UG786 消費電力手法ガイド

消費電力手法ガ イ ド
UG786 (v13.1) 2011 年 3 月 1 日
該当するソフトウェア バージョン : ISE Design Suite 13.1 以降
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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
2011 年 3 月 1 日
13.1
消費電力手法ガ イ ド
改定履歴
初期 リ リ ース
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こ のマニ ュ アルについて
こ の消費電力手法ガ イ ド には、 FPGA ロ ジ ッ ク を設計 し てシ ス テ ムに統合する 際に受け る 可能性があ る 消費電力の影
響がすべて記載 さ れてい ます。 こ のガ イ ド では、 FPGA 内部ま た外部の消費電力に影響する 電力的要因や物理的要因
が示 さ れてい ます。 ま た、 デザ イ ン サ イ ク ルの任意の段階でデバ イ ス の消費電力を監視 し て最小限に抑え る フ ロ ー
お よ び手法 も 紹介 し てい ます。
こ のガ イ ド は、 次の章で構成 さ れています。
第 1 章 「FPGA の消費電力概要」 では、 FPGA におけ る消費電力を理解す る のに必要な さ ま ざ ま な コ ン ポーネ ン ト
と FPGA に大規模なシ ス テ ム を含め る 際の影響について説明 し ます。 ま た、 各種用語の定義、 物理的過程、 要因に
ついて説明 し ます。
第 2 章 「 ソ フ ト ウ ェ アに よ る 消費電力解析」 では、 FPGA の消費電力の算出方法ま たは概算方法に対す る さ ま ざ ま
なアプ ロ ーチを紹介 し ます。 結果が ど の よ う に算出 さ れたかを理解で き る よ う 、 各アプ ロ ーチでの利点、 必要な入
力、 想定、 お よ び精度 と 複雑度の ト レー ド オ フ について説明 し ます。
第 3 章 「消費電力予測手法」 では、 FPGA の消費電力を概算 し て大規模シ ス テ ム設計への影響を確認す る際の ツー
ルお よ び手法をデザ イ ン サ イ ク ルの各ス テ ッ プご と に説明 し ます。
第 4 章 「消費電力削減のための ヒ ン ト お よ び手法」 では、 シ ス テ ムのすべての側面に対 し て消費電力を最小限に抑
え る 際に使用で き る 実践的なガ イ ド ラ イ ン を紹介 し ます。 FPGA が イ ンプ リ メ ン ト さ れ る シ ス テ ムでの考慮事項、
HDL コ ー ド 手法、 ソ フ ト ウ ェ ア設定、 お よ び消費電力の最適化アルゴ リ ズ ムについて も 説明 し ます。
第 5 章 「ま と め」 では、 ガ イ ド で紹介 し た情報のサマ リ を紹介 し ます。
付録 A 「その他の リ ソ ース」 では、 こ のガ イ ド で紹介す る情報に関連す る資料の リ ス ト が含まれてい ます。
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目次
改訂履歴. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
こ のマニ ュ アルについて . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
第 1 章 : FPGA の消費電力概要
FPGA 消費電力の側面お よ びシ ス テ ムの依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
FPGA 消費電力 と 全般的なシ ス テ ム デザ イ ン プ ロ セ ス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
ザ イ リ ン ク ス 消費電力予測/解析ツール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
第 2 章 : ソ フ ト ウ ェ アに よ る消費電力解析
消費電力計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
熱計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
消費電力モデルの精度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ア ク テ ィ ビ テ ィ 予測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
使用量予測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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19
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第 3 章 : 消費電力予測手法
イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン前の消費電力予測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン中の監視. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
消費電力 ク ロ ージ ャ 段階 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
消費電力お よ び温度の計測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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第 4 章 : 消費電力削減のための ヒ ン ト お よび手法
シ ス テ ム レベル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
デバ イ ス レベル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
デザ イ ン レベル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ソ フ ト ウ ェ ア設定お よ びアルゴ リ ズ ム レベル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
デバ イ ス ま たはアーキ テ ク チ ャ を効率的に比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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42
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第 5 章 : ま とめ
付録 A : その他の リ ソ ース
消費電力に関する 資料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
ツール資料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
サポー ト お よ びその他 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
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第1章
FPGA の消費電力概要
こ の章では、 FPGA を ボー ド に イ ンプ リ メ ン ト す る際に考慮す る さ ま ざ ま な側面やス テ ッ プについ
て紹介 し ます。 シ ス テ ム設計 と い う 大 き な視点か ら FPGA 開発を捉え、 デザ イ ン フ ロ ーの各段階
での消費電力に関連 し た考慮事項を大ま かに説明 し ま す。 フ ロ ーの詳細、 ヒ ン ト 、 お よ び手法は、
第 3 章「消費電力予測手法」お よ び第 4 章「消費電力削減のための ヒ ン ト お よ び手法」 で説明 し ます。
FPGA 消費電力の側面およびシス テムの依存性
現代の FPGA は、 カ ス タ マ イ ズ可能な大型 ロ ジ ッ ク ア レ イ に加え て メ モ リ 、 DSP、 プ ロ セ ッ サー、
お よ びデー タ を処理 し て別のチ ッ プ と 通信す る多数のブ ロ ッ ク が統合 さ れた優れたチ ッ プです。 プ
リ ン ト 回路基盤 (PCB) には複雑なチ ッ プが多数あ る ため、FPGA の消費電力は多 く の要因に依存 し
てい ます。FPGA お よ びユーザー デザ イ ンに よ り シ ス テ ムの電源要件お よ び放熱要件が作成 さ れ る
一方で、 シ ス テ ムの物理的、 電気的な要因が FPGA の電源お よ び冷却に影響を与え る可能性があ り
ます。 次のセ ク シ ョ ンでは、 こ れ ら の側面を詳細に説明す る前に、 こ のガ イ ド で使用 さ れ る用語お
よ び概念について説明 し ます。
電源パス
FPGA に電源を供給す る には、 複数の電源が必要です。 各電源では、 さ ま ざ ま な FPGA リ ソ ース で
必要にな る 電力が提供 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 が動作で 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。
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第 1 章 : FPGA の消費電力概要
表 1-1 : FPGA リ ソ ースおよびその電源
電源
VCCINT
および
VCCBRAM(3)
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
• 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(1)
• DSP ス ラ イ ス (1)
• 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)(1)
• ISERDES/OSERDES(1)
• PowerPC™ プ ロ セ ッ サー (1)
• ト ラ イ モー ド イ ーサネ ッ ト MAC(1)
• ク ロ ッ ク マネージ ャ ー (DCM、 PLL な ど ) (大部分は Vccaux で供給 さ れ
る ため少量のみを供給)
• MGT の PCIE お よ び PCS 部分
VCCAUX
および
VCCAUX_IO(3)
• ク ロ ッ ク マネージ ャ ー (MMCM、 PLL、 DCM な ど )(1)
• IODELAY/IDELAYCTRL(1)
• 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
VCCO
• すべての出力バ ッ フ ァ ー
• 一部の入力バ ッ フ ァ ー
• デジ タ ル制御 イ ン ピーダ ン ス (DCI) 回路
( オンチ ッ プ終端 (OCT) と も 呼ばれ る )(2)
MGT*
• ト ラ ン シーバーの PMA 回路
メモ :
1. こ れ ら の リ ソ ース は、 一部のデバ イ ス フ ァ ミ リ でのみで使用で き 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 (VCCO_0 ま たは V0CCO_CONFIG) の VCCO では、 バン ク 0 に含 まれ る I/O すべて と コ ン フ ィ
ギ ュ レ ーシ ョ ン回路に電源が供給 さ れ 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 FPGA のみ
電力の種類
各電源で必要な電力は、 次の 3 つです。
8
•
デバ イ ス ス タ テ ィ ッ ク ( リ ー ク ) 電力 : デバ イ ス が動作 し 、プ ロ グ ラ ムで使用で き る ために必要
な電力。 大部分はデバ イ ス の コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン を保持す る ために使用 さ れ る ト ラ ン ジ ス
タ の リ ー ク が原因です。
•
デザ イ ンの ス タ テ ィ ッ ク 消費電力 : デバ イ ス が コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン さ れていてア ク テ ィ ビ
テ ィ がない と き に継続 し て消費 さ れ る電力。 こ の電力には、 デザ イ ンのア ク テ ィ ビ テ ィ に関わ
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FPGA 消費電力の側面およびシ ステムの依存性
ら ず使用時に電力が必要にな る I/O 終端、 ク ロ ッ ク マネージ ャ ー、 お よ びその他の回路の ス タ
テ ィ ッ ク 電流が含まれています。
•
デザ イ ン ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力 : デザ イ ン ア ク テ ィ ビ テ ィ で発生す る電力。 こ の電力は、 デザ
イ ン ア ク テ ィ ビ テ ィ に よ っ て時間 と 共に変化 し ます。 ま た、 こ の電力は使用す る 電圧レベル、
ロ ジ ッ ク 、 お よ び配線 リ ソ ース に よ っ て異な り ます。
電力消費パス
FPGA デバ イ ス に供給 さ れ る総電力は、 複数のパ ス を介 し て出入力 さ れます。
•
熱電力 : FPGA 内部で消費 さ れ る電力。 熱電力は、 デバ イ ス の異な る エ レ メ ン ト を イ ネーブル
に し て、 デバ イ ス ロ ジ ッ ク を切 り 替え ます。 こ の よ う な動作では熱が発生 し 、 デバ イ ス のジ ャ
ン ク シ ョ ン温度が上昇す る原因にな り ます。 こ の熱は、 環境に伝導 し ます。 プ リ ン ト 回路基板
にはほかのチ ッ プ も 配置 さ れてい る ため、 FPGA 設計者は放熱パ ス を提供 し 、 ジ ャ ン ク シ ョ ン
温度をデバ イ ス動作範囲に維持す る よ う にす る必要があ り ます。
•
オ フチ ッ プ電力 : 電源か ら FPGA 電力ピ ン、 I/O ピ ンの順に通 り 、 外部のボー ド コ ン ポーネ ン
ト で散逸 さ れ る 電流。 FPGA で供給 さ れ る電流は通常、 オフ チ ッ プの I/O 終端、 LED、 ま たは
ほかのチ ッ プの I/O バ ッ フ ァ ーで消費 さ れ る ので、 デバ イ ス のジ ャ ン ク シ ョ ン温度の上昇の原
因にはな り ません。
パワー モー ド
FPGA は、 電源を投入 し てか ら 切 る ま での間にい く つかの電力フ ェ ーズ を経ます。 各フ ェ ーズでの
電力要件は、 異な り ます。
•
電力投入 : 最初に FPGA に電力が投入 さ れ る と き に発生す る過渡スパ イ ク 電流。 こ の電流は各
電圧電源で異な り 、 FPGA 構造お よ び電源 ソ ー ス の公称電圧への上昇能力に依存 し てい ます。
ま た、 温度、 異な る電源間での優先順位な ど、 デバ イ ス の動作条件に も 依存 し てい ます。 現代
の FPGA アーキ テ ク チ ャ で電源投入順序のガ イ ド ラ イ ンに従っ てい る場合は、こ の よ う な スパ
イ ク 電流を考慮す る必要はあ り ません。
•
コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン : デバ イ ス の コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン中に必要な電力。 アプ リ ケー
シ ョ ンの消費電力が極端に低 く ない限 り 、 コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン電力はア ク テ ィ ブ電力 よ り
常に低 く な る ため、 こ の一時的な フ ェ ーズが電源要件に影響す る こ と はあ り ません。
•
ス タ ンバ イ : デバ イ ス が コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン さ れた と き に供給 さ れ る 電力で、 外部か ら 適
用 さ れ る ア ク テ ィ ビ テ ィ や内部で生成 さ れ る ア ク テ ィ ビ テ ィ はあ り ません。 ス タ ンバ イ は、 デ
ザ イ ンの動作中に供給す る必要があ る最小継続電力を示 し ます。
•
ア ク テ ィ ブ : デバ イ ス でアプ リ ケーシ ョ ンが実行 さ れてい る間に必要な電力。 こ の電力には、
ス タ ン ド バ イ (すべての ス タ テ ィ ッ ク 消費電力) と デザ イ ン ア ク テ ィ ビ テ ィ に よ り 生成 さ れた
電力すべて (デザ イ ンのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力) が含まれます。 こ の電力は瞬間的で、 入力デー
タ パ タ ーンお よ びデザ イ ンの内部ア ク テ ィ ビ テ ィ に よ り ク ロ ッ ク サ イ ク ルご と に変化 し ます。
•
サ スペン ド : すべてのデバ イ ス の電力が切れてい る と き に必要な電力。 こ の電力は、 デバ イ ス
フ ァ ミ リ に よ っ て異な り ま すが、 デバ イ ス の コ ン フ ィ ギ ュ レ ーシ ョ ン は常に保持 さ れ ま す。
ウ ェ ー ク ア ッ プ ロ ジ ッ ク に よ り ア ク テ ィ ブ ス テー ト に戻 る こ と がで き ます。 こ のモー ド では、
電力を節約 し なが ら 完全機能にすみやかに戻 る こ と がで き ます。
•
ハ イ バネー ト : 1 つま たは複数の電源 ソ ースが切れてい る と き に必要な電力。 こ の機能は FPGA
アーキ テ ク チ ャ に よ っ て異な り ますが、 通常は常時動作す る必要がないアプ リ ケーシ ョ ンで消
費電力を大幅に節約で き ます。 通常の動作に戻 る 前にデバ イ ス のプ ロ グ ラ ム を再実行す る 必要
があ る ため、 ア ク テ ィ ブ電力ス テー ト に戻 る ま での ウ ェ ー ク ア ッ プ時間は長 く な り ます。 ま た、
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第 1 章 : FPGA の消費電力概要
こ のモー ド ではブ ロ ッ ク RAM を含むチ ッ プ内すべてのデー タ が ク リ ア さ れ る ので、 電源投入
時 と 同 じ 状態にデバ イ ス が戻 り ます。
環境的な消費電力の要因
•
供給ス ト ラ テジ
•
レ ギ ュ レー タ ー技術 : 入力 と 出力の電圧差異、 応答時間、 最大電流、 出力電圧の精度制約
を調整す る さ ま ざ ま な レ ギ ュ レー タ ー技術があ り ます。
•
デカ ッ プ リ ン グ ネ ッ ト ワー ク のパフ ォーマン ス : デカ ッ プ リ ン グ回路を効率 よ く 設計す
る と 、 短時間で高電力を要求す る 期間に FPGA に電力を供給す る だけではな く 、 レ ギ ュ
レー タ ーか ら の電流サージ要求を減 ら し て、 レ ギ ュ レー タ ーに よ る総消費電力を抑え る こ
と がで き ます。
•
FPGA の選択 : 電源数お よ び電圧レベル要件は、 FPGA フ ァ ミ リ に よ っ て異な り ます。 低
電圧 コ アや低電圧 I/O イ ン タ ーフ ェ イ ス を サポー ト す るデバ イ ス を選択す る と 、 消費電力
を抑え る こ と がで き ます。
•
冷却ス ト ラ テジ
•
シ ス テ ム環境 : シ ス テ ム エン ク ロ ージ ャ の形状お よ び寸法 と その周囲温度は、 生成 さ れた
熱を環境に移す際に考慮す る主要な側面です。
•
ヒ ー ト シ ン ク : ヒ ー ト シ ン ク の寸法、 形状、 お よ びマ ウ ン ト と 関連す る強制エア フ ロ ー
シ ス テ ムに よ り FPGA か ら 抽出可能な熱量が決定 し ます。
•
パ ッ ケージ選択 : パ ッ ケージの寸法、 材質、 お よ びボー ド への接続は、 コ ス ト と シ グ ナ
ル イ ン テ グ リ テ ィ に加え、 生成 さ れた熱が上面 と 下面の両方か ら ど の よ う に環境に移 さ
れ る かに も 影響 し ま す。 ヒ ー ト シ ン ク と ボー ド 間で接触面が大 き いほ ど、 熱抵抗が低 く
な り ま す。
•
コ ン ポーネ ン ト の配置 : シ ス テ ム エン ク ロ ージ ャ に加え材質、 アセ ンブ リ 、 お よ びその近
隣の コ ン ポーネ ン ト な ど の構成パ ラ メ ー タ ーに応 じ て コ ン ポーネ ン ト を配置す る と 、 環境
への熱の移 り 方が変わ り ま す。 た と えば、 障害物を 1 つ配置す る と FPGA 付近のエア フ
ロ ーが減少す る可能性があ り ます。 FPGA の近辺に配置 さ れてい る その他の熱を発す る コ
ン ポーネ ン ト は、 デバ イ ス上部の外気を加熱 し た り 、 ヒ ー ト シ ン ク の効率を下げた り 、 ま
たはボー ド 材を介 し て FPGA に熱を移 し た り する 可能性があ り ます。
デバイ スの消費電力の要因
•
10
製造パ ラ メ ー タ ー
•
シ リ コ ン技術 : ザ イ リ ン ク ス のデザ イ ン チームでは、 シ ミ ュ レーシ ョ ン と 解析を精密に行
い、 製造プ ロ セ ス におけ る パ ラ メ ー タ ーを慎重に選択 し てい ます。 望ま し い機能、 コ ス ト 、
パフ ォーマン ス、 お よ び信頼性の間で適切なバ ラ ン ス を取 る には、 さ ま ざ ま な ト ラ ン ジ ス
