミ ッ ク ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を調整 し ます。 制御信号の ス タ テ ィ ッ ク 確率
を変更す る と 、 ク ロ ッ ク イ ネーブル、 セ ッ ト 、 ま たは リ セ ッ ト の異な る 条件下での消費電力を評価で
き ます。
-
特定のブ ロ ッ ク : ダ イ ナ ミ ッ ク ア ク テ ィ ビ テ ィ 確率に加え、 ブ ロ ッ ク RAM のポー ト イ ネーブルま た
は ラ イ ト イ ネーブルな ど の制御信号のア ク テ ィ ビ テ ィ も 調整で き ます。
消費電力解析および最適化
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第 6 章 : 消費電力削減のための ヒ ン ト お よび手法
Xilinx Power Estimatorr (XPE) での試行
XPE では、 複数の ソ ース に よ り 開発 さ れたモジ ュ ールの Vivado 消費電力解析結果を イ ン ポー ト し 、 こ れ ら の IP
ブ ロ ッ ク をデバ イ ス に イ ンプ リ メ ン ト し た と き の総消費電力を確認で き ます。 ま た、 ネ ッ ト リ ス ト を変更 し な
く てはいけない状況を評価 し 、 実際に コ ー ド を変更せずに消費電力への影響を評価で き ます。 XPE では各 ロ
ジ ッ ク エ レ メ ン ト ま たは信号を個別に変更する こ と はで き ないので、 デザ イ ンの コ ア ロ ジ ッ ク での精度は
Vivado 消費電力解析 よ り も 低 く な り ます。
XPE では、 次を試す こ と も で き ます。
°
リ ソ ース使用量
リ ソ ース数を減 ら し てみます。 ロ ジ ッ ク の一部を ス ラ イ ス ロ ジ ッ ク か ら ブ ロ ッ ク RAM や DSP な ど の専用
ブ ロ ッ ク にマ ッ プ し 直 し た り 、 ま たその逆を実行 し てみます。
°
リ ソ ース コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン
デザ イ ンの I/O、 ブ ロ ッ ク RAM、 ク ロ ッ ク ジ ェ ネ レー タ ー、 お よ びその他の リ ソ ース に別の コ ン フ ィ ギ ュ
レーシ ョ ン設定を使用 し てみます。
RTL コ ー ド の変更
消費電力を削減す る ために RTL コ ー ド を変更す る 必要があ る 場合は、 パ イ プ ラ イ ン を追加 し た り 、 キ ャ リ ー
チ ェーンや XOR フ ァ ン ク シ ョ ン な ど のア ク テ ィ ビ テ ィ の高い ロ ジ ッ ク で リ タ イ ミ ン グ を実行 し てみた り で き ま
す。 キ ャ リ ー チ ェ ーン を含む長いパス は、 低速の ク ロ ッ ク ド メ イ ンにあ る こ と が多いですが、 グ リ ッ チが増
え、 デザ イ ンの消費電力が増加す る 原因 と な り ます。 多 く の場合、 こ れ ら のパ ス を リ タ イ ミ ン グ ま たはパ イ プ
ラ イ ン処理す る と 有益です。
手順 4 : 変更を反映 し 、 消費電力を確認
時間、 パフ ォーマ ン ス、 お よ び リ ソ ース制約での最適な変更を決定 し た ら 、 こ れ ら を反映 さ せます。 一度に試すオ
プシ ョ ンや変更が多すぎ る と 、 競合や相互作用が発生す る 可能性があ る ため、 結果が最適にな ら ない可能性があ り
ます。 時間があ る 場合は一度に試すオプシ ョ ン を限定 し て、 ほかの変更を加え る 前に消費電力お よ びその他の制約
への影響を評価す る 方法が最適です。
消費電力解析および最適化
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付録 A
その他のソ ースおよび法的通知
ザイ リ ン ク ス リ ソ ース
ア ンサー、 資料、 ダ ウ ン ロ ー ド 、 フ ォー ラ ム な ど のサポー ト リ ソ ース は、 ザ イ リ ン ク ス サポー ト サ イ ト を参照 し て
く だ さ い。
ソ リ ュ ーシ ョ ン セ ン タ ー
デバ イ ス、 ツール、 IP のサポー ト については、 ザ イ リ ン ク ス ソ リ ュ ーシ ョ ン セ ン タ ーを参照 し て く だ さ い。 ト ピ ッ
ク には、 デザ イ ン ア シ ス タ ン ト 、 ア ド バ イ ザ リ 、 ト ラ ブルシ ュ ー ト ヒ ン ト な ど が含まれます。
参考資料
注記 : 日本語版のバージ ョ ンは、 英語版 よ り 古い場合があ り ます。
1.
『Vivado® Design Suite ユーザー ガ イ ド : リ リ ース ノ ー ト 、 イ ン ス ト ールお よ び ラ イ セ ン ス』 (UG973)
2.
『Vivado Design Suite Tcl コ マ ン ド リ フ ァ レ ン ス ガ イ ド 』 (UG835)
3.
『Vivado Design Suite ユーザー ガ イ ド : 制約の使用』 (UG903)
4.
『Xilinx Power Estimator ユーザー ガ イ ド 』 (UG440)
5.