タ のサ イ ズ、 強度、 電圧、 お よ び配列が要求 さ れます。 こ れに よ り 、 ト ラ ン ジ ス タ の極性
化ま たは切 り 替えに必要なエネルギーが最適化 さ れます。 ザ イ リ ン ク ス では、 デバ イ ス I/
O の電気特性を シ ス テ ム でシ ミ ュ レ ーシ ョ ン で き る よ う ビ ヘ イ ビ アーお よ び ト ラ ン ジ ス
タ レベルのモデルが提供 さ れます。 こ れ ら のモデルを入手する には、
http://japan.xilinx.com/support/download/index.htm で [デバ イ ス モデル] タ ブ を ク リ ッ ク
し 、 [Model Type] の下か ら 任意モデルを ク リ ッ ク し て く だ さ い。
•
パ ッ ケージ技術 : ザ イ リ ン ク ス では、 デバ イ ス コ アお よ び I/O への電流の流れに影響す る
パ ッ ケージ技術お よ び物理的/電気的レ イ ア ウ ト のパ ラ メ ー タ ーを慎重に選択 し てい ます。
ま た、 形状や材質な ど のパ ラ メ ー タ ーは、 デバ イ ス で生成 さ れ る熱が ど の よ う にパ ッ ケー
ジの上面お よ び下面の両面か ら 環境に移 さ れ る か を 定義 し ま す。 特定の シ ス テ ム でパ ッ
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FPGA 消費電力の側面およびシ ステムの依存性
ケージの電子的プ ロ パテ ィ を評価で き る よ う 、 ザ イ リ ン ク ス では IBIS フ ォーマ ッ ト で ピ
ン ご と の RLCG モデルを提供 し ています。選択 し たパ ッ ケージの熱動作を シ ミ ュ レーシ ョ
ン す る た め の 小 型 の 熱 モ デ ル も 提 供 さ れ て い ま す。 こ れ ら の 熱 モ デ ル は、 http://
japan.xilinx.com/support/download/index.htm の [ デバ イ ス モデル] タ ブ を ク リ ッ ク す る
と 、 [パ ッ ケージ温度モデル] か ら 入手で き ます。
•
アーキ テ ク チ ャ のパ ラ メ ー タ ー
ザ イ リ ン ク ス チームでは、 多数のパ ラ メ ー タ ーが存在す る 中で、 タ イ プ、 機能、 量、 レ イ ア ウ
ト 、 お よび さ ま ざ ま な FPGA リ ソ ース間の接続性を定義 し てい ます。 相反す る要因間でバ ラ ン
ス を取 る のは、 非常に困難です。 最 も 消費電力を節約で き る よ う なアーキ テ ク チ ャ のパ ラ メ ー
タ ーを選択す る こ と で、 デバ イ ス コ ス ト やパフ ォーマン ス に影響 し た り 、 ソ フ ト ウ ェ アの イ ン
プ リ メ ン テーシ ョ ン アルゴ リ ズ ムが さ ら に複雑にな る 可能性があ り ます。 こ れ ら の選択は、 デ
バ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力お よ びダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力に大 き く 影響 し ます。
最近のデバ イ ス の改善点 :
•
よ り 多 く の機能を フ ィ ッ ト で き る よ う に ス ラ イ スや基本 ロ ジ ッ ク 構造を調整。 小 さ いエ リ
アに よ り 多 く の ロ ジ ッ ク をパ ッ ク す る こ と で、 通常は ロ ジ ッ ク お よ び配線のダ イ ナ ミ ッ ク
消費電力が節約 さ れます (4 入力 LUT の代わ り に 6 入力 LUT)。
•
デザ イ ンで よ く 使用 さ れ る機能のハー ド 化。 専用ブ ロ ッ ク ( ク ロ ッ ク ジ ェ ネ レー ター、
PCIe、 メ モ リ コ ン ト ロ ー ラ ー ) を 追加す る こ と で必要にな る FPGA プ ロ グ ラ マブル ロ
ジ ッ ク ま たは外部 コ ン ポーネ ン ト が減 り 、 シ ス テ ムの消費電力を削減。
•
ソ ース か ら デス テ ィ ネーシ ョ ンへのホ ッ プ数を最小化す る よ う 配線構造を最適化。
•
フ ァ ン ア ウ ト の大 き いネ ッ ト ( ク ロ ッ ク 、 リ セ ッ ト 、 ク ロ ッ ク イ ネーブル) を使用 し ない
と き にデ ィ ス エーブルにで き る よ う ゲー ト 付 き バ ッ フ ァ ーま たはポー ト を追加。
•
デバ イ ス全体ま たは個々の ロ ジ ッ ク ブ ロ ッ ク に適用 さ れ る パ ワー ダ ウ ン モー ド を追加。
こ れに よ り 、デザ イ ンの未使用部分の電源を切っ て必要な と き のみ イ ネーブルにで き ます。
•
低電圧 I/O イ ン タ ーフ ェ イ ス のサポー ト の追加。 電圧は、 I/O の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力お
よ びダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力の両方を駆動す る重要な側面です。
デザイ ン消費電力の要因
•
•
デバ イ ス の選択
•
適切なデバ イ ス フ ァ ミ リ : ベン ダーお よ びデバ イ ス フ ァ ミ リ に よ っ て提供 さ れ る ロ ジ ッ
ク お よ び I/O 機能は異な り ま す。 ア プ リ ケーシ ョ ン に最適なブ ロ ッ ク サ イ ズ、 コ ン フ ィ
ギ ュ レーシ ョ ン、 お よ び リ ソ ース数のデバ イ ス を選択す る こ と で、 アーキ テ ク チ ャ でのエ
レ メ ン ト 使用量が最適化 さ れ、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力お よ びダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力が削減
さ れます。
•
適切な フ ァ ミ リ メ ンバー : デバ イ ス のサ イ ズは、 ほ と ん ど の場合でデバ イ ス の ス タ テ ィ ッ
ク 消費電力に影響 し ま す。 大 き すぎ た り 小 さ すぎ る デバ イ ス を 選択す る と 、 RTL 記述の
マ ッ プが最適にな ら ず、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力 と い う 点か ら 効率性が下が り ます。
RTL 記述
デザ イ ン記述は、 使用可能な リ ソ ースへの論理式のマ ッ プ方法に影響 し ます。 アーキ テ ク チ ャ
エ レ メ ン ト 、 ポー ト 、 コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン オプシ ョ ン、 お よ びモー ド を よ く 理解す る こ と
で、 エンベデ ッ ド リ ソ ース を最大限に利用で き ます。
•
ツールの制約
デフ ォ ル ト では、 イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン ツールはパフ ォーマン ス目標を達成 し 、 デバ イ ス の
使用率を最小限に抑え る も のです。 コ アお よ び I/O ロ ジ ッ ク の両方にパフ ォーマン ス と 使用率
消費電力手法ガ イ ド
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第 1 章 : FPGA の消費電力概要
に対 し て現実的で完全な一連の制約を提供す る こ と で、 ツールが最適に実行 さ れます。 こ れに
よ り 、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力が最小限に抑え ら れます。
•
イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン ツールのオプシ ョ ン
イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン ツールには、 消費電力を抑え る 複数のアルゴ リ ズ ムがあ り ます。 ほ と
ん どはオプシ ョ ンで、 複数の ス ト ラ テジ を使用 し て ス イ ープで き ます。 制約を理解す る と 、 ど
の制約を使用す る 必要があ る のか判断す る際に役立ち ます。
FPGA 消費電力 と 全般的な シス テム デザイ ン プ ロ セス
プ ロ ジ ェ ク ト 考案か ら 完成ま では、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 を次の 2 つに分類で き ます。
•
物理的領域 : エン ク ロ ージ ャ 、 ボー ド の形状、 電力分配シ ス テ ム、 熱電力の散逸シ ス テ ム
•
論理的領域 : エ リ ア パフ ォーマ ン ス 、 I/O イ ン タ ーフ ェ イ ス の統合
次の章では、 物理的領域 と 論理的領域が相互依存 し てい る こ と について説明 し ます。 ただ し 、 前者
はハー ド ウ ェ ア、 後者は FPGA の論理デザ イ ン で判断に関与す る と い う 点で異な っ てい 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 の機能に よ る消費電力への影響は早期に予測可能なので、 デザ
イ ン ロ ジ ッ ク の完成度に伴っ て改善で き ます。図 1-1 に通常のシ ス テ ム デザ イ ン プ ロ セ ス を示 し 、
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 スお よ び関連冷却パーツ を選択
す る 時点では、 FPGA ロ ジ ッ ク が ま だ完成 し ていない こ と がわか り ます。 こ のため、 FPGA ロ ジ ッ
ク の電力要件を予測す る 手法が必要です。 こ れ ら の手法については、 第 3 章 「消費電力予測手法」
で説明 し ます。
X-Ref Target - Figure 1-1
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図 1-1 : シス テム デザイ ン プ ロ セスでの消費電力面の管理
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消費電力手法ガ イ ド
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ザイ リ ン ク ス消費電力予測/解析ツール
次の 3 つの章では、 電力に影響す る各側面での主な要因について説明 し ます。
ザイ リ ン ク ス消費電力予測/解析ツール
ザ イ リ ン ク ス では、FPGA の熱お よ び電源要件をデザ イ ン サ イ ク ルを通 し て評価で き る よ う ツール
お よ び資料が提供 さ れています。 図 1-2 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 ソ フ ト ウ ェ アに統合 さ れて
い る も のが あ り 、 後者はデザ イ ン プ ロ セ ス の各段階で利用で き る 環境お よ び情報 と 協調 し てい ま
す。 すべての ツールには通信チ ャ ネルがあ り 、 解析が効率 よ く 行え る よ う に情報を交換で き ます。
X-Ref Target - Figure 1-2
図 1-2 : FPGA デザイ ン プ ロ セスに含まれるザイ リ ン ク ス消費電力予測/解析ツール
XPower Estimator (XPE)
XPower Estimator (XPE) ス プ レ ッ ド シー ト 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 る消費電力予測ツールです。 XPE では、 アーキ テ ク チ ャ の評価 と デ
バ イ ス の選択が支援 さ れ、 ま た アプ リ ケーシ ョ ンで必要にな る可能性があ る適切な電源や熱管
理 コ ン ポーネ ン ト を選択で き ます。 XPE イ ン タ ーフ ェ イ ス (図 1-3) 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、 お よ び予測 さ れ る電力分配を計算す る ためにデバ
イ ス モデル と 組み合わせ る その他多 く の要因を選択で き ます。
ま た XPE は、 デザ イ ン サ イ ク ル後半の イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ンお よ びパ ワー ク ロ ージ ャ 中に
も よ く 使用 さ れ、 た と えばエン ジニ ア リ ン グ チ ェ ン ジ オーダー (ECO) の消費電力への影響を
評価す る と き な ど に使用 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 に電力バジ ェ ッ ト を割 り
当て直す こ と がで き ます。
消費電力手法ガ イ ド
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第 1 章 : FPGA の消費電力概要
X-Ref Target - Figure 1-3
図 1-3 : XPower Estimator スプ レ ッ ド シー ト
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ザイ リ ン ク ス消費電力予測/解析ツール
XPower Analyzer (XPA)
XPower Analyzer (XPA) ツールでは、 イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン後に消費電力予測を実行で き ま
す。 使用 さ れた ロ ジ ッ ク お よ び配線 リ ソ ース情報が含まれ る イ ンプ リ メ ン ト 済みのデザ イ ンの
デー タ ベース か ら 読み出す こ と がで き 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 を表示 し ます。 ク ロ ッ ク ド メ イ ン、 リ ソ ース の種類、 ま たはデザ イ ン階層な
ど、 さ ま ざ ま な ビ ュ ーを使用 し てデザ イ ンの消費電力を確認で き ます。 ま た、 XPA では環境設
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 び熱電力消費を ど の よ う に減 ら
すかを検討で き ます。
X-Ref Target - Figure 1-4
図 1-4 : XPower Analyzer
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第 1 章 : FPGA の消費電力概要
PlanAhead RTL Power Estimator
PlanAhead ソ フ ト ウ ェ アでは、消費電力予測を実行 し て RTL レベルでのデザ イ ンの電力分配を
確認で き ます。デバ イ ス の動作環境、 I/O プ ロ パテ ィ 、お よ びデザ イ ンのデフ ォ ル ト のア ク テ ィ
ビ テ ィ レー ト は制約を付け る か、 ま たは GUI か ら 指定で き ます。 PlanAhead では、 HDL コ ー
ド が読み出 さ れて必要なデザ イ ン リ ソ ース数が予測 さ れ、各 リ ソ ース のア ク テ ィ ビ テ ィ の統計
解析に基づいて予測消費電力が レ ポー ト さ れます。 図 1-5 に、 レ ポー ト お よ び リ ソ ース /階層
ビ ュ ーが表示 さ れています。 こ れ ら のビ ュ ーでナビ ゲー ト し て、電力分配を解析で き ます。RTL
Power Estimator でア ク セ ス で き るデザ イ ン意図に関す る情報は比較的多いので、 XPower
Estimator ス プ レ ッ ド シー ト と 比べ る と 精度は高 く な り 、 XPower Analyzer を使用 し て実行 さ
れた配置配線後の解析 と 比べ る と 低 く な り ます。
X-Ref Target - Figure 1-5
図 1-5 : PlanAhead RTL Power Estimator
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第2章
ソ フ ト ウ ェ アに よ る消費電力解析
第 1 章では、 FPGA で必要にな る 総消費電力に影響する さ ま ざ ま な要因について説明 し ま し た。 こ
の章では、 こ れ ら の要因が ど の よ う に測定 さ れて ソ フ ト ウ ェ ア ツールでの計算に使用 さ れ る かにつ
いて説明 し ます。 デバ イ ス の リ ソ ース使用量、 コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン、 お よ びア ク テ ィ ビ テ ィ に
関す る 情報は、 デザ イ ン サ イ ク ルの初期段階では明 ら かではないので、 ソ フ ト ウ ェ アではデフ ォ ル
ト の値が使用 さ れます。 デザ イ ンの イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ンの進行に伴い、 ソ フ ト ウ ェ アに供給で
き る こ の よ う な情報が増え る ので、 消費電力予測の精度が高 く な り ます。 ザ イ リ ン ク ス では、 一連
のユーザー デザ イ ンに加え て WebTalk プ ロ グ ラ ム で収集 さ れた匿名デー タ を使用 し て、 統計的に
現実的な値を ツールのデフ ォ ル ト 値に決定 し てい ます。 こ れ ら の値は、 パ ラ メ ー タ ーが自動的に算
出 さ れない と き やデー タ がユーザーに よ り 供給 さ れなかっ た と き に使用 さ れます。
消費電力計算
FPGA の各電圧 ソ ース の総消費電力は、 次の よ う に計算 さ れます。
ア ク テ ィ ブ電力 = 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
次に、 総消費電力の内訳 と な る要素について説明 し ます。
•
デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力
デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力の大部分は、製造、プ ロ セ ス プ ロ パテ ィ 、適用 さ れ る電圧、お
よ びデバ イ ス のジ ャ ン ク シ ョ ン温度に依存 し てい ます。 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度自体は、周囲温度、
電圧レベル、 お よ び供給 さ れ る総電流に依存 し てい ます。 ただ し 、 供給 さ れ る総電流には、 デ
バ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力が含まれてい る ので、はっ き り と し た循環依存があ り ます。ツー
ルでは、 計算を連続的に繰 り 返 し て、 指定 さ れてい る動作条件での実ス タ テ ィ ッ ク 消費電力の
概算値が算出 さ れます。
•
デザ イ ンの ス タ テ ィ ッ ク 消費電力
I/O 終端、 ト ラ ン シーバー、 ブ ロ ッ ク RAM、 お よ び ク ロ ッ ク ジ ェ ネ レー タ ーな ど、 FPGA の一
部のブ ロ ッ ク はデ フ ォ ル ト でデ ィ ス エーブルに さ れてい ま すが、 デザ イ ン要件に よ っ ては イ
ネーブルに さ れます。 こ れ ら のブ ロ ッ ク が イ ネーブルの と き は、 ユーザー デザ イ ンのア ク テ ィ
ビ テ ィ に関わ ら ず一定の電力が消費 さ れます。 こ の消費電力は、 回路の コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ
ンに よ っ て異な り ます。 ソ フ ト ウ ェ アでは、 デザ イ ン全体の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力に含め ら れ
る 各回路の電力を モデルで き ます。 こ のモデルでは、 リ ソ ース レベルの コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ
ン設定の多数が考慮 さ れ、 電圧お よ びデバ イ ス の外部環境設定に よ っ て変化 し ます。 外部環境
設定では、 環境へど の よ う に熱が放散 さ れ る か決ま り ます。
消費電力手法ガ イ ド
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第 2 章 : ソ フ ト ウ ェ アによ る消費電力解析
•
デザ イ ンのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力
デザ イ ンのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力は、 キ ャ パシ タ ン スお よ び使用 さ れ る リ ソ ース のア ク テ ィ ビ
テ ィ に大部分が依存 し てお り 、 ま た適用 さ れ る電圧レベル と 共に計測 さ れます。 ソ フ ト ウ ェ ア
のデバ イ ス デー タベース では、各 リ ソ ース のキ ャ パシ タ ン ス がその コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン と
接続性に従っ てモデル化 さ れます。 ユーザーに よ り ア ク テ ィ ビ テ ィ が供給 さ れない場合は、 す
べての コ ン ポーネ ン ト の消費電力が算出、 集計 さ れ る前に ソ フ ト ウ ェ ア アルゴ リ ズ ムに よ り
ネ ッ ト リ ス ト に含まれ る各 ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ が予測 さ れます。
メ モ : デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力 と デザ イ ンの ス タ テ ィ ッ ク 消費電力を加算する と 、 第 1 章
の 「パ ワ ー モー ド 」 で定義 さ れてい る ス タ ン ド バ イ 電力にな り ます。
熱計算
デバ イ ス のジ ャ ン ク シ ョ ン温度ま たはシ リ コ ンの温度は、 次の よ う に計算 さ れます。
ジ ャ ン ク シ ョ ン温度 = 周囲温度 + 熱電力 * 外気への効果的な熱抵抗
次に、 上記の式に含まれ る 変数について説明 し ます。
•
ジ ャ ン ク シ ョ ン温度 (°C)
シ リ コ ンの温度。 デバ イ ス の選択時に温度グ レー ド を選択 し ますが、 こ のグ レー ド に よ り デバ
イ ス が指定通 り に動作す る こ と が保障 さ れ る温度範囲が決ま り ます。 動作条件がグ レー ド の最
大値を超え てい る のに、 絶対最大温度以下の ま ま にす る場合は、 デバ イ ス動作が保障 さ れな く
な り ます。 絶対最大動作条件を超え る と 、 デバ イ ス が破損す る可能性があ り ます。
こ の式を逆側か ら 行 う と き は、 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度をデバ イ ス最大に設定す る と 、 ユーザー環
境でデバ イ ス が生成で き る最大電力を判断で き ます。さ ら に正確に言 う と 、ツールで ス タ テ ィ ッ
ク 消費電力お よ びダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力の両方が供給 さ れ る ので、 ワ ース ト ケース のデバ イ ス
リ ー ク と ユーザー アプ リ ケーシ ョ ンで生成で き る 最大ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力を決定で き ます。
•
周囲温度 (℃)
予期 さ れ る シ ス テ ム動作条件下でデバ イ ス を直接取 り 巻 く 外気の温度
•
熱電力 (W)
FPGA 内部で消費 さ れ る電力。 熱が発生 し 、 デバ イ ス のジ ャ ン ク シ ョ ン温度を上昇す る原因に
な り ます。
•
外気に対す る 効果的な熱抵抗 : ΘJA (°C/W)
こ の係数は、FPGA シ リ コ ンか ら 環境 (デバ イ ス ジ ャ ン ク シ ョ ンか ら 周囲外気) へ電力が放逸 さ
れ る 度合いを示 し ます。 シ リ コ ン チ ッ プの寸法か ら 周囲外気ま で、 ま たその間のパ ッ ケージ、
PCB、 ヒ ー ト シ ン ク 、 エア フ ロ ーな ど、 すべての要素の寄与が含まれてい ます。
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•
チ ッ プか ら 上方向に向かい外気へ ( ジ ャ ン ク シ ョ ンか ら 外気ま たは ΘJA)
•
チ ッ プか ら 下方向に向かいボー ド を通っ て外気へ ( ジ ャ ン ク シ ョ ンか ら ボー ド ま たは ΘJB)
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消費電力手法ガ イ ド
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消費電力モデルの精度
消費電力モデルの精度
ツールに組み込まれてい る特性デー タ の精度は、 使用可能なデバ イ ス ま たは製造プ ロ セ ス の成熟度
を反映 さ せ る ため、 時間 と 共に進化 し ます。 こ の精度表示は、 [Characterization] フ ィ ール ド に表示
さ れます。 デバ イ ス フ ァ ミ リ の特性デー タ は、 次の順序で進化 し ます。
Advance → Preliminary → Production
Advance
こ の表示のデバ イ ス には、主にシ ミ ュ レーシ ョ ン結果ま たは初期製品デバ イ ス ロ ッ ト か ら の測定値
に基づいたデー タ モデルがあ り ます。 こ のデー タ は通常、 製品 リ リ ース か ら 1 年以内に入手で き ま
す。 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、 一部の値が高すぎた り 低すぎ た り
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
完成 し てい る 初期製品シ リ コ ンに基づいてい 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
こ の仕様は、 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、 相当数の生産
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 れます。 こ の特性デー タ を持
つデバ イ ス モデルは、 こ れ以上進化 し ません。
ア ク テ ィ ビ テ ィ 予測
ネ ッ ト リ ス ト に含まれ る 各 ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ は、 次の 2 つのパ ラ メ ー タ ーで表現 さ れます。
•
信号遷移レー ト : 解析中に考慮す る エ レ メ ン ト が ス テー ト を変更 し た回数を定義 し ます。 こ の
値が発生 し たポ ジ テ ィ ブ エ ッ ジ と ネガ テ ィ ブ エ ッ ジの回数の合計にな り ます。 ザ イ リ ン ク ス
ツールでは、こ の数値が Mtr/s (Millions of Transitions per second : 億遷移/秒) で表現 さ れます。
•
信号ス タ テ ィ ッ ク 確立レー ト : 解析で考慮す る エ レ メ ン ト が論理レベル High で駆動 さ れ る期
間を割合で定義 し ます。 こ の レー ト は、 信号割合 High レー ト と も 呼ばれます。
デザ イ ンの ノ ー ト ア ク テ ィ ビ テ ィ は、 正確な消費電力予測を得る ための重要な側面の 1 つです。 デ
ザ イ ンの完成度に よ っ ては、 次のセ ク シ ョ ンに示す よ う に値が判明 し てい る場合やツールに よ り 計
算 し た り 予測で き る 場合があ り ます。 通常は、 消費電力計算でのア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト の影響を考
慮 し 、 判明 し てい る 値はすべて指定す る 必要があ り ます。 ア ク テ ィ ビ テ ィ が不明の と き は、 ツール
で予測す る よ う にす る のが最善策です。
消費電力手法ガ イ ド
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第 2 章 : ソ フ ト ウ ェ アによ る消費電力解析
ユーザー入力
ど のデザ イ ンで も 、 通常は特定の ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ が判明 し てい ます。 こ れ ら 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 強制 さ れた り す る ためです。 特に、 FPGA
の複数セルを駆動す る ノ ー ド ( セ ッ ト 、 リ セ ッ ト 、 ク ロ ッ ク イ ネーブル、 ま たは ク ロ ッ ク 信号) に
対す る 情報を ツールに供給す る こ と で、 電力予測アルゴ リ ズ ムに役立て る こ と がで き ます。
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、 外部供給なの
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 回路基盤に供給 さ れ る のか
(出力ポー ト ) は、 通常判明 し てい ます。
•
I/O デー タ ポー ト : FPGA か ら のデー タ の入出力の的確なプ ロ ト コ ルお よ びフ ォーマ ッ ト が判
明 し てい る ので、 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 や信号割合
High レー ト を指定で き ます。 た と えば、 一部のプ ロ ト コ ルに DC バ ラ ン ス要件があ っ た り (信
号割合 High レー ト が 50%)、 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 の頻度が判明 し てい る 場合は、 ス ト ロ ボ信号お よ び
デー タ 信号のデー タ レー ト を設定で き ます。
•
I/O お よび内部制御信号 : シ ス テ ムお よ び予期す る機能が判明 し てい る ので、 セ ッ ト 、 リ セ ッ
ト 、 お よ び ク ロ ッ ク イ ネーブルな ど の制御信号のア ク テ ィ ビ テ ィ を予期で 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 れ ら
の情報を供給す る こ と で消費電力予測の精度が高 く な り ます。
シ ミ ュ レーシ ョ ン
通常は、 デザ イ ン開発のすべての段階 と 並行 し てシ ミ ュ レーシ ョ ン を実行 し 、 デザ イ ンが予測どお
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 たは会社の方針に応 じ て さ ま ざ ま
な検証手法があ り ます。 次に、 取 り 込む こ と がで き る有益なデー タ について説明 し ます。 ま た、 こ
のデー タ を使用 し て消費電力を解析す る際に陥 り やすい過ちについて も 説明 し ます。 正確な消費電
力予測を実行す る には、 ア ク テ ィ ビ テ ィ レ ー ト が現実的で あ る 必要が あ り ま す。 ア ク テ ィ ビ テ ィ
レー ト では、 シ ミ ュ レーシ ョ ン さ れ る ブ ロ ッ ク に入力 さ れ る デー タ に対 し て通常のシナ リ オ ま たは
ワ ース ト ケース のシナ リ オが示 さ れ る べき です。 こ の よ う な情報は、 検証やフ ァ ン ク シ ョ ンの認証
中には必ず し も 渡 さ れません。場合に よ っ ては、無効なデー タ が入力 さ れ る こ と があ り 、無効なデー
タ や コ マ ン ド が入力 さ れた と き で も 、 シ ス テ ムが対処 し て安定 し た ま ま の状態でい ら れ る かが検証
さ れ 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 が
通常のシ ス テ ム動作状況でシ ミ ュ レーシ ョ ン さ れないため、 消費電力予測が不正確にな り ます。
•
シ ス テ ムの ト ラ ンザ ク シ ョ ン レベル : デザ イ ン サ イ ク ル初期に、プ リ ン ト 回路基板上のデバ 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、
XPower Estimator (XPE) 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 と き 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 の情報は、 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 際に役立ち ます。 こ の段階では、 使用す
る FPGA リ ソ ース の的確な数お よ びコ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンが ま だ不明です。 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 XPower Estimator ス プ レ ッ ド シー ト に適用す る と 、情
報を改善で き ます。 ま た、 HDL を PlanAhead RTL Power Estimator に読み込む こ と も で き ま
す。 こ の ツールはデバ イ ス使用量 と ア ク テ ィ ビ テ ィ を予測 し て即座に消費電力予測を実行す る
ツールですが、 詳細は、 『PlanAhead ユーザー ガ イ ド 』 (UG632) の 「消費電力予測」 のセ ク シ ョ
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消費電力手法ガ イ ド
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ア ク テ ィ ビ テ ィ 予測
ン を参照 し て く だ さ い。 シ ミ ュ レー タ ーでは、 ノ ー ド ア ク テ ィ ビ テ ィ を抽出 し て 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、 デザ イ ン フ ロ ーの後半で使用で
き る よ う 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 の任意の段階でシ
ミ ュ レーシ ョ ン を実行す る と 、 さ ま ざ ま な消費電力に関連 し た情報を取得で き ます。 こ の情報
を使用 し て XPower Estimator ス プ レ ッ ド シー ト の情報を改善で 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 も 保存で き る ので、 デザ イ ン を完全に配置配線 し た後に
XPower Analyzer で こ の情報を再利用で 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 情報を基に最終的な ロ ジ ッ ク リ ソ ー ス 数お よ び コ ン フ ィ ギ ュ レ ーシ ョ ン が判明す
る ので、 XPower 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 の的確な タ イ ミ ン グ情報が定義 さ れます。 シ ミ ュ レー タ ーでは、 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 の的確なア 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の精度では、 プ ロ ト タ イ プのボー ド で消費電力を
実際に計測す る前で最 も 高 く な り ます。
統計予測
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 提供 さ れない と き 、
ベ ク タ ーレ ス消費電力予測アルゴ リ ズ ムで こ のア ク テ ィ ビ テ ィ を推測で き ます。ベ ク タ ーレ ス エン
ジ ンでは、 デフ ォ ル ト の信号レー ト お よ びス タ テ ィ ッ ク 確立がすべての未定義 ノ ー ド に割 り 当て ら
れます。 次に、 ア ク テ ィ ビ テ ィ がデザ イ ンの主要入力か ら 内部 ノ ー ド の出力ま で伝搬 さ れ、 主要出
力に到達す る ま で こ の操作が繰 り 返 さ れます。 こ のアルゴ リ ズ ムでは、 ネ ッ ト リ ス ト コ ン ポーネ ン
ト 間の タ イ ミ ン グ関係ま たは論理関係は識別 さ れ ま せんが、 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 予測で 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落ち着 く ま でに数回ス テー ト が変わ る と き に発生 し ます。ベ
ク タ ーレ ス伝搬エン ジ ンは、 時間が比較的かか る配置配線後のシ ミ ュ レーシ ョ ンほ どは正確ではあ
り ませんが、 精度 と 計算速度 と い う 相反す る 2 点間でバ ラ ン ス が取れた優れた方法です。
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第 2 章 : ソ フ ト ウ ェ アによ る消費電力解析
使用量予測
リ ソ ー ス の使用量は、 タ ーゲ ッ ト し てい る FPGA で使用 さ れ る 総消費電力を決定す る 重要な要素
です。
•
シ ス テ ム仕様レベル : コー ド を開発す る前や、 コー ド を取得 し た り 以前のデザ イ ンか ら 再利用
し た と き 、 ま たは ウ ィ ザー ド や コ ア生成ツールを使用 し て生成 し た と き を除 き、 イ ンプ リ メ ン
ト す る さ ま ざ ま なブ ロ ッ ク の リ ソ ース 使用量を手動で予測す る 必要が あ り ま す。 こ の予測は、
経験お よ び予期す る機能の知識に基づいて行い ます。 こ の予測の精度は、 ユーザーが使用で き
る 情報量や こ の情報の XPower Estimator ス プ レ ッ ド シー ト への入力に割 く こ と で き る 時間に
よ っ て異な り ます。
•
RTL 記述レベル : ザ イ リ ン ク ス では、 RTL コー ド を読み込む こ と が可能なエ リ ア エ ス テ ィ
メ ー タ ーが提供 さ れてい ます。 こ の ツールに HDL、 IP コ ア、 お よ びブ ラ ッ ク ボ ッ ク ス をすべ
て供給す る こ と で、 すべてのパ ラ メ ー タ ーがエ ラ ボ レー ト さ れて 1 つのネ ッ ト リ ス ト に含め ら
れます。 次にパ タ ーン認識が行われて、 推論 さ れ る リ ソ ース数お よ び こ れ ら の リ ソ ース が ど の
よ う に タ ーゲ ッ ト アーキテ ク チ ャ にマ ッ プ さ れ る かが予測 さ れます。合成済みま たは配線済み
のネ ッ ト リ ス ト に比べ る と 予測精度は落ち ますが、 アプ リ ケーシ ョ ン コー ド の開発中に行 う デ
バ イ ス リ ソ ース使用量の推測作業の多 く が省かれます。 こ れに よ り 、 開発プ ロ セ ス の初期段階
で予測 さ れ る 消費電力を監視で き ます。 初期段階では、 変更には時間がかか ら ず、 効果 も 高 く 、
リ ス ク も 少な く て済みます。
22
•
合成後レベル : 合成ツールでは記述か ら ロ ジ ッ ク 構造が推論 さ れて、こ の RTL が特定のデバ イ
ス リ ソ ース にマ ッ プ さ れます。 ネ ッ ト リ ス ト は、 パフ ォーマン ス要件 と エ リ ア要件を満たす よ
う に最適化 さ れます。 デバ イ ス リ ソ ース使用量の情報が さ ら に細か く 提供 さ れ る ので、 消費電
力予測を監視、 調整す る際に役立ち ます。
•
イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン レベル : マ ッ プ後お よ び配置配線後の消費電力予測では、 ロ ジ ッ ク の
自動削除 (trimming)、 レ ジ ス タ の複製、 リ タ イ ミ ン グ な ど、 最終的な ロ ジ ッ ク リ ソ ース使用量
に影響す る ネ ッ ト リ ス ト の最適化が考慮 さ れ る ため、 精度が さ ら に高 く な り ます。 実際の配線
リ ソ ース使用量お よ びレ イ ア ウ ト も 、 消費電力予測ツールで確認で き ます。
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第3章
消費電力予測手法
こ の章では、 第 1 章 「FPGA の消費電力概要」 で示 し た フ ロ ーについて詳 し く 説明 し ます。 典型的
なデザ イ ン サ イ ク ルの各ス テ ッ プに対 し て アプ リ ケーシ ョ ンの電力消費を評価する 方法を示 し 、消
費電力予測を自動化ま たは単純化す る ツールの機能について説明 し ます。 消費電力予測を実行 し た
後は、 次の章に進み、 シ ス テ ム を調べて変更 し 、 デバ イ ス の消費電力を最小限に抑え る手法を学び
ます。 こ の章で説明す る ツールの詳細は、 次の資料を参照 し て く だ さ い。
•
『XPower Estimator ユーザー ガ イ ド 』 (UG440)
•
『PlanAhead ユーザー ガ イ ド 』 (UG632) (第 5 章 「RTL デザ イ ン」 の 「消費電力予測」 )
•
XPower Analyzer に関す る 資料
•
グ ラ フ ィ カル イ ン ターフ ェ イ ス : XPower Analyzer (XPA) ヘルプ
•
コ マ ン ド ラ イ ン ツール (xpwr) : 『コ マ ン ド ラ イ ン ツール ユーザー ガ イ ド 』 (UG628)
イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン前の消費電力予測
状況説明
こ の段階では、アプ リ ケーシ ョ ンに と っ て FPGA が最 も 効率が優れた技術であ る と い う こ と が判断
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 び消費電力バジ ェ ッ ト
に合 う ベン ダー、 フ ァ ミ リ 、 お よ びパ ッ ケージ を定め る必要があ り ます。 消費電力 と い う 点か ら 言
う と 、 ロ ジ ッ ク が ま だ 1 つ も 開発 さ れていない段階で も デバ イ ス の総消費電力を予測す る必要があ
り ます。 総消費電力要件を理解す る と 、 電力分配お よ び冷却仕様を定義す る際に役立ち ます。 電源
はい く つ必要か、 各電源で使用 さ れ る消費電力はどれ く ら いか、 ま たは吸収 さ れたエネルギーで ど
れ く ら い の 熱 が 生成 さ れ る か、 な ど に つ い て 考 え る は ず で す。 こ の よ う な 問 い に は XPower