『Vivado Design Suite チ ュ ー ト リ アル : 消費電力の解析 と 最適化』 (UG997)
6.
『Vivado Design Suite ユーザー ガ イ ド : ロ ジ ッ ク シ ミ ュ レーシ ョ ン』 (UG900)
7.
『7 シ リ ーズ FPGA パ ッ ケージお よ びピ ン配置ガ イ ド 』 (UG475 : 英語版、 日本語版)
8.
『UltraScale お よ び UltraScale+ FPGA パ ッ ケージお よ びピ ン配置ユーザー ガ イ ド 』 (UG575 : 英語版、 日本語版)
9.
『7 シ リ ーズ FPGA お よ び Zynq-7000 All Programmable SoC XADC デュ アル 12 ビ ッ ト 1MSPS アナ ロ グ-デジ タ ル
コ ンバー タ ー ユーザー ガ イ ド 』 (UG480 : 英語版、 日本語版)
10. 『XADC (Xilinx Analog-to-Digital Converter) の駆動』 (XAPP795 : 英語版、 日本語版)
11. Vivado Design Suite の資料
消費電力解析および最適化
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付録 A : その他のソ ースおよび法的通知
ト レーニ ング リ ソ ース
ザ イ リ ン ク ス では、 本書に含まれ る コ ン セプ ト を説明す る さ ま ざ ま な ト レーニ ン グ コ ースお よ びオン ラ イ ン ビデオ
を提供 し てい ます。 次の リ ン ク か ら 関連す る ト レーニ ン グ リ ソ ース を参照 し て く だ さ い。
1.
Vivado Design Suite QuickTake ビデオ : Vivado での消費電力の見積 も り と 解析
2.
Vivado Design Suite QuickTake ビデオ : Vivado での消費電力の最適化
3.
Vivado Design Suite QuickTake ビデオ チ ュ ー ト リ アル
法的通知
本通知に基づいて貴殿ま たは貴社 (本通知の被通知者が個人の場合には 「貴殿」、 法人その他の団体の場合には 「貴社」。 以下同 じ )
に開示 さ れ る 情報 (以下 「本情報」 と いい ます) は、 ザ イ リ ン ク ス の製品を選択お よ び使用す る こ と のためにのみ提供 さ れます。 適
用 さ れ る 法律が許容す る 最大限の範囲で、 (1) 本情報は 「現状有姿」、 お よ びすべて受領者の責任で (with all faults) と い う 状態で提
供 さ れ、 ザ イ リ ン ク ス は、 本通知を も っ て、 明示、 黙示、 法定を問わず (商品性、 非侵害、 特定目的適合性の保証を含みますが こ
れ ら に限 ら れません)、 すべての保証お よ び条件を負わない (否認す る ) も の と し ます。 ま た、 (2) ザ イ リ ン ク ス は、 本情報 (貴殿ま
たは貴社に よ る 本情報の使用を含む) に関係 し 、 起因 し 、 関連す る 、 いかな る 種類 ・ 性質の損失ま たは損害について も 、 責任を負
わない (契約上、 不法行為上 (過失の場合を含む)、 その他のいかな る 責任の法理に よ る か を問わない) も の と し 、 当該損失ま たは損
害には、 直接、 間接、 特別、 付随的、 結果的な損失ま たは損害 (第三者が起 こ し た行為の結果被っ た、 デー タ 、 利益、 業務上の信
用の損失、 その他あ ら ゆ る 種類の損失や損害を含みます) が含ま れ る も の と し 、 それは、 た と え当該損害や損失が合理的に予見可
能であ っ た り 、 ザ イ リ ン ク ス がそれ ら の可能性について助言を受けていた場合であ っ た と し て も 同様です。 ザ イ リ ン ク ス は、 本情
報に含ま れ る いかな る 誤 り も 訂正す る 義務を負わず、 本情報ま たは製品仕様のア ッ プデー ト を貴殿ま たは貴社に知 ら せ る 義務 も 負
い ません。 事前の書面に よ る 同意のない限 り 、 貴殿ま たは貴社は本情報を再生産、 変更、 頒布、 ま たは公に展示 し てはな り ませ
ん。 一定の製品は、 ザ イ リ ン ク ス の限定的保証の諸条件に従 う こ と と な る ので、 http://japan.xilinx.com/legal.htm#tos で見 ら れ る ザ イ
リ ン ク ス の販売条件を参照 し て く だ さ い。 IP コ アは、 ザ イ リ ン ク ス が貴殿ま たは貴社に付与 し た ラ イ セ ン ス に含ま れ る 保証 と 補助
的条件に従 う こ と にな り ます。 ザ イ リ ン ク ス の製品は、 フ ェ イ ルセーフ と し て、 ま たは、 フ ェ イ ルセーフ の動作を要求する アプ リ
ケーシ ョ ンに使用す る ために、 設計 さ れた り 意図 さ れた り し てい ません。 その よ う な重大な アプ リ ケーシ ョ ンにザ イ リ ン ク ス の製
品を使用す る 場合の リ ス ク と 責任は、 貴殿ま たは貴社が単独で負 う も のです。 http://japan.xilinx.com/legal.htm#tos で見 ら れ る ザ イ リ
ン ク ス の販売条件を参照 し て く だ さ い。
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