Esitimator が対応 し ます。 XPower 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 る際に役立ち ます。 こ の演習を行 う こ と で予期で き る マージ ンにつ
いて理解 し 、 イ ンプ リ メ ン ト 後にシ ス テ ムがバジ ェ ッ ト 内で動作す る こ と を確証で き ます。
図 3-1 に XPower Estimator の イ ン タ ーフ ェ イ ス を示 し ます。
消費電力手法ガ イ ド
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第 3 章 : 消費電力予測手法
X-Ref Target - Figure 3-1
図 3-1 : XPower Estimator (XPE) で示 さ れる消費電力情報
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イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン前の消費電力予測
手法
こ の段階では、 XPower Estimator ス プ レ ッ ド シー ト を使用す る と 、 既知の環境お よ びデザ イ ン情報
を確認、 整理で き ま す。 http://japan.xilinx.com/power にあ る 消費電力 ソ リ ュ ーシ ョ ン ページで該
当す る デバ イ ス の ス プ レ ッ ド シー ト を ダ ウ ン ロ ー ド し て く だ さ い。
1. XPower Estimator ス プ レ ッ ド シー ト で、 デバ イ ス設定を入力 し ます。
ド ロ ッ プダ ウ ン リ ス ト か ら デバ イ ス を選択 し ます。
メ モ : [Summary] シー ト の [Process] フ ィ ール ド は、 製造ば ら つ き に よ る典型的ま たは ワ ース
ト ケース の消費電力特性を示 し てい ます。
2. 環境設定を入力 し ます。
ス プ レ ッ ド シー ト を開 く と 、 [Summary] シー ト に [Environment] パネルがあ り 、 デバ イ ス の消
費電力に影響す る 環境パ ラ メ ー タ ーをすべて設定で き ます。 こ れ ら を変更す る と デバ イ ス の ス
タ テ ィ ッ ク 消費電力に影響す る だけではな く 、 FPGA で散逸 さ れ る電力 (Effective ThetaJA) が
増え る ご と にジ ャ ン ク シ ョ ン温度が どれだけ上昇す る かが決ま り ます。
デザ イ ン プ ロ セ ス でシ ス テ ムに対 し て熱シ ミ ュ レーシ ョ ン を実行可能であ る場合は、 ダ ウ ン
ロ ー ド セ ン ターか ら 該当す る デバ イ ス のパ ッ ケージ熱モデルを ダ ウ ン ロ ー ド で き ます
(japan.xilinx.com/download で [デバ イ ス モデル] → [パ ッ ケージ熱モデル] を表示)。 こ の情報
を使用す る と 、 ジ ャ ン ク シ ョ ンか ら 外気 (ΘJA) の熱抵抗、 お よ びジ ャ ン ク シ ョ ンか ら ボー ド
(ΘJB) への熱抵抗を算出で き ます。熱シ ミ ュ レーシ ョ ン を実行で き ない場合は、 ド ロ ッ プダ ウ ン
か ら シ ス テ ムに最 も 近似す る値を選択 し て く だ さ い。
3. ソ フ ト ウ ェ ア設定を入力 し ます。
デザ イ ンで最 も 困難にな る と 思われ る側面を選択す る と 、 XPE では使用 さ れ る イ ンプ リ メ ン
テーシ ョ ン アルゴ リ ズ ムお よ び想定 さ れ る配置配線結果に基づいてダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力計
算を調整で き ます。
4. 電圧設定を入力 し ます。
こ の情報が判明 し てい る場合は、 [Power Supply] の表で電源ご と に正確な電圧値を入力 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。
5. 使用す る デバ イ ス リ ソ ース数お よ び予期する ア ク テ ィ ビ テ ィ を入力 し ます。
デザ イ ン モジ ュ ールま たはフ ァ ン ク シ ョ ン ブ ロ ッ ク ご と に、 予期する FPGA リ ソ ース使用量
お よ び必要な コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンの情報を入手 し て、 こ れ ら の平均ア ク テ ィ ビ テ ィ を予測
し ます。 最後に こ の情報を XPE の さ ま ざ ま なデバ イ ス リ ソ ース シー ト に入力 し ます。
デバ イ ス の リ ソ ース使用量お よ びデザ イ ン
びヒ ン ト :
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ア ク テ ィ ビ テ ィ を予測す る際の ツールの機能お よ
•
デザ イ ン に イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン済みで以前のデザ イ ン か ら 取得 ま たは再利用 さ れた
IP ブ ロ ッ ク が含まれてい る 場合は、XPower Analyzer の相互運用フ ァ イ ルを使用 し て消費
電力情報を イ ン ポー ト し ます。こ れに よ り 推測作業を大幅に省 く こ と がで き る だけでな く 、
イ ン ポー ト し たデー タ はデザ イ ン仕様 ま たは FPGA アーキ テ ク チ ャ 間の差異に対応で き
る よ う いつで も 調整で き ます。
•
大型モジ ュ ールで推測す る のではな く 、 ブ ロ ッ ク を細か く 分解 し てか ら すべての リ ソ ース
数を加算 し ます。
•
現実的なデー タ を入力 し 、 保守的にな り すぎない よ う に し ます。 ワース ト ケース の想定を
算出す る 方法はほかに も あ る ので、パデ ィ ン グ ロ ジ ッ ク やア ク テ ィ ブ マージ ン を モジ ュ ー
ルに追加す る 必要はあ り ません。
•
以前のデザ イ ンでの経験を活か し ます。
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第 3 章 : 消費電力予測手法
•
XPE の User シー ト は保護 さ れていないため、 中間計算や想定を記録す る のに非常に役立
ち ます。
最小限のデー タ セ ッ ト :
•
環境お よ び電圧デー タ は総消費電力に大 き く 影響す る ので、 予期す る実際の環境に合わせ
たデー タ を入力 し ます。
•
I/O お よ び ト ラ ン シーバーの情報 も 総消費電力に大 き く 影響す る ので、 それぞれのシー ト
でで き る 限 り 情報を入力 し ます。
•
それ以外のシー ト では、 リ ソ ース使用量お よ び平均ア ク テ ィ ビ テ ィ を知識に基づいて推測
し 、 不明の列はデフ ォ ル ト 値の ま ま に し ます。
6. What If? 解析シナ リ オを実行 し ます。
コ ー ド を記述せずに複数の イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン を想定 し て、 リ ソ ース使用量お よ び消費電
力におけ る 影響を再検討で き ます。 た と えば、 別の I/O イ ン タ ーフ ェ イ ス形式を評価 し 、 電力
バジ ェ ッ ト 要件を最 も 満たす I/O 規格、I/O コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン、お よ び出力終端を判別で
き ます。 オンチ ッ プ終端を使用す る と 、外部 コ ンポーネ ン ト お よ びボー ド 空間を節約で き ます。
ま た、 オンチ ッ プ電力が増加す る ので、 デバ イ ス のジ ャ ン ク シ ョ ン温度を通常の動作範囲内に
保持で き る よ う に、 デバ イ ス か ら こ の電力が環境に放出 さ れ る よ う にす る必要があ り ます。
プ ロ ジ ェ ク ト リ ーダーは こ の よ う な解析を使用 し て、 チーム メ ンバーにデバ イ ス リ ソ ースお
よ び電力バジ ェ ッ ト を配分で き ます。 こ れ ら の配分が概算で、 後で変更 さ れ る と し て も 、 こ の
解析に よ り 各開発チームが自立で き、 並行 し て開発 し やす く な り ます。
7. ス プ レ ッ ド シー ト を定期的に更新 し ます。
デザ イ ンの イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ンの進行 と 共に よ り 明確な情報が取得で き る ので、 ス プ レ ッ
ド シー ト を更新す る こ と で消費電力予測を向上で き ます。 た と えば、 デザ イ ンの一部分が作成
さ れた後に、プ ロ ジ ェ ク ト リ ーダーがすぐ に こ のデー タ を XPE に イ ン ポー ト する こ と で、デザ
イ ン フ ロ ーの初期に実行 さ れた予測 と 置き 換え る こ と がで き ます。通常プ ロ ジ ェ ク ト ス コ ープ
は新 し い機能が依頼 さ れ る な ど し て時間の経過 と 共に変化す る ので、 デバ イ ス使用量お よ び予
期す る ア ク テ ィ ビ テ ィ パ タ ーン も 変化する 可能性があ り ます。 ス プ レ ッ ド シー ト を定期的に更
新す る こ と で、 総熱電力バジ ェ ッ ト を上回っ てない こ と を確認 し 、 潜在的な問題を早期に発見
で き ます。
イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン中の監視
状況説明
デザ イ ン イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ンの進行に伴い、 消費電力を定期的に監視、 確認 し た り 、 放熱量が
バジ ェ ッ ト 内に収ま っ てい る こ と を確認す る こ と で、 制約に近づ きすぎ 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 し てお く 必要があ り ます。 使用で き る ツールお よ び機能は、 次に
示す よ う に ロ ジ ッ ク の完成度に よ っ て異な り ます。
RTL 記述段階
HDL コ ー ド を記述 し てい る と き は、合成を実行す る前に PlanAhead の RTL 消費電力予測アルゴ リ
ズ ム を使用 し て リ ソ ース仕様量お よ びダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力を予測で き ます。 プ ロ ジ ェ ク ト は完了
し てい る 必要はあ り ません。 デザ イ ンで使用で き る 部分のみのプ ロ ジ ェ ク ト を作成で き ます。
図 3-2 に PlanAhead で表示 さ れ る消費電力情報を示 し ます。
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消費電力手法ガ イ ド
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イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン中の監視
X-Ref Target - Figure 3-2
図 3-2 : PlanAhead で示 さ れる消費電力情報
手法
1. PlanAhead で RTL ビ ュ ーを開 き ます。
PlanAhead で指定 さ れてい る すべての HDL フ ァ イ ルが読み出 さ れます。 定数お よ びパ ラ メ ー
タ ーが分解 さ れ、記述がエ ラ ボ レー ト さ れて RTL ネ ッ ト リ ス ト が 1 つ生成 さ れ、 リ ソ ース使用
量が予測 さ れます。 こ のプ ロ セ スは高速で実行 さ れます。
2. XPower Estimator ス プ レ ッ ド シー ト に入力 し たデー タ と 一致す る よ う にデバ イ スお よ び環境
情報を設定 し ます。
こ れ ら の情報は、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力にはあ ま り 影響 し ませんが、 XPE に よ る現時点での推
測 と 比較す る 際に役立ち ます。 特に、 RTL 記述が最終段階に近づ く ほ どデザ イ ンの HDL コ ー
ド がほ と ん ど が完了 し てい る ので、 公正な比較を実行で き ます。
3. ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を設定 し ます。
ク ロ ッ ク な ど の既知のエ レ メ ン ト では、 制約を使用 し て定義で き ます。
不明なエ レ メ ン ト では、 後で変更可能なデフ ォ ル ト 値を使用 し ます。
4. 消費電力予測を実行 し て、 予測 さ れたエ リ アお よ び関連消費電力を確認 し ます。
エ ラ ボ レー ト さ れたデザ イ ン をナビ ゲー ト し て、 デザ イ ン階層内の各エ レ メ ン ト の予測 リ ソ ー
ス使用量お よ び関連消費電力を確認で き ます。
5. エ リ アお よ び消費電力の解析後に XPower Estimator ま たは イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン制約を調
整 し ます。
XPower Estimator ス プ レ ッ ド シー ト で RTL 消費電力予測アルゴ リ ズ ムで予測 さ れた リ ソ ース
数お よ び消費電力を確認 し ます。 計画 し た仕様 と 異な る場合は、 必要に応 じ て変更 し ます。 一
消費電力手法ガ イ ド
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第 3 章 : 消費電力予測手法
方 RTL 消費電力予測ツールでは、 特定ブ ロ ッ ク の電力分配を確認 し た後に記述を変更す る か、
ま たはダ ウ ン ス ト リ ーム ツールを対応付け る 制約を追加する 必要があ る 可能性があ り ます。
こ れ ら の予測は、 ロ ジ ッ ク の合成マ ッ プお よ び変換や配置配線に よ る最適化が実行 さ れてい る
わけではないので、 最終値ではあ り ません。 ただ し 、 RTL 消費電力予測 と デザ イ ン初期に手動
で実行 し た予測を比較す る こ と で、 予測を確認 し た り 、 値を調整で き る ので、 デザ イ ンが電力
バジ ェ ッ ト 内に収ま る と い う 確信度が高 く な り ます。
合成段階
デザ イ ン全体ま たはモジ ュールご と のいずれの場合で も 一度合成 さ れ る と 、 配置配線中の最適化に
よ り 最終的な リ ソ ース使用量やア ク テ ィ ビ テ ィ がわずかに変化す る こ と はあ り ますが、 リ ソ ース使
用量はかな り 明確にな り ます。 合成ツールでは、 タ ーゲ ッ ト デバ イ ス で使用で き る リ ソ ース数、 消
費電力バジ ェ ッ ト 、 お よ び ラ ン タ イ ム な ど のその他の制約を満た し なが ら 、 パフ ォーマン ス要件を
達成 し よ う と し ます。 つま り 、 ブ ロ ッ ク と 分散 メ モ リ の ど ち ら を使用す る か、 ま たはス テー ト マシ
ンで別のエン コーデ ィ ン グ ス タ イ ルを使用する か、 な ど の決定が下 さ れます。 こ れ ら の決定は、 今
ま で推測 し かで き なか っ た コ ン フ ィ ギ ュ レ ーシ ョ ンお よ び リ ソ ー ス使用量に影響 し ます。 XPower
Estimator ス プ レ ッ ド シー ト に よ る 推測 と こ れ ら の合成結果を比較 し 、 XPower Estimator の値を必
要に応 じ て変更 し ます。
配置配線段階
状況説明
配置配線が完了 し た後は、 デザ イ ン のデー タ ベー ス に含 ま れ る すべての ロ ジ ッ ク の コ ン フ ィ ギ ュ
レーシ ョ ン、 パ ッ キ ン グ、 お よ び配線構造が完全に定義 さ れてい ます。 XPower Analyzer では最 も
包括的な レ ポー ト が生成 さ れますが、 結果を最 も 効果的にす る ためには、 さ ら にユーザーが情報を
入力す る 必要があ り ます。次の手法セ ク シ ョ ンでは、消費電力レ ポー ト の生成方法を示 し 、プ ロ ジ ェ
ク ト フ ァ イ ルには含まれていないが消費電力予測の精度を向上で き る 情報を指摘 し ます。
手法
こ のセ ク シ ョ ンでは、 XPower Analyzer (XPA) GUI を使用し た消費電力解析について説明し ます。 こ
こ では、 配置配線後に初めて消費電力解析を設定する こ と を想定し ています。 こ のため、 ツールにア
ク テ ィ ビ テ ィ 情報を入力し、既存のデータ フ ァ イルを参照し ます。後続の run では、XPower Analyzer
GUI でデザ イ ン をナビゲー ト し て消費電力を解析する か、 ま たは同等の コ マン ド ラ イ ン (xpwr) を使
用し て GUI をバ イ パス し、 テキ ス ト 形式の消費電力レ ポー ト を表示する か選択で き ます。
図 3-3 に XPower Analyzer の イ ン タ ーフ ェ イ ス を示 し ます。
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消費電力手法ガ イ ド
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イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン中の監視
X-Ref Target - Figure 3-3
図 3-3 : XPower Analyzer (XPA) で示 さ れる消費電力情報
1. XPower Analyzer グ ラ フ ィ カル イ ン タ ーフ ェ イ ス を開き ます。
XPower Analyzer は Project Navigator ま たはPlanAhead イ ン タ ーフ ェ イ ス か ら 起動す る か、ま
たは コ マ ン ド ラ イ ンに 「xpa」 と 入力す る と 起動で き ます。
2. 解析に使用す る 入力フ ァ イ ルを指定 し ます。
•
配置配線済みのデザ イ ン デー タベース (NCD フ ァ イ ル) : すべての ロ ジ ッ ク コ ン フ ィ ギ ュ
レーシ ョ ンお よ び配線情報が含まれてい ます。
•
物理的制約 (PCF フ ァ イ ル) : デザ イ ンのすべての ロ ジ ッ ク お よ び I/O の設定 と ク ロ ッ ク
ネ ッ ト ワ ー ク な ど の特定ネ ッ ト のア ク テ ィ ビ テ ィ が含まれてい ます。
•
シ ミ ュ レーシ ョ ン結果 (SAIF ま たは VCD フ ァ イ ル) : XPA 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 内の名前に一致 さ せます。 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 確立が適用 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、べ ク ト レ ス エン ジ ンで内部 ノ ー ド
のア ク テ ィ ビ テ ィ を予測す 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、 一部の ロ ジ ッ ク は イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン中
に変換 さ れ る ので (複製、 ゲー ト 化、 リ タ イ ミ ン グ な ど )、 XPA ではデザ 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 ない可能性があ り ます。 し か し 、 ほ と ん
ど の主要ポー ト お よ び制御信号が一致す る ので、 こ の情報が ツールに供給 さ れ る こ と で一
致 し た ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ が現実的にな り ます。 ア ク テ ィ ビ テ ィ は、 ベ ク タ ーレ ス エ
ン ジ ンに よ り 一致 し なかっ たデザ イ ン部分に伝搬 さ れ る ので、 消費電力予測の精度が高 く
な り ます。 シ ミ ュ レーシ ョ ン結果を供給す る と き は、 こ の よ う なシ ミ ュ レーシ ョ ン結果を
使用す る よ う に し て く だ さ い。
-
消費電力手法ガ イ ド
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シ ミ ュ レーシ ョ ンへのテ ス ト ベ ク ターおよび入力でデザ イ ンの典型的な動作ま たは予
期 される動作が示 さ れる こ と を確認し て く だ さ い。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。
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第 3 章 : 消費電力予測手法
•
イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン後のシ ミ ュ レーシ ョ ン結果は、 ビヘ イ ビ アー シ ミ ュ レーシ ョ
ン結果 よ り も 優先 さ れます。
設定 (XPA フ ァ イ ル) : 環境お よ びア ク テ ィ ビ テ ィ デー タ が含まれます。 こ の情報は、
XPower Analyzer で早期に生成 さ れた可能性があ り ます。 こ の場合は、 XPower Analyzer
を以前実行 し た と き と 同 じ 条件で結果を開 き直す と 、 簡単にその時点か ら 解析を継続で き
ます。 ま た、 こ の メ カ ニ ズ ム を使用 し て保存、 復元、 複数の想定の比較 も で き ます。 最後
に、 フ ロ ー早期に XPower Estimator ス プ レ ッ ド シー ト か ら 作成 し た設定フ ァ イ ルを イ ン
ポー ト で き 、 すべての環境パ ラ メ ー タ ーが XPA セ ッ シ ョ ン に イ ン ポー ト さ れ、 手動で再
入力す る 作業を省 く こ と がで き ます。
3. 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。
さ ま ざ ま な入力 フ ィ ール ド を確認 し て、 予期す る シ ス テ ム が正 し く 表現 さ れてい る か確認 し
ま す。
•
プ ロ ジ ェ ク ト 設定 : [Project Settings] ビ ュ ーで XPA にすべての入力フ ァ イ ルが読み込ま
れてい る こ と を確認 し ます。 シ ミ ュ レーシ ョ ン結果を イ ン ポー ト す る 場合は、 一致 し てい
る レー ト が予期す る数値であ る か確認 し ます。 階層セパレー タ ーが一致 し ていなかっ た り
フ ォーマ ッ ト の差異があ る と 、 シ ミ ュ レーシ ョ ン出力結果か ら ア ク テ ィ ビ テ ィ が読み出 さ
れ る エ レ メ ン ト 数が減少す る可能性があ り ます。
•
環境設定 : [Summary] ビ ューで編集可能なセルを確認 し ます。 プ ロ セ ス、 電圧、 環境デー
タ が予期す る 環境に近似 し てい る こ と を確認 し ます。 こ れ ら の設定は、 予測す る総消費電
力に大 き く 影響 し ます。
•
ツールのデフ ォ ル ト : [Default Activity Rates] で ツールの現時点でのデフ ォ ル ト 値を確認
し 、 アプ リ ケーシ ョ ンが こ れ ら の値か ら 大幅にずれないか予測 し 、 調整が必要か判断 し ま
す。 通常、 こ れ ら の設定は一連の代表的ユーザー デザ イ ンに基づいてい る ため、 変更 し な
い こ と を推奨 し ます。 こ れ ら の値は、 GUI ま たは入力フ ァ イ ルか ら ア ク テ ィ ビ テ ィ が入力
さ れなかっ た ノ ー ド に対 し て使用 さ れます。次に、伝搬エン ジ ンに よ り 各 ノ ー ド のア ク テ ィ
ビ テ ィ が ロ ジ ッ ク の駆動 コ ーンか ら 伝搬 さ れ る ア ク テ ィ ビ テ ィ に基づいて変更 さ れます。
•
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 ス テ ッ プはデザ イ ンのダ イ ナ ミ ッ ク 消費
電力を算出す る のに重要です。
-
[By Clock Domain] ビ ュ ー : すべての ク ロ ッ ク が指定 さ れてい る こ と を確認 し ます。
推奨は し ませんが、 場合に よ っ てはデザ イ ンの制約を厳 し く 設定 し て、 イ ンプ リ メ ン
テーシ ョ ン ツールでの作業を困難に し た り 、タ イ ミ ン グ マージ ン を多めに持たせ る こ
と があ り ます。 消費電力予測では、 デザ イ ンがボー ド で実行 さ れ る と き の ク ロ ッ ク 周
波数を使用す る必要があ り ます。 使用 し ない と 、 デザ イ ンのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力の
精度が下が り ます。
-
[IOs] ビ ュ ー : I/O イ ン タ ーフ ェ イ ス のデー タ パ タ ーンが判明 し てい る 場合は、該当す
る 列 ([Signal Rate] お よ び [% High]) に入力 し ます。 ス プ レ ッ ド シー ト な ど の個別
ツールで電源ご と の総消費電力を算出 し ない限 り 、 出力の終端方法を指定 し て、 XPA
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。
-
ク ロ ッ ク 信号ビ ュー : XPA では さ ま ざ ま な制御信号が [Clock Enable] ビ ュ ーお よ び
[Set/Reset] ビ ュ ーに表示 さ れます。 アプ リ ケーシ ョ ンで予期 さ れ る動作 と 照合 し た と
き 、一部のセ ッ ト / リ セ ッ ト 信号が通常のデザ イ ン動作でア ク テ ィ ブではない こ と がわ
か る 場合があ り 、 こ の場合は 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 る一部の信号では、 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 さ れ る 場合があ り ます。 予期す る 機能に合わ
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イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン中の監視
せてア ク テ ィ ビ テ ィ を調整 し ます。合成ツールお よ び配置配線アルゴ リ ズ ムでは RTL
記述を最適化す る よ う に制御信号を推論ま たはマ ッ プ し 直す こ と がで き る ので、 こ れ
ら のビ ュ ーに馴染みのない信号が多 く リ ス ト さ れ る可能性があ り ます。 こ れ ら の信号
が不明な場合は、 ツールに よ り ア ク テ ィ ビ テ ィ を決定 さ せます。
4. 解析を実行 し ます。
ロ ジ ッ ク の コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンお よ びア ク テ ィ ビ テ ィ を XPA に入力 し た後に、 解析を実
行 し ます。ツールでは、フ ァ イ ルお よ びユーザー入力か ら 供給 さ れた ア ク テ ィ ビ テ ィ を含むネ ッ
ト リ ス ト がア ノ テー ト さ れ、残 り の未定義の ノ ー ド に ツールのデフ ォル ト 値が適用 さ れます。次
に、 未定義の ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ 予測の精度が高 く な る よ う 、 デザ イ ンの主要入力か ら 主
要出力ま で初期ア ク テ ィ ビ テ ィ が反復処理に よ り 伝搬 さ れます。 最後に、 デバ イ ス で予期す る
ジ ャ ン ク シ ョ ン温度 よ び総消費電力要件を算出す る ために、 使用 さ れ る リ ソ ース ご と にダ 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 で生成 さ れ る
ス タ テ ィ ッ ク 消費電力 も 推論 さ れます。
5. デザ イ ンでの電力配分を確認 し ます。
消費電力解析が完了 し た ら 、 [Summary] ビ ュ ーを開いて [Supply Power] 表お よ び [Thermal
Properties] 表を確認 し ます。 こ れ ら の表では、 オンチ ッ プ消費電力の合計お よ びデバ イ ス ジ ャ
ン ク シ ョ ン温度が表示 さ れます。 こ れ ら のセルは、 予期す る ジ ャ ン ク シ ョ ン温度が通常のデバ
イ ス の動作範囲の と き水色にな り ます。 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度の予測値がデバ イ ス のグ レー ド の
最大値を超え てい る が絶対定格温度以下の と き はオ レ ン ジ色にな り ます。 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度
が絶対定格温度を超え る場合、 こ の よ う な動作条件に よ り デバ イ ス が破損す る可能性があ る た
め、 赤色にな り ます。
[Supply Summary] 表では、 各電源の電流お よ びその 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。 [On-Chip] 表では、 デバ イ ス リ ソ ース タ イ プご と の消費電
力が表示 さ れます。 こ の高位ビ ューを利用 し て、 消費電力が最 も 高いデザ イ ン箇所を特定で き
ます。
次に各種 [Details] ビ ュ ーを開いて、 リ ソ ース ご と の消費電力の詳細を確認 し ます。 [Details]
ビ ュ ーは、それぞれ表で表示 さ れ、表示で き る ア イ テ ムが管理 し やすい よ う に最大 2000 個ま で
に制限 さ れてい 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 並び替えの順序を変更で き ます。 レ ポー ト さ れてい る消費電力が、 熱バ
ジ ェ ッ ト ま たは電源バジ ェ ッ ト を超え てい る 場合は、 第 4 章 「消費電力削減のための ヒ ン ト お
よ び手法」 に含まれてい るデバ イ ス の消費電力を削減す る手法の一覧を参照 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。
6. 結果を保存す る かエ ク ス ポー ト し ます。
結果に納得 し 、 さ ま ざ ま な ビ ューでアプ リ ケーシ ョ ンに関係す る情報を確認 し た ら 、 次を実行
で き ます。
消費電力手法ガ イ ド
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•
テキ ス ト フ ァ イ ル と し て結果を保存 : プ ロ ジ ェ ク ト の記録 と し て消費電力予測結果を保
存 し ます。 ま たは、 別のマ ッ プ、 配置、 お よ び配線オプシ ョ ン を試 し てパフ ォーマン ス ま
たはエ リ ア制約を決定 し ます。 それぞれの条件で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 と き に役立
ち ます。
•
変更 し た入力を設定フ ァ イ ル と し て保存 : 現在の設定で解析を保存す る と 、 後で結果を そ
の ま ま読み込み直せ る ので便利です。 XPA では、 ツールに手動で入力 さ れた情報すべて を
含むフ ァ イ ル (.xpa) が保存 さ れます。 こ の フ ァ イ ルは、 アプ リ ケーシ ョ ンの動作条件下で
さ ま ざ ま な環境 ま たはモー ド /機能を使用 し て消費電力を予測す る よ う な と き に も 役立ち
ます。
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第 3 章 : 消費電力予測手法
•
デザ イ ン を XPower Estimator で解析で き る よ う エ ク ス ポー ト : 環境情報、 デバ イ ス使用
量、 デザ イ ン ア ク テ ィ ビ テ ィ のすべて を 1 つの フ ァ イ ル (.xpe) に保存す る と 、 XPower
Estimator ス プ レ ッ ド シー ト に イ ン ポー ト で き ます。 消費電力バジ ェ ッ ト が超え て し ま い、
ソ フ ト ウ ェ アの最適化機能だけではバジ ェ ッ ト を満たせない と 判断す る と き に と て も 便利
です。 こ の場合、 RTL コ ー ド を変更 し た り 、 イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン を実行 し 直す前に、
現在の イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン 結果 を XPower Estimator に イ ン ポー ト し 、 さ ま ざ ま な
マ ッ プ、 ゲー ト 化、 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
を予測 し ます。
消費電力ク ロージ ャ段階
デザ イ ン サ イ ク ルでは、 二つの主要な状況で消費電力 ク ロ ージ ャ が含まれます。
制約は満た さ れているがデザイ ン を最適化する必要があ る場合
現在のシ ス テ ム の複雑化や タ イ ム ト ゥ マーケ ッ ト の圧力において、 こ の状況は稀です。 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 、 ま たは PCB リ ス ピ ン コ ス ト がかか る ため、 最小限に抑え たいはずです。 ただ し 、 こ の段階で
も 異な る ソ フ ト ウ ェ ア オプシ ョ ンお よ び制約を試す と 、 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。 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、 重要なダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力で 15% ～ 20% は節約で き 、 一部のデザ イ ンではそれ よ 以上削
減で き ます。
ISE の SmartXplorer 機能ま たは PlanAhead の [Design Runs] ビ ュ ーを使用す る と 、 こ の操作を簡
単に実行で き ます。 こ れ ら には、 合成お よ び配置配線ツールの設定を調整す る定義済みの ス ト ラ テ
ジ セ ッ ト があ り ます。 ま た、 既存の ス ト ラ テ ジ を変更 し た り 、 独自の ス ト ラ テジ を作成で き ます。
満足の行 く ス ト ラ テジが用意で き た ら 、 こ れ ら を使用 し て イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン ソ リ ュ ーシ ョ ン
を試 し ます。 こ の際、 1 つのマシ ン で実行す る か、 ラ ン タ イ ム を抑え る ために複数のマシ ン を使用
し て実行 し ます。 正 し く 完了 し た run の中か ら 最 も 消費電力を抑え る オプシ ョ ン を選択 し 、 最終ア
プ リ ケーシ ョ ンのネ ッ ト リ ス ト に使用 し ます。
消費電力バジ ェ ッ ト が超えてい る場合
通常、 こ の段階では、 シ ス テ ム を市場に リ リ ースす る圧力は高 く な り 、 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 ーは詳細に定義 さ れてい ます。 こ れに よ り 、 エ
ン ジニ ア リ ン グ作業のや り 直 し が制限 さ れてい る と し て も 、 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 : 消費電力バジ ェ ッ ト が超え ている箇所の確認
GUI を使用 し てい る場合は、 XPower Analyzer の [Summary] ビ ュ ーで、 コ マン ド ラ イ ン を使用 し
てい る 場合は xpwr コ マ ン ド レ ポー ト フ ァ イ ル (.pwr) の Summary セ ク シ ョ ン で確認で き ます。
[On-Chip] お よ び [Supply Power] の表 で は、 高位の 消費電力配分 が確認 で き ま す。 [Summary]
ビ ュ ーで消費電力バジ ェ ッ ト 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 : フ ォ ー カ スする エ リ アの特定
XPower Analyzer ま たは XPower Estimator に含まれ る さ ま ざ ま な ビ ューを確認 し ます。 環境パ ラ
メ ー タ ー、 各 リ ソ ー ス で消費 さ れ る 電力、 デザ イ ン階層、 お よ び ク ロ ッ ク ド メ イ ン を解析 し ます。
消費電力が高いエ リ ア を見つけた場合は、 次の情報を元にその原因を特定で き ます。
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消費電力ク ロージ ャ 段階
熱バジ ェ ッ ト が超えている場合
予測 さ れた ジ ャ ン ク シ ョ ン温度がデバ イ ス指定の動作条件を超え てい る場合は、 デバ イ スへの電力
量を減 ら し て熱 と し て放散す る か、 熱を除去 し やす く す る よ う にシ ス テ ムの熱機能を向上 さ せ る必
要があ り ます。 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力 と ス タ テ ィ ッ ク 消費電力間の配分率を確認 し ます。
ス タ テ ィ ッ ク 消費電力の削減
•
VCCINT ま たは VCCAUX な ど の電源の消費電力は、 プ ロ セ ス、 電圧、 お よ び温度に大 き く 影響
を受け ます。 デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力の大部分に寄与する デザ イ ン リ ソ ースは、 ト ラ
ン シーバー、 I/O、 お よ び ク ロ ッ ク 生成モジ ュールです。
•
ト ラ ン シーバー : パ ワー ダ ウ ン モー ド お よ び低消費電力モー ド の仕様を検討 し て く だ さ
い。 ト ラ ン ス ミ ッ タ ーの電圧幅を減 ら す よ う 検討 し て く だ さ い。 PLL な ど複数のチ ャ ネル
間で共有す る 回路のサポー ト を最大限に し て く だ さ い。
•
I/O : I/O は比較的遠い距離にあ る信号を駆動、 受信す る必要があ る ため、 ト ラ ン ジ ス タ は
コ アの ト ラ ン ジ ス タ と 比べて大 き く な る ため、使用 さ れ る ユニ ッ ト リ ソ ース ご と の消費電
力が大 き く な り ます。
-
VCCAUX : 通常入力バ ッ フ ァ ーに供給 さ れます。使用する I/O 規格を確認 し ます。一部
のデバ イ ス フ ァ ミ リ では こ の電源に異な る 電圧レベルを使用で き る ので、低めの電圧
が使用で き る か評価 し ます。
-
VCCO : 主に出力バ ッ フ ァ ーに供給 さ れます。 パフ ォーマン ス要件に照 ら し て I/O 規
格、 駆動強度、 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 て駆動強度を下げた り 、 終端の使用を省いた り 、 外部終端を
使用 し た り で き ないか、 を評価 し ます。
-
VCCINT : デバ イ ス コ ア ロ ジ ッ ク があ る I/O イ ン タ ーフ ェ イ ス に供給 さ れます。 アプ
リ ケーシ ョ ンで必要な最小限の I/O 機能のみを イ ネーブルに し ます。デー タ レー ト で
許容 さ れ る と き は、 一部の機能で低電力モー ド を使用す る こ と も 考慮 し ます。
•
消費電力手法ガ イ ド
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-
ク ロ ッ ク 生成モジ ュール : 通常 こ れ ら のモジ ュールの コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンの電力
は、 Vccaux 電源か ら 供給 さ れ、 デバ イ ス の コ ア ロ ジ ッ ク があ る イ ン タ ーフ ェ イ ス に供
給 さ れ る 電力 よ り も 多 く の電力が消費 さ れます。 使用す る ク ロ ッ ク 生成モジ ュールの
数を最小限に抑え る よ う に し ます。ほ と ん ど のブ ロ ッ ク にはプ ロ グ ラ ム可能な出力、周
波数、 お よび位相シ フ ト があ る ため、 同 じ モジ ュールを使用 し て関連 し ない複数の IP
ブ ロ ッ ク の ク ロ ッ ク 信号を生成で き る こ と が よ く あ り ます。任意の ク ロ ッ ク レー ト を
生成す る ために乗算お よ び除算係数を選択す る と き に、 VCO 周波数を最小限に抑え
る よ う に し ます。
-
パーシ ャ ル リ コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン : 環境に依存し て異な る機能を持つ複数のアプ
リ ケーシ ョ ンが デザ イ ンに含まれる場合、 パーシ ャ ル リ コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン を使
用 し て各環境に該当す る機能のみを使用 し てデバ イ ス を プ ロ グ ラ ムす る こ と を検討 し
て く だ さ い。パーシ ャル リ コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン を実行する と 、 ロ ジ ッ ク および配線
リ ソース を節約で き る ので、 小 さ いサ イ ズのパーツ を使用で き る可能性があ り ます。
デバ イ ス環境
•
電圧 : 標準値の電源範囲では、 デバ イ ス が予期どお り に動作 し ます。 こ れ ら の レールに接
続 さ れてい る 電源レ ギ ュ レー タ ーお よ びその他の コ ン ポーネ ン ト で電圧レベルを下げ る こ
と がで き る場合は、 1 ～ 2 ％ 下げ る だけで も ト ラ ン ジ ス タ の リ ー ク 電力お よ びス イ ッ チン
グ電力に大幅に影響 し ます。 電圧レベルは、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力 と ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電
力の両方に影響 し ます。
•
放熱パ ス : 生成 さ れた熱がデバ イ ス か ら 放散す る パ スは、 主に 2 つあ り ます。 熱は、 パ ッ
ケージ を通っ て空中に放散 さ れ る か (上方向)、パ ッ ケージ ボールお よ びボー ド を通っ て空
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第 3 章 : 消費電力予測手法
中に放散 さ れます (下方向)。 デバ イ ス ダ イ と 周囲環境間で各移動係数を確認 し ます。 こ れ
ら の熱抵抗を下げ る と 、 デバ イ ス で生成 さ れた熱が多 く かつ迅速に環境に放散 さ れ、 デバ
イ ス のジ ャ ン ク シ ョ ン温度が下が り ますが、 その代わ り に ト ラ ン ジ ス タ の ス タ テ ィ ッ ク 消
費電力が下が り ま す。 周囲温度を 減 ら すか、 シ ス テ ム のエ ア フ ロ ーを 増やすか、 ま たは
FPGA の フ ァ ン が使用で き ないか、 な ど を評価 し ま す。 ま た、 ヒ ー ト シ ン ク を追加 し た
り 、 既存の ヒ ー ト シ ン ク の特性を変更する こ と も 検討で き ます。
ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力の削減
デザ イ ンのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力に寄与す る係数 : ∑ ( α. fclk .CL .V2 )
次に、 上記の式に含まれ る 係数について説明 し ます。
•
ア ク テ ィ ビ テ ィ (α, fclk)
コ ン ポーネ ン ト と 信号の ト グル数が少ないほ ど、消費電力 も 少な く な り ます。通常、I/O、ク ロ ッ
ク 、 演算器、 メ モ リ 、 お よ び一部のビ ッ ト 単位の ロ ジ ッ ク は、 デザ イ ンで最 も ア ク テ ィ ビ テ ィ
が多 く な る デザ イ ン箇所です。 さ ま ざ ま なオプシ ョ ン を使用 し て、 こ のア ク テ ィ ビ テ ィ を減 ら
す こ と がで き ます。
•
•
ユーザーに よ る介入 : デザ イ ンの動作を理解する こ と で、 デザ イ ンに含まれている モジ ュー
ルの出力が使用 されていない と き に こ れ ら のモジ ュールの電源を切る こ と がで き ます。 新し
いデータ がキ ャ プチ ャ さ れない よ う に入力をデ ィ スエーブルにで き ます。 ま た、 ク ロ ッ ク イ
ネーブル信号を追加し て、 デザ イ ン ブ ロ ッ ク 全体、 I/O イ ン ターフ ェ イ ス、 ま たは ク ロ ッ ク
ド メ イ ンにゲー ト を付け る こ と も可能です。 ク ロ ッ ク 周波数を減ら す こ と は稀ですが、 一部
のアプ リ ケーシ ョ ンでは入力デー タ の有無に よ っ て ク ロ ッ ク 周波数を調整す る こ と も 可能
です。
•
ISE 消費電力最適化アルゴ リ ズ ム : 階層の境界に関係な く 、 デザ イ ンのデー タ ー フ ロ ーで
出力が使用 さ れていないシーケ ン ス を厳密に検出 し 、 未使用のサ イ ク ルで ク ロ ッ ク と ロ
ジ ッ ク の両方ま たはいずれかがゲー ト 処理 さ れます。 た と えば、 セ レ ク タ ー値を予測す る
こ と で未使用の乗算器入力をデ ィ ス エーブルに し た り 、 読み取 り ま たは書 き込み操作が不
要な と き に RAM ポー ト をデ ィ ス エーブルに し ます。
キ ャ パシ タ ン ス (CL)
ト グル イ ベン ト ご と に駆動 さ れ る 必要があ る キ ャ パシ タ ン ス は、 ロ ジ ッ ク タ イ プ、 フ ァ ン ア ウ
ト 、お よ びキ ャ パシ タ ン ス、お よ びデザ イ ンで使用 さ れ る配線 リ ソ ース に よ っ て異な り ます。ま
ず、 デザ イ ンの制約を確認 し ます。 厳 し く 設定 さ れすぎ ていない効率の高い制約では、 イ ンプ
リ メ ン テーシ ョ ン ツールで タ イ ミ ン グ ク リ テ ィ カルなパ ス のみが最適化 さ れ、ほかのパ ス で使
用 さ れ る エ リ アお よ び配線構造が最小限に抑え ら れます。
•
•
信号配線 : ど の配線 リ ソ ース を使用す る かは、 各パ スお よ びその周囲 ロ ジ ッ ク で考慮す る
事項が多 く あ る ため、 配置配線ツールを使用 し て決定す る のが最善策です。 ただ し 、 フ ロ
アプ ラ ン手法を使用 し て特定の ク ロ ッ ク 領域に ま と めた り 、 イ ン タ ー コ ネ ク ト の度合いが
高い ロ ジ ッ ク を近 く に配置 し た り す る こ と がで き ます。 こ れに よ り 、 デザ イ ンに含まれ る
フ ァ ン ア ウ ト の大 き い信号やア ク テ ィ ブの度合いが大 き いパ ス の長 さ を短縮で き ます。
電圧 (V2)
電圧は、主要な外部パ ラ メ ー タ ーでダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力に影響 し ます。電圧 : 標準値の電源範
囲では、デバ イ ス が予期どお り に動作 し ます。こ れ ら の レールに接続 さ れてい る 電源レ ギ ュ レー
タ ーお よ びその他の コ ン ポーネ ン ト で電圧レベルを下げ る こ と がで き る 場合、 ス タ テ ィ ッ ク 消
費電力お よ びダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力の両方に影響す る ので、1 ～ 2 ％ 下げ る だけで も FPGA の
総消費電力に大幅に影響 し ます。
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消費電力手法ガ イ ド
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消費電力ク ロージ ャ 段階
•
エ レ メ ン ト 数 (∑)
エ レ メ ン ト 数を減 ら す と 、 切 り 替え る 総キ ャ パシ タ ン ス が減 り ます。 こ のためには、 タ ーゲ ッ
ト お よ びツール制約に対 し て HDL コー ド を効率的に記述す る必要があ り ます。 グルー ロ ジ ッ
ク の一部を DSP や ブ ロ ッ ク RAM な ど のハー ド ブ ロ ッ ク を使用す る よ う に変更す る の も 効果
的です。 シ フ ト レ ジ ス タ は特殊な LUT に イ ンプ リ メ ン ト し て、 使用す る レ ジ ス タ 数お よ び配
線構造数を減 ら す こ と がで き る こ と を覚え ておいて く だ さ い。時分割多重やパーシ ャ ル リ コ ン
フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン な ど のエ リ ア を減 ら すその他の手法 も 試す こ と も 可能です。
•
バ ラ ン ス の取れた アプ ロ ーチ
ほ と ん ど の場合で、 解析後に ス タ テ ィ ッ ク と ダ イ ナ ミ ッ ク の両面で変更す る方法が、 消費電力
を削減 し て許容バジ ェ ッ ト 内に抑え る 最 も 簡単な方法です。
電源バジ ェ ッ ト が超えている場合
一部のアプ リ ケーシ ョ ン ま たは規格でプ リ ン ト 回路基板 1 つが消費で き る最大電力が定義 さ れてい
る ために、 総消費電力バジ ェ ッ ト を超え て し ま う 場合があ り ます。 ま た、 選択 し た電圧レ ギ ュ レー
タ ーで供給可能な最大電流にデザ イ ンが達 し て し ま っ てい る よ う な場合 も あ り ます。 FPGA はプ ロ
グ ラ ム可能で、 シ ス テ ム内に含まれ る コ ン ポーネ ン ト の中で最 も 制御で き る ので、 FPGA の消費電
力を最小限に抑え る こ と がで き ないかを確認す る のは当然です。 総消費電力には、 熱電力に加え て
FPGA を介 し て電源か ら 供給 さ れ る 電力お よ び コ ン ポーネ ン ト の外側に放散 さ れ る 電力 も 含 ま れ
ます。 内部消費電力を減 ら す手法は、 上記の 「熱バジ ェ ッ ト が超え てい る場合」 を参照 し て く だ さ
い。 ま た、 オ フチ ッ プ電力には、 FPGA が駆動 し てい る 外部 コ ンポーネ ン ト が主に寄与 し ます。 こ
れ ら には通常、 抵抗終端の負荷や特殊デバ イ ス (パ ワ ー ト ラ ン ジ ス タ 、 LED、 ま たはほかの コ ン
ポーネ ン ト な ど ) が挙げ ら れます。 オンチ ッ プ終端を オ フチ ッ プ終端の代わ り に使用す る と 、 I/O イ
ン タ ーフ ェ イ ス の総消費電力の差を算出で き ます。 FPGA では、 オンチ ッ プ終端を使用 し ない と き
にデ ィ ス エーブルにで き ます。 その一方で、 オンチ ッ プ終端を使用す る こ と で、 デバ イ ス で消費 さ
れ る 電力が増え、 その結果ス タ テ ィ ッ ク 消費電力が増え て し ま い ます。 各想定で総消費電力を確認
し 、 アプ リ ケーシ ョ ンに最適な ト ポ ロ ジ を選択 し 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 たは試行を決定 し ます。 消費電力ツールでは、 What If? 解析を
実行で き る ので、 デザ イ ン変更を迅速に入力で き、 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 ンに戻 ら ずに消費電力を予測で き ます。
•
イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン ツール内での試行
合成お よ び イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン ツールのオプシ ョ ン を見直 し 、デザ イ ン全体ま たは一部で
消費電力お よ びエ リ アの削減を オンに し ます。 ザ イ リ ン ク ス ツールでは、 消費電力最適化アル
ゴ リ ズ ムに よ り デザ イ ンの ロ ジ ッ ク が自動的にゲー ト 処理 さ れて、 コ アのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電
力を約 15 ％ ～ 20 ％ も 節約で き ます。 こ の際、 コー ド を変更 し た り 論理検証を行 う 必要はあ
り ません。
•
XPA 内での試行
XPA では、 変更 し てか ら 解析に戻っ て消費電力への影響を確認で き ます。
•
消費電力手法ガ イ ド
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[Environment] : 熱パ ラ メ ー タ ー、 プ ロ セ ス、 ま たは電圧が含まれてい ます。
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第 3 章 : 消費電力予測手法
•
[Design Activity] : デザ イ ンに含まれ る ネ ッ ト ま たは イ ン ス タ ン ス 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 の確立を調整
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。 制御信号で
は、 ス タ テ ィ ッ ク 確立を変更 し て ク ロ ッ ク イ ネーブル、 セ ッ ト 、 ま たは リ セ ッ ト の複
数の想定下で消費電力を評価で き ます。
-
特定ブ ロ ッ ク : ダ イ ナ ミ ッ ク ア ク テ ィ ビ テ ィ 確立に加え て、 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。
XPE 内での試行
複数の ソ ース を使用 し て開発 さ れてい る IP ブ ロ ッ ク がデバ イ ス で イ ンプ リ メ ン ト さ れた後に
は、 XPE に XPower Analyzer の結果を イ ン ポー ト し て、 こ れ ら の消費電力を確認で 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 し ない場合の
消費電力への影響を評価す る こ と も で き ます。 XPE では ロ ジ ッ ク エ レ メ ン ト ま たは信号を
個々に変更で き ないので、 デザ イ ンの コ ア ロ ジ ッ ク に対する 作業の精度は XPA よ り も 低 く な
り ます。
XPE では、 次 も 試行で き ます。
•
•
リ ソ ース使用量 : リ ソ ース数を減 ら す こ と がで き る か試 し 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 の 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。
PlanAhead RTL Power Estimator での試行
RTL Power Estimator には、RTL コー ド を変更 し て消費電力を減 ら す必要があ る と き に、リ ソ ー
ス ご と ま たはデザ イ ン階層ご と に消費電力を確認 し た り 、 デバ イ ス の消費電力に最 も 寄与す る
デザ イ ン箇所を特定す る機能があ り ます。 最初の解析か ら 、 合成ま たは配置配線に導 く デザ イ
ン制約お よ びツール オプシ ョ ン を簡単に引き 出す こ と がで き ます。 た と えば、 特定の ス テー ト
マシ ンに別の方法でマ ッ プす る指示や最 も 効率的な消費電力最適化オプシ ョ ンがあ り ます。 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 での消費電力の リ タ イ ミ ン グ を実行 し てみた り す る こ と が可能です。 キ ャ リ ー
チ ェ ーン を持つ長いパ ス では、 ク ロ ッ ク ド メ イ ンが遅 く な る 傾向があ り ますが、 グ リ ッ チ ア ク
テ ィ ビ テ ィ が増え てデザ イ ンの消費電力が増え て し ま い ます。 こ れ ら のパ ス を リ タ イ ミ ン グや
パ イ プ ラ イ ン処理す る と 、 有益にな る こ と が よ く あ り ます。
手順 4 : 変更を反映 し 、 消費電力での節約を確認
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。
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消費電力手法ガ イ ド
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消費電力および温度の計測
消費電力および温度の計測
こ のセ ク シ ョ ンでは、 FPGA の消費電力ま たは放熱量を計測す る さ ま ざ ま な方法について簡単に説
明 し ます。 こ れ ら の方法の一部では、 内部 FPGA リ ソ ース が使用 さ れ、 ほかの方法ではボー ド の コ
ン ポーネ ン ト ま たは外部 コ ン ポーネ ン ト が使用 さ れます。 消費電力 と 温度を ア ク テ ィ ブに監視 し て
開発後に変更す る 必要があ る アプ リ ケーシ ョ ン も あれば、 プ ロ ト タ イ プお よ び検証段階に ラ ボで こ
れ ら の計測手法を使用す る アプ リ ケーシ ョ ン も あ り ます。 デザ イ ンに最 も 該当す る点を考慮 し て く
だ さ い。
消費電力の計測
•
電流検出抵抗器 : レ ギ ュ レー タ ー出力 と FPGA 間に直列で挿入 さ れます。 こ の抵抗を付け る
と 、 電圧が多少下が り ます。 こ の量は、 オームの法則で電流に比例 し てい ます。 こ の電圧を計
測す る と 、 FPGA に供給 さ れてい る 電流が判明 し ます。
•
ア ド バン ス レ ギ ュ レー タ ーお よ びデジ タ ル パ ワ ー コ ン ト ロ ー ラ ー : 最新の評価キ ッ ト には、
ア ド バン ス レ ギ ュ レ ー タ ーお よ びパ ワ ー 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 ー出力の電流お よ び電圧を 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 し てい る コ ン ピ ュー タ ーに送信で き ます。 こ の方法が電力レールを監視す る最 も 簡
単で便利な方法です。 ML605 お よ び SP605 ボー ド には、 Texas Instrument UCD92xx コ ン ト
ロ ー ラ ーが搭載 さ れてお り 、 Fusions Digital Power Designer ソ フ ト ウ ェ アか ら PMBus (I2C) USB イ ン タ ーフ ェ イ ス モジ ュールを介 し てア ク セ ス で き ます。
•
オン ボー ド モニ タ リ ン グ : 最新のザ イ リ ン ク ス デバ イ ス フ ァ ミ リ では、 内部センサーお よ び
最低 1 つのアナ ロ グ － デジ タ ル変換器があ り 、 供給電圧お よ びデバ イ ス の温度を計測で き ま
す。 ChipScope ユーテ ィ リ テ ィ では、 リ アル タ イ ムの JTAG ア ク セ ス が提供 さ れてお り 、 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 (図 3-4 を参照)。 ま た、 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。
•
外部モニ タ リ ン グ : デバ イ ス のパ ッ ケージに よ り シ リ コ ンにア ク セ ス で き ないため、 ジ ャ ン ク
シ ョ ン温度は直接計測で き ま せん。 し か し 、 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度はパ ッ ケージ、 ヒ ー ト シ ン
ク 、 お よ びそのほかの熱伝対があ る場所の温度を計測す る こ と で予測で き ます。 ま た、 熱カ メ
ラ を使用 し てデバ イ ス の温度お よ び近隣 コ ン ポーネ ン ト お よ びそれ よ り 大 き い環境 と 相互作用
す る 放熱を視覚化で き ます。
•
オン ボー ド モニ タ リ ン グ : 熱計測が可能で消費電力の計測 と 同 じ 方法が使用 さ れます。 コ ン
フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン の実行前お よ び実行後に ChipScope を使用 (図 3-4 を参照) す る か、 ま た
はシ ス テ ム モニ タ ー 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
込みます。
熱の計測
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第 3 章 : 消費電力予測手法
X-Ref Target - Figure 3-4
図 3-4 : ChipScope を使用 し た電圧およびジ ャ ン ク シ ョ ン温度の監視
消費電力お よび温度の計測方法
デザ イ ンの総消費電力を構成す る次の 3 つの コ ン ポーネ ン ト を評価で き る よ う 、 計測前にデバ イ ス
のジ ャ ン ク シ ョ ン温度を制御 し て安定化 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 ためです。
38
•
デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力 : 最初に空のデザ イ ン を ダ ウ ン ロ ー ド し て、 ノ イ ズがキ ャ プ
チ ャ さ れてお ら 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。 空のデザ イ ンにはゲー ト ま たはフ リ ッ プフ ロ ッ プが 1 個含
まれてお り 、 いずれ も ト グルせずにすべての出力が ト ラ イ ス テー ト にな っ てい ます。 ジ ャ ン ク
シ ョ ン温度が安定化す る の を待っ てか ら VCCINT、 VCCAUX、 お よ びその他の任意の電源を計
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 し て も 温度を変更で
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。
•
デザ イ ンの ス タ テ ィ ッ ク 消費電力 : FPGA 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 オフ に し ます。 デバ イ ス
の温度が安定す る ま で待っ てか ら 、 任意の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) がわか り ます。
•
デザ イ ンのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力 : FPGA にデザ イ ン を ダ ウ ン ロ ー ド し て、 デザ イ ンの 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 ン温度が安定す る ま で待っ てか ら 、
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消費電力手法ガ イ ド
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消費電力および温度の計測
任意の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
ます。 値は、 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。
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第 3 章 : 消費電力予測手法
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消費電力手法ガ イ ド
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第4章
消費電力削減のための ヒ ン ト および手法
こ の章では、 消費電力を削減す る手法お よ びその手法で予期 さ れ る総消費電力への影響を説明 し ま
す。 こ の情報は、 時間、 消費電力バジ ェ ッ ト 、 使用可能 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。 一部の手法は、 内容の重複を避け る た
め、 こ こ では詳 し く 説明 し てい ません。 詳細は、 前章の 「試行」 のセ ク シ ョ ン を参照 し て く だ さ い。
シ ス テム レ ベル
冷却ス ト ラ テ ジ
冷却ス ト ラ テジでは、 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。 こ の ス ト ラ テジは、
通常デザ イ ン開始時に使用で き、 フ ロ ー後半では実行 し ず ら く な り ます。
•
エア フ ロ ーを増や し ます。
•
周囲温度を下げます。
•
ヒ ー ト シ ン ク ( 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 ーを選択
し ます。
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 に使用 さ れます。
•
ス イ ッ チン グ レ ギ ュ レー タ ーを使用 : リ ニア レ ギ ュ レー タ ー と 比べ る と 消費電力が低 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 ーを使用 : 同 じ 電源で複数の FPGA に電力が供給 さ れ る 場合は、
FPGA お よ び消費電力が最 も 消費 さ れ る デバ イ ス の電圧値にで き る 限 り 近い値に な る よ う 調
整 し ます。
•
許容誤差が厳 し い レ ギ ュ レー タ ーを選択 し ます。
デバイ スの選択
•
製品に最適なデバ イ ス を選択 : ベン ダー、 集積度、 機能、 お よ びパフ ォーマン スは、 デバ イ ス
を選択す る 際の主要な要素ではあ り ません。機能を イ ンプ リ メ ン ト す る際にシ ス テ ム レベルで
決断す る こ と に よ り 、 全製品の消費電力を最小限に抑え る こ と がで き ます。
•
デバ イ ス数を最小限に制限 : 空間を節約 し 、 I/O イ ン タ ー コ ネ ク ト の消費電力、 総 リ ー ク 電力、
お よ びその他の要素を抑え る こ と がで き ます。 通常は、 プ ロ セ ッ サ と FPGA な ど の複数の コ ン
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第 4 章 : 消費電力削減のための ヒ ン ト および手法
ポーネ ン ト を サ イ ズが大 き めの 1 つの FPGA と 置 き換え る こ と で、ス タ テ ィ ッ ク 消費電力を削
減で き ます。
•
最小デバ イ ス を選択 : リ ー ク 電力を削減で き ます。 通常、 1 つの FPGA フ ァ ミ リ では異な る ダ
イ サ イ ズ を含む同 じ パ ッ ケージがあ り ます。 た と えば、 プ ロ ト タ イ プ中や生産前には大 き めの
ダ イ を使用 し 、 量産段階では小 さ めのダ イ を使用で き ます。
•
最大パ ッ ケージ を選択 : 放熱量を増やす こ と がで き 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 : 一部のデバ イ ス フ ァ ミ リ では低電力オプシ ョ ン を使用で き 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 消費電力を大幅に節約で き ます。
•
リ ー ク 電力が低いデバ イ ス を使用 : 一部のデバ イ ス フ ァ ミ リ には、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 と 、 低 リ ー ク 電力ま 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。
デバイ ス レ ベル
ザ イ リ ン ク ス設計チームは、 デバ イ ス の機能を向上 し 、 お客様のアプ リ ケーシ ョ ンにおけ る課題を
満たす よ う 、 革新的ではあ り なが ら も 合理的な ソ リ ュ ーシ ョ ン を提供す る こ と を目指 し てい ます。
実際面では、 製造プ ロ セ スお よ び構造パ ラ メ ー タ ー と いっ た 2 つの主要点において広範囲の研究お
よ び試験を行っ てい ます。 こ れ ら の ト ピ ッ ク は、 第 1 章の 「デバ イ ス の消費電力の要因」 を参照 し
て く だ さ い。
デザイ ン レ ベル
正確な消費電力情報を取得
消費電力を最小限に抑え る箇所を特定で き る よ う 、 ツールに よ る消費電力予測が現実的にな る よ う
に し ます。
•
予期す る デバ イ ス動作条件を指定 : デバ イ ス、 その熱仕様、 お よ び適用 さ れ る電圧は、 デバ イ
ス の電源要件お よ び熱要件を決定す る際の重要な要素です。
•
リ ソ ース使用量、 コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン、 お よ びア ク テ ィ ビ テ ィ を指定
•
リ ソ ース使用量お よ び ク ロ ッ ク / 制御信号 / 主要入力のア ク テ ィ ビ テ ィ の情報を可能な限 り
ツールに供給 し ます。
•
以前のデザ イ ンのデー タ や情報を再利用 し た り 、 ツールの イ ン ポー ト 機能を使用 し て、 手
動に よ る デー タ 入力を最小限に抑え ます。
•
ア ク テ ィ ビ テ ィ を指定す る と き は、 通常動作ま たは ワ ース ト ケース動作に一致す る よ う に
し て く だ さ い。 デザ イ ンでデー タ がバース ト 処理 さ れ、 その後に静止期間があ る場合、 長
期間でア ク テ ィ ビ テ ィ が正規化す る よ う に し ます。 熱お よ び電源の影響は、 内部ス イ ッ チ
ン グ ロ ジ ッ ク に比べてかな り 時間がかか り ます。
リ ソ ース を効果的に使用
ロ ジ ッ ク : 忙 し い ために タ ーゲ ッ ト アーキ テ ク チ ャ を 完全に理解で き てい ない こ と が あ り ま す。
アーキ テ ク チ ャ を理解す る と 、 次を実行す る際に役立ち ます。
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消費電力手法ガ イ ド
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デザイ ン レベル
•
デザ イ ン記述を最適化
•
合成ツールに よ り ロ ジ ッ ク を専用ブ ロ ッ ク にマ ッ プで き る よ う な コー ド を記述 し ます。 合
成ツールでは、 タ イ ミ ン グ要件 と リ ソ ース使用率要件を満たす最善のマ ッ プ方法を決定で
き ます。た と えば、カ ウ ン タ ーま たは ス テー ト マシ ンは分散 ロ ジ ッ ク ま たはブ ロ ッ ク RAM
のいずれかにマ ッ プで き ます。 シ フ ト レ ジ ス タ は、 特定の LUT モー ド にマ ッ プ し てエ リ
アお よ び消費電力を節約で 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構成 さ れて
い ます。 1 つの ス ラ イ ス内に配置 さ れ る レ ジ ス タ 数は制御セ ッ ト 数に影響を受け ます。 こ
れは、 すべての レ ジ ス タ で ク ロ ッ ク 、 セ ッ ト / リ セ ッ ト 、 お よ び ク ロ ッ ク イ ネーブル信号
が共有 さ れ る ためです。 制御セ ッ ト 数が増え る ほ どデザ イ ンが拡散 し て消費電力が高 く な
り ます。 FPGA アーキ テ ク チ ャ に よ っ て異な り ますが、 限度に達 し た と き に近接 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 の手法に よ り 、 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 る こ と がで き 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
配線の混雑を緩和し て 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 処理、 マルチプ レ ク サ処理、 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。 処理ユニ ッ ト
を入力 と 同 じ 数にす る 代わ り に 1 つの処理ユニ ッ ト のみを使用 し て高速に実行で き
ま す。 入力チ ャ ネルは順に処理 さ れ、 各出力に対す る 応答時間は同 じ に な り ま す。
XPower Estimator の What If? 予測を実行す る と 、 こ の作業に よ り 消費電力を節約で
き る かが判断で き ます。
-
パーシ ャ ル リ コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン こ の手法を使用する と 、 機能をオンザフ ラ イ で
変更で き、 全体を コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン し 直 し て リ ン ク を確立 し 直す必要がな く な
り ます。パーシ ャ ル リ コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンは、リ ソ ース使用量を最小限にする と き
に特に役立ち、 こ れに よ り 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
が削減 さ れます。 シ ス テ ムの現在の環境で必要な フ ァ ン ク シ ョ ンのみ、 ま たはアプ リ
ケーシ ョ ンの全プ ロ セ ス の う ちの特定期間で必要な フ ァ ン ク シ ョ ンのみ FPGA に読み
込む こ と がで き ます。詳細は、次の ウ ェ ブページか ら 入手可能なパーシ ャ ル リ コ ン フ ィ
ギ ュ レーシ ョ ンの手法ガ イ ド を参照し て く だ さ い。
http://japan.xilinx.com/tools/partial-reconfiguration.htm
-
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 チが最小限に抑え ら れて伝搬 さ れ る ので、 消費電力が最 も 抑え ら れた イ
ンプ リ メ ン テーシ ョ ンにな り ます。
•
消費電力手法ガ イ ド
UG786 (v13.1) 2011 年 3 月 1 日
リ ソ ース数を最小限に抑え る : ロ ジ ッ ク リ ソ ース数を最小限に抑え る と 、 配線 リ ソ ース数 も 削
減 さ れます。 こ れに よ り 、 イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン ソ フ ト ウ ェ アでデザ イ ン を さ ら に効果的に
配置配線で き る よ う にな り ます。
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43
第 4 章 : 消費電力削減のための ヒ ン ト および手法
•
•
デバ ッ グ ロ ジ ッ ク をデ ィ スエーブルにする のではな く 、 最終的なデザ イ ンか ら削除し ます。
•
ク ロ ッ ク 生成 コ ン ポーネ ン ト の数を最小限に し ます。 主要 IP ブ ロ ッ ク ではな く デザ イ ン
最上位の視点か ら ク ロ ッ ク 生成お よ び管理を考え る こ と で、 不必要な複製や機能を回避 し
ます。 ク ロ ッ ク コ ン ポーネ ン ト には複数の出力があ る こ と が よ く あ り 、 各出力にはそれぞ
れプ ロ グ ラ ム可能な周波数お よ び位相シ フ ト 機能があ り ます。 プ ロ ジ ェ ク ト リ ー ド は、 2
つの IP ブ ロ ッ ク に 1 つの ク ロ ッ ク マネージ ャ ーを イ ン ス タ ン シエー ト す る 代わ り に、 1
つの ク ロ ッ ク ジ ェ ネ レ ー タ ーか ら 異な る ク ロ ッ ク ド メ イ ン を生成で き ないか、 評価で き
ます。
ア ク テ ィ ビ テ ィ を最小限に抑え る : コ ン ポーネ ン ト お よ び信号配線のア ク テ ィ ビ テ ィ は、 デバ
イ ス ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力に大き く 影響 し ます。
•
ク ロ ッ ク ま たはデー タ パ ス にゲー ト を付け ます。 こ の よ く あ る 手法では、 こ れ ら のパ ス が
使用 さ れない と き にパ ス が停止 さ れます。 ク ロ ッ ク にゲー ト を付け る と 、 駆動 さ れてい る
すべての同期 ロ ー ド が停止 さ れ、 デー タ パ ス にゲー ト を付け る と 、 ス イ ッ チす る信号お よ
びグ リ ッ チが発生す る 信号が次の同期エ レ メ ン ト ま で伝搬 さ れません。 ソ フ ト ウ ェ ア ツー
ルでは、記述お よ びネ ッ ト リ ス ト が解析 さ れて こ の よ う な状況が検出 さ れます。 それで も 、
ツールにはないアプ リ ケーシ ョ ン、 デー タ フ ロ ー、 お よ び依存性に関す る情報があ り 、 設
計者のみが入力で き ます。
ゲーテ ィ ン グの一般的なガ イ ド ラ イ ン :
44
-
ゲー ト 付 き信号の影響を受け る エ レ メ ン ト 数を最大限に し ます。 た と えば、 ク ロ ッ ク
イ ネーブル信号 と 共に各 ロ ー ド を ゲー ト す る よ り も 、その駆動 ソ ース の ク ロ ッ ク ド メ
イ ン を ゲー ト し た方が消費電力の節約量が多 く な り ます。
-
ア ク テ ィ ビ テ ィ ま たは ク ロ ッ ク ツ リ ー使用率を最小限に抑え る よ う ク ロ ッ ク ゲー
テ ィ ン グ を実行 し た り 、ま たは ク ロ ッ ク にマルチプ レ ク サ を付け る 場合は、専用 ク ロ ッ
ク バ ッ フ ァ ーの ク ロ ッ ク イ ネーブル ポー ト を使用 し ます。 LUT を挿入 し た り 、 その
他の方法で ク ロ ッ ク 信号を ゲー ト す る のは、消費電力 と タ イ ミ ン グ を考慮す る場合、効
率が よ く あ り ません。
-
制御セ ッ ト 数を最小限に抑え ます。 ゲー ト 付 き信号を追加 し てデー タ ま たは ク ロ ッ ク
パ ス を停止す る には、 ロ ジ ッ ク と 配線が必要にな る ので、 本来の目的を達成で き る よ
う 、 制御セ ッ ト 数を最小限にす る必要があ り ます。 こ れ ら の余分 リ ソ ース を配置配線
す る と 、 既存 ロ ジ ッ ク の イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン を悪化 さ せ る可能性があ り ます。 配
置が広がっ た り 、 複製が作成 さ れた り 、 ま たは配線が混雑す る可能性があ り 、 こ の結
果ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力が増加 し ます。
-
ブ ロ ッ ク RAM ポー ト をデ ィ ス エーブルに し ます。 アプ リ ケーシ ョ ンでア レ イ か ら の
読み出 し ま たはア レ イ への書 き 込みが行われない と き は、 使用 さ れて い ない メ モ リ
ポー ト をデ ィ ス エーブルにす る よ う に イ ネーブル信号を記述 し ます。
•
サ スペン ド モー ド ま たはス タ ン ド バ イ モー ド を使用 し て、 デバ イ ス を使用 さ れない と き
にデ ィ ス エーブルに し ま す。 機能は、 FPGA フ ァ ミ リ に よ っ て異な り ま す。 こ の手法は、
バ ッ テ リ ー アプ リ ケーシ ョ ンや処理す る デー タ がバー ス ト 処理 さ れてその後長期間ア ク
テ ィ ビ テ ィ がない よ う な と き に よ く 使用 さ れます。 こ の メ カ ニ ズ ムは簡単に イ ンプ リ メ ン
ト で き 、 デバ イ ス の 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。
デバ イ ス がパ ワ ー ダ ウ ン モー ド か ら 回復す る と き に、 アプ リ ケーシ ョ ン で起動時間が許
容 さ れ る よ う に し て く だ さ い。
•
アーキ テ ク チ ャ コ ン ポーネ ン ト それぞれにパ ワ ー ダ ウ ン モー ド を使用 し ます。 デバ イ ス
コ ン ポーネ ン ト のほ と ん ど には、 回路の電源を オ フ に し た り 、 ク ロ ッ ク ま たはデー タ フ
ロ ーをデ ィ ス エーブルにす る 機能があ り ます (例 : ブ ロ ッ ク RAM ポー ト イ ネーブルお よ
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消費電力手法ガ イ ド
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デザイ ン レベル
び ト ラ ン シーバーの各種パ ワ ー ダ ウ ン モー ド )。 アーキ テ ク チ ャ について学び、 専用の消
費電力節約構造を最大限に利用 し ます。
•
配置を ガ イ ド : デザ イ ン ロ ジ ッ ク の配置を ソ フ ト ウ ェ アに制御 さ せ る のが、 通常は最善策で
す。 小 さ いデバ イ ス エ リ アに ロ ジ ッ ク を制約す る と 、 配線 リ ソ ー ス が短 く て済むのでダ イ ナ
ミ ッ ク 消費電力が節約 さ れ る と 考え る で し ょ う が、 逆に混雑を招 き、 こ の人工的に発生 し た混
雑を回避す る ために最適ではない リ ソ ース が信号で使用 さ れ る可能性があ り ます。 し か し 、 次
の よ う な場合には、 配置を ガ イ ド す る こ と が役立ち ます。
•
タ イ ミ ン グ制約ま たはその他の制約が緩 く 設定 さ れてい る と き にア ク テ ィ ビ テ ィ が高い ロ
ジ ッ ク を高密度で配置 し ま す。 XOR な ど の演算器お よ びビ ッ ト 単位の フ ァ ン ク シ ョ ン で
は、 ク ロ ッ ク サ イ ク ル間にグ リ ッ チが発生す る可能性があ り 、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力が増
え ます。 こ れ ら の フ ァ ン ク シ ョ ン を互いに近 く に配置す る と 、 配線 リ ソ ー ス が短 く な り 、
同 じ ス ラ イ ス ま たは CLB にパ ス を含め る こ と がで き、 消費電力が抑え ら れます。
I/O : I/O イ ン タ ーフ ェ イ ス では、 寄生要素に よ る影響を受け る可能性があ る長距離を駆動す る必要
があ る ため、 通常はデバ イ ス の消費電力要件の大部分を占め ます。
•
最小限の 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。
•
入力 : 内部で参照 さ れ る入力規格の使用を制限 し ます。
•
出力 :
•
受信チ ッ プでサポー ト さ れ る スルー /駆動強度/電圧の最小レベルを使用 し ます。
•
終端ま たは直列終端ではな く パ ラ レ ル終端を選択 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 の熱バジ ェ ッ ト 、 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 プ終端ま たはオ フチ ッ プ終端の ど ち ら を使用 し た ら よ いかを検討 し ます。
•
電圧幅の低い差動規格を使用で き ないか検討 し ます。
•
アプ リ ケーシ ョ ンで大型パ ラ レ ル
し ます。
•
IBUI、 IO DELAY 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
バ ス の変わ り に ト ラ ン シーバーを使用で き ないか検討
し ます。
ト ラ ン シーバー
•
低電力モー ド を使用 し て、 一部の回路を使用 さ れない と き にデ ィ ス エーブルに し 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。
メ モ : 作業 し すぎない よ う に し て く だ さ い。 ワ ース ト ケース のデバ イ ス、 プ ロ セ ス、 環境、 お よ び
デザ イ ン ア ク テ ィ ビ テ ィ を必ず同時に設計する 必要はあ り ません。 場合に よ っ ては、 こ の よ う な状
況が発生す る 前にシ ス テ ムのほかの コ ン ポーネ ン ト が停止す る こ と があ り ます。こ の よ う な場合、絶
対定格のジ ャ ン ク シ ョ ン温度を超え ない よ う に し 、 デバ イ ス が既知の ス テー ト か ら 再起動で き る よ
う にす る 必要があ り ます。 こ の よ う な状況でデー タ を処理す る こ と は、 ア ッ プ ス ト リ ーム ま たはダ
ウ ン ス ト リ ームのボー ド コ ンポーネ ン ト が動作不可能な場合があ る ため、問題にな ら ない可能性が
あ り ます。
消費電力手法ガ イ ド
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第 4 章 : 消費電力削減のための ヒ ン ト および手法
ソ フ ト ウ ェ ア設定およびアルゴ リ ズム レ ベル
合成
合成ツールでは、 エ リ ア、 パフ ォーマン ス、 ラ ン タ イ ム、 お よ び消費電力制約間で ト レー ド オ フ を
行い ます。 集積度ま たはパフ ォーマン ス の目標を満たす こ と が優先 さ れます。 ク リ テ ィ カルではな
いパ ス は、 エ リ アお よ び消費電力を最小限に抑え る よ う に最適化 さ れ ま す。 次のセ ク シ ョ ン では、
合成 さ れたネ ッ ト リ ス ト を さ ら に最適化す る手法、 フ ロ ー、 お よ び制約について説明 し ます。
こ こ で説明す る オ プ シ ョ ン お よ び手法は、 ザ イ リ ン ク ス XST を 参照 し て い ま すが、 Synopsys
Synplify ま たは Mentor Precision な ど のその他の FPGA 合成ツールに も 類似 し た機能があ り ます。
一般
•
完成 し ていて現実的な タ イ ミ ン グ制約を供給
こ れに よ り 、 ク リ テ ィ カル パ ス の最適化に焦点を絞 る こ と がで き、 残 り のパ ス を最適化 し てエ
リ アお よ び消費電力を最小限にで き ます。パフ ォーマ ン ス要件を人為的に厳 し く 制約す る と 、複
製が多数生成 さ れ、 論理記述がハー ド ウ ェ ア リ ソ ース に非効率的にマ ッ プ さ れて し ま い ます。
制約が緩すぎ る と 、 最適にマ ッ プ さ れず、 配置配線で予期す る パフ ォーマン ス を達成す る こ と
が困難にな り ます。
•
ブ ラ ッ ク ボ ッ ク ス を読み出す
ブ ラ ッ ク ボ ッ ク スへのパ スお よ びブ ラ ッ ク ボ ッ ク ス か ら のパ ス の タ イ ミ ン グ情報お よ びブ
ラ ッ ク ボ ッ ク ス内の リ ソ ース使用量を取得で き ます。 こ れに よ り 、 ロ ジ ッ ク リ ソ ース の不必要
な複製や最適ではない使用を回避で き ます。
XST に よ る消費電力最適化
•
同時にア ク テ ィ ブなブ ロ ッ ク RAM のポー ト 数を最小限に抑え る
こ の最適化は、-power yes オプシ ョ ンに よ り イ ネーブルに さ れますが、複数のブ ロ ッ ク RAM に
ま たが る RAM ま たは ROM 記述が分解 さ れます。 タ イ ミ ン グ制約を満た し なが ら ア ク テ ィ ブ
なブ ロ ッ ク RAM ポー ト 数を ク ロ ッ ク サ イ ク ルご と に最小限にす る よ う 、 ア ド レ ス ラ イ ン、
ポー ト イ ネーブル、 お よび ラ イ ト イ ネーブル制御信号が調整 さ れます。
•
パフ ォーマ ン スへの影響を考慮せずに最 も 消費電力を抑え る よ う にブ ロ ッ ク RAM を強制的に
マップ
こ の メ モ リ に関連 し た タ イ ミ ン グ パ ス が重要ではない と き に、 block_power2 オプシ ョ ン を
ram_style 制約に使用 し ます。 こ れに よ り 、 消費電力を 15% ～ 75% 節約で き ます。
XST に よ る エ リ ア最適化
•
area 最適化モー ド を使用
可能な限 り XST で area 最適化モー ド を使用 し ます。 こ れに よ り 、 リ ソ ース使用量が最低限に
抑え ら れます。
•
マ ッ プを強制的に決定
特殊な ロ ジ ッ ク ブ ロ ッ ク では、 パフ ォーマン スへの影響を慎重に予測 し た後、 ツールで強制的
に フ ァ ン ク シ ョ ン を専用 ロ ジ ッ ク リ ソ ース にマ ッ プで き ます。 た と えば、 カ ウ ン タ ーを使用可
能な DSP ブ ロ ッ ク に強制的にマ ッ プで き ます。 シ フ ト レ ジ ス タ は、 ス ラ イ ス の SRL モー ド に
マ ッ プ可能です。ワー ド 数が少ない メ モ リ がブ ロ ッ ク RAM と し て イ ンプ リ メ ン ト さ れていて、
その入力配線ま たは出力配線が長い場合、 配線の消費電力を削減で き る可能性があ る ため、 分
散 RAM に強制的にマ ッ プす る よ う な場合 も こ の例です。
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消費電力手法ガ イ ド
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ソ フ ト ウ ェ ア設定およびアルゴ リ ズム レベル
リ ソ ース シ ェ ア リ ン グの使用
•
リ ソ ース を共有す る と 、 算術演算子の数を最小限に抑え る こ と がで き る ので、 デバ イ ス使用率
を削減で き ます。類似す る 算術演算子は、 こ れ ら の出力が同時に使用 さ れ る こ と がない場合、デ
バ イ ス の共有 リ ソ ース を使用 し て イ ンプ リ メ ン ト で き ます。 通常、 リ ソ ース共有では因数分解
さ れた入力のいずれかを選択す る ために、 マルチプ レ ク サ ロ ジ ッ ク が追加 さ れます。 因数分解
を実行す る こ と で ロ ジ ッ ク 使用量を最小限に抑え、 ロ ジ ッ ク の複製を回避で き ます。 合成ツー
ルでは、 こ れ ら の最適化がデフ ォ ル ト で実行 さ れ、 潜在的なパフ ォーマン スへの副作用が制御
さ れ る ので、 こ の最適化をデ ィ ス エーブルにす る 必要はほぼあ り ません。
その他の XST オプ シ ョ ン
レ ジ ス タ バ ラ ン ス調整を使用 し て ア ク テ ィ ビ テ ィ を削減
•
-register_balancing オプシ ョ ン を使用する と 、 組み合わせ ロ ジ ッ ク に含まれ る タ イ ミ ン グ パ ス
の長 さ が均一にな る よ う に、 レ ジ ス タ の タ イ ミ ン グが前方ま たは後方に調整 さ れます。 こ のオ
プシ ョ ンは主にデザ イ ン パフ ォーマ ン ス の向上のために実行 さ れますが、最長の タ イ ミ ン グ パ
ス を短 く す る こ と でグ リ ッ チの伝搬が最小限に抑え ら れ る ので、 ア ク テ ィ ビ テ ィ が削減 さ れま
す。 レ ジ ス タ バ ラ ン ス調整は、 演算器や幅の広いビ ッ ト 単位構造な ど ア ク テ ィ ビ テ ィ の高い ロ
ジ ッ ク を イ ンプ リ メ ン ト す る パ ス で特に有益です。
FSM エン コ ー ド 方式
•
大型ス テー ト マシ ンのエン コ ー ド 方式を多数試す こ と がで き ます。た と えば、Gray エン コー ド
を使用す る と 、 ス テー ト 遷移間のビ ッ ト 変化数を最小限に抑え る こ と がで き ます。 エン コー ド
方式を変更す る と 、 出力の生成に必要な ロ ジ ッ ク 数に対 し て必要にな る 次の ス テー ト をデ コ ー
ド す る ための ロ ジ ッ ク 数に影響 し ます。
イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン
次のセ ク シ ョ ンでは、 個別ま たは組み合わせて使用す る こ と で さ ら に最適化を実行で き る アルゴ リ
ズ ムについて説明 し ます。
ネ ッ ト リ ス ト の最適化
ア ク テ ィ ビ テ ィ を意識 し た最適化 (高度なゲーテ ィ ン グ ) を イ ネーブル
•
こ れ ら のアルゴ リ ズ ムでは、 論理式が解析 さ れて、 結果に影響 し ない ソ ース レ ジ ス タ が ク ロ ッ
ク サ イ ク ルご と に検出 さ れます。 ソ フ ト ウ ェ アでは、 FPGA ロ ジ ッ ク に含まれてい る 十分な ク
ロ ッ ク イ ネーブル (CE) リ ソ ース を使用 し て、無駄な ス イ ッ チ イ ン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を回避す
る 高精度のゲーテ ィ ン グ信号が作成 さ れます (図 4-1 を参照)。 高度な ク ロ ッ ク お よ びデー タ
ゲーテ ィ ン グは、map -power high オプシ ョ ン を使用 し て制御で き ます。総ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電
力は 15% 以上削減可能で、 ほ と ん ど の場合で挿入 し たゲーテ ィ ン グ ロ ジ ッ ク が原因でパ
フ ォーマ ン ス が影響を受け る こ と はあ り ません。
Before
sig
After
Power
Consumption
Power
Consumption
sig
CE
X-Ref Target - Figure 4-1
図 4-1 : 高度な ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ングによ る ス イ ッ チ ング消費電力の削減
消費電力手法ガ イ ド
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第 4 章 : 消費電力削減のための ヒ ン ト および手法
•
リ ソ ース を再配分す る
ネ ッ ト リ ス ト の最適化では、 フ ァ ン ア ウ ト の大 き いネ ッ ト が低消費電力の配線構造に再マ ッ プ
さ れます。た と えば、多 く の負荷に分配 さ れる リ セ ッ ト 信号はグ ローバル ネ ッ ト にマ ッ プ さ れる
可能性があ り ます。グ ローバル ネ ッ ト はパフ ォーマン ス に対 し て最適化 さ れた専用配線で、キ ャ
パシ タ ン ス (容量) も 比較的低い値です。 ま た、 残 り のデータ パス を配置配線する配線 リ ソ ース
も 解放 さ れ る ので、 配線の混雑が減 り 、 全体的なキ ャ パシ タ ン ス も 削減 さ れます。 こ れ ら のすべ
ての効果は map -power on オプシ ョ ンで制御 さ れ、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力を削減し ます。
配置
•
•
キ ャ パシ タ ン ス を意識 し た最適化
•
ク ロ ッ ク の負荷を グループ化 : こ のプ ロ セ ス ではフ リ ッ プ フ ロ ッ プや DSP ブ ロ ッ ク な ど
のエ レ メ ン ト の配置が再編成 さ れ、 各 ク ロ ッ ク ネ ッ ト の範囲が最小限に抑え ら れます。 ク
ロ ッ ク 負荷が最少数の水平ま たは垂直 ク ロ ッ ク スパ イ ンに沿っ て配置 さ れ る と き 、 ク ロ ッ
ク 領域内の未使用の分岐は ソ フ ト ウ ェ アでデ ィ ス エーブルにで き ます。 こ れに よ り 、 使用
さ れ る ク ロ ッ ク リ ソ ース数お よ びバ ッ フ ァ 要件が減 り 、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力が抑え ら れ
ます。 こ のプ ロ セ スは、 map -power on オプシ ョ ンに よ っ て制御 さ れます。
•
デー タ 負荷を グループ化 : こ のアルゴ リ ズ ムでは、 パフ ォーマン ス要件を満た し なが ら デ
ザ イ ンに含まれ る ワ イ ヤの全長が最短に さ れます。 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力は、 関連 し て増
加す る キ ャ パシ タ ン ス が原因で、 フ ァ ン ア ウ ト お よ び配線構造の種類 と 長 さ と 共に増加す
る ので、 デー タ 負荷を グループに ま と め る と 、 消費電力を節約で き ます。 こ のグループ化
アルゴ リ ズ ム も 、 map -power on オプシ ョ ンで イ ネーブルに さ れ、 関連 ロ ジ ッ ク を隣接 し
て配置す る こ と で消費電力の削減を達成で き ます。
ア ク テ ィ ビ テ ィ を意識 し た最適化
•
シ ミ ュ レーシ ョ ン結果か ら ア ク テ ィ ビ テ ィ を入力 : こ れに よ り 配置プ ロ グ ラ ムで消費電
力が最小限に済む よ う に効率 よ く ネ ッ ト リ ス ト の優先順位が付け ら れて フ ロ アプ ラ ン さ れ
ます。 電圧お よ びキ ャ パシ タ ン ス に加え て、 ア ク テ ィ ビ テ ィ はダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力を決
定す る 必須要素です。 デフ ォ ル ト では、 配置プ ロ グ ラ ムでデザ イ ンのパフ ォーマン スお よ
び配線目標を満たす よ う に試み ら れます。シ ミ ュ レーシ ョ ン結果のア ク テ ィ ビ テ ィ 情報は、
ア ク テ ィ ビ テ ィ が高い ロ ジ ッ ク お よ びパ ス を配置す る と き に配置プ ロ グ ラ ム を さ ら にガ イ
ド し ます。 こ れに よ り 、 こ れ ら の構造に対す る 内部 CLB 配線が増え配置密度が増すので、
ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力が削減 さ れ ま す。 こ れ ら のアルゴ リ ズ ム を イ ネーブルにす る には、
次のオプシ ョ ン を使用 し ます。
map -activity_file file_name.saif
同一の階層セパレー タ ー、 最上位名な ど を使用 し て、 ネ ッ ト リ ス ト と シ ミ ュ レーシ ョ ン出
力の コ ン ポーネ ン ト が効率 よ く 一致す る よ う に し て く だ さ い。
•
重要 : キ ャ パシ タ ン スお よ びゲーテ ィ ン グ アルゴ リ ズ ムの両方を イ ネーブルにす る map
-power xe オプシ ョ ン を使用す る こ と を検討 し て く だ さ い。 過去のデー タ に基づ く と 、 こ
のオプシ ョ ンがダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力を削減で き る最 も 効率的なオプシ ョ ンです。
その他
•
ツールのア ッ プデー ト を確認
ほ と ん ど の IC コ ンポーネ ン ト では、製造プ ロ セ ス の成熟度に伴い、FPGA の消費電力特性が改
善 さ れます。FPGA 初期段階では、消費電力特性はシ ミ ュ レーシ ョ ンか ら 取得 さ れてい ます。エ
ン ジニ ア リ ン グ サンプルが入手可能にな る と 、 計測デー タ を消費電力モデルに統合で き ます。
デバ イ ス が完全生産に進む と 、 複数の製造バ ッ チにおけ る プ ロ セ ス のば ら つ き が完全に特性化
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消費電力手法ガ イ ド
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デバイ スまたはアーキテ ク チ ャ を効率的に比較
さ れ、 こ れ ら の計測で消費電力モデルがア ッ プデー ト さ れます。 消費電力予測お よ び解析ツー
ルでは、 こ のア ッ プデー ト さ れた情報を使用 し て精度の高い結果を出力で き ます。
•
ソ フ ト ウ ェ アの消費電力オプシ ョ ン を一括 し て試行
ISE の SmartXplorer 機能ま たは PlanAhead の [Design Runs] ビ ューを使用す る と 、 消費電力
に影響す る さ ま ざ ま な ソ フ ト ウ ェ ア オプシ ョ ン を一括 し て試行で き ます。 こ れ ら には、 合成お
よ び配置配線ツールの設定を調整す る定義済みの ス ト ラ テジ セ ッ ト があ り ます。独自の ス ト ラ
テジ を追加す る か、 ま たは既存の ス ト ラ テジ を編集 し て、 複数のマシ ンで高速に異な る run を
実行 し ます。
デバイ ス またはアーキテ ク チ ャ を効率的に比較
デバ イ ス ま たはアーキ テ ク チ ャ を比較す る には、 次を実行 し ます。
•
放熱係数を一致 さ せ る
ツールにはそれぞれ異な る オプシ ョ ンお よ びデフ ォ ル ト 設定があ る ので、 比較す る と き は放熱
係数を一致 さ せ る 必要があ り ます。 こ れに よ り 、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力を正 し く 比較で き ます。
•
使用 さ れ る リ ソ ース を一致 さ せ る
アーキ テ ク チ ャ にはそれぞれ異な る リ ソ ース ( シ フ ト レ ジ ス タ 、 メ モ リ コ ン ト ロ ー ラ ー、 ク
ロ ッ ク マネージ ャ ーな ど ) お よ び異な る サ イ ズの リ ソ ース (LUT、 BRAM、 DSP ブ ロ ッ ク な ど
) があ る ため、 両方の ツールで同等の数値を入力 し て く だ さ い。 た と えば、 LUT SRL を使用 し
て イ ンプ リ メ ン ト さ れ る シ フ ト レ ジ ス タ がサポー ト さ れないアーキテ ク チ ャ では、サポー ト す
る アーキ テ ク チ ャ と 同 じ 機能を達成す る ために フ リ ッ プ フ ロ ッ プ数が多 く 必要にな り ます。
•
I/O 設定を一致 さ せ る
アーキ テ ク チ ャ ではそれぞれ異な る I/O 規格、 終端ま たはデー タ キ ャ プチ ャ 、 お よ びア ラ イ メ
ン ト ブ ロ ッ ク がサポー ト さ れ る 場合があ り ます。 比較す る と き は、 同 じ 電圧レベルお よ び機能
にな る よ う に し て く だ さ い。
•
ア ク テ ィ ビ テ ィ を一致 さ せ る
ツールのデフ ォ ル ト は、 アーキ テ ク チ ャ お よ びベン ダーに よ っ て異な り ます。 比較す る前に こ
れ ら の情報を変更 し て く だ さ い。
•
結果の値に何が含まれてい る かを理解す る
次の よ う な質問を自問 し て く だ さ い。 何が含まれてい る か。 何が除外 さ れてい る か。 すべての
電圧の影響が含まれてい る か。 オ フチ ッ プ終端で散逸 さ れ る消費電力は含まれてい る か。
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第 4 章 : 消費電力削減のための ヒ ン ト および手法
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第5章
ま とめ
こ のガ イ ド で説明 し た原則に従 う と 、デザ イ ン サ イ ク ルを通 し てデザ イ ンの消費電力予測が実行 し
やす く な り ます。 解析手法は総消費電力に影響す る主な要因の特定を容易に し 、 ヒ ン ト お よ び手法
は消費電力が超え て し ま っ てい る と き の最 も 効果的な対処方法を決断す る際に役立ち ます。 当然デ
ザ イ ンはそれぞれ異な る ので、 特定のデバ イ ス、 環境、 プ ロ セ ス、 お よ び締め切 り に応 じ て こ の資
料を利用 し て く だ さ い。
最終的には消費電力を最小限に抑え る こ と で、 同 じ 消費電力で実行で き る アプ リ ケーシ ョ ンの操作
が増え ます。エン ド 製品の動作 コ ス ト を電気代、信頼性、お よ び管理費のすべての面で削減で き ます。
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第 5 章 : まとめ
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付録 A
その他の リ ソ ース
消費電力に関する資料
•
ザ イ リ ン ク ス の ウ ェ ブサ イ ト で消費電力 ソ リ ューシ ョ ン ページ を参照 し て く だ さ い。
http://japan.xilinx.com/power
•
『Lowering Power at 28 nm with Xilinx 7 Series FPGAs』 (WP389)
•
『高度な ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グに よ る ス イ ッ チン グ電力の削減』 (WP370)
•
XPower Estimator (XPE)
ツール資料
•
•
•
『XPower Estimator ユーザー ガ イ ド 』 (UG440)
•
『Seven Steps to an Accurate Worst-Case Power Analysis Using Xilinx Power Estimator
(XPE) 』 (WP353)
XPower Analyzer (XPA)
•
グ ラ フ ィ カル イ ン ターフ ェ イ ス : XPower Analyzer (XPA) ヘルプ
•
コ マ ン ド ラ イ ン ツール (xpwr) : 『コ マ ン ド ラ イ ン ツール ユーザー ガ イ ド 』 (UG628)
PlanAhead RTL 電力予測
•
『PlanAhead ユーザー ガ イ ド 』 (UG632) (第 5 章 「RTL デザ イ ン」 の 「消費電力予測」 )
サポー ト およびその他
•
シ リ コ ン、 ソ フ ト ウ ェ ア、 IP に関する 問題を ア ンサー デー タ ベース で検索 し た り 、 テ ク ニ カ
ル サポー ト の ウ ェ ブ ケース を開 く には、 次のザ イ リ ン ク ス ウ ェ ブサ イ ト にア ク セ ス し て く だ
さ い。
http://japan.xilinx.com/support
•
内部 リ ソ ースお よ び I/O リ ソ ース の機能 :
http://japan.xilinx.com/documentation の [デバ イ ス ] タ ブで [FPGA デバ イ ス フ ァ ミ リ ] を
ク リック
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付録 A : その他の リ ソ ース
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