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FPGA跟随工艺提升的步伐从不曾歇停，融合创新的速度也不断加快，显现出愈加明显的竞争优势，也迎来了广泛的市场空间。随着FPGA不断成为系统核心，其不但成为系统性能的主推手，也成为电源设计的主要推动力量。如今的设计者们都期望能够开发低功耗设计，而大部分FPGA功耗都与FPGA设计人员的实现选择有关，这会影响系统的开关频率、输出负载、供电电压、互联数量以及逻辑和互联模块的结构，这些选择反过来也会影响电源设计人员的选择以及系统设计的综合考虑，影响最终系统的功耗和性能。因而，在设计时就考虑满足基于FPGA的设计对电源的要求和约束，对于系统的整体性能提升日趋重要。相应的，电源管理已日益成为FPGA战略性的竞争优势。
FPGA 需量身定制电源IC
然而，为功能越来越多、性能越来越高、工艺越来越先进的FPGA提供优化的电源IC殊非易事，毕竟如今的FPGA对电源IC的要求已然“今非昔比”。
Altera公司电源业务部市场总监Mark Davidson就此表示，FPGA和SoC集成度更高，系统级性能已前所未有，相应地也需更高性能的电源与之匹配，这需要电源IC满足严格的FPGA电源轨要求、满足系统功耗和散热预算限制，同时又能构建鲁棒而又可靠的系统、符合预算要求按时完成其项目。
而与此相对应的是FPGA更高复杂性和更多不确定性的影响。“影响电源设计的两个关键FPGA规范是电压和电流要求。”Altera技术专家 Robert Cravotta表示，“因所需要的电源轨越来越多，FPGA电压要求越来越复杂。以前，内核和I/O单元需要两个电源轨，还有可能采用第三个用于其他功能，而现在的高端FPGA会需要数十个外部驱动的电源轨。除了需要越来越多的电源轨之外，当今的FPGA工作电压要低于以前的产品代，这对于降低功耗和提高集成度很重要，但是由于电源必须维持要求越来越严格的电压容限，因此这也提高了复杂度。并且，随着FPGA的密度越来越高，外设/功能/IP模块的数量越来越多。虽然FPGA的供电电压是恒定的，但是，这些电压的工作电流却不是，随FPGA逻辑的实现方式而波动。因而，在FPGA上实现系统带来了很多不确定性，会在很大程度上影响电源设计。”
Robert Cravotta进一步补充道，这类不确定性会特别影响FPGA系统，部分原因在于使用FPGA的一个关键特性是设计人员能够建立任意的处理资源，与软件编程处理器相比能以更少的时间、更低的功耗来解决问题。因此，虽然软件编程处理器有很多能够同时工作的处理资源，而FPGA提供了机会来建立特殊的、优化的定制处理资源，所以需要定制电源IC。
看来定制电源IC已势在必行。然而要注意的是，除了要量身定制电源IC之外，更先进的开发方法也是不可或缺的。Robert Cravotta提到，在开发过程中，尽管可以使用各种开发工具，但最好能够在设计早期阶段，考虑电源系统的最差情况，而不是最佳情况，因在硬件设计完成之后、测量功耗之前，动态负载需求还有很大的不确定性，会在静态低电流状态和全速工作状态之间波动。实践证明，采用并行工程(CE)为使用FPGA器件的开发团队提供了一种方法，可更方便快速地找到并提取出处理性能、材料表(BOM)成本和能效的最佳平衡点。
图1：FPGA供电解决方案的未来发展趋势
Enpirion电源全面提升系统功效
量身定制说起来容易做起来难。Altera的Enpirion电源产品中国区高级业务经理张伟超提到，一般大型电源公司的电源IC会有很多不同的应用领域，他们不会也不可能把全部的精力投入到FPGA领域。而且，只有了解FPGA，才能设计更好的电源IC，为系统性能提升服务。
在这种情形下，是自救还是它救?Altera的选择可谓“对症下药”，即通过收购电源企业来量身定制电源IC，在去年5月份即收购了Enpirion电源公司。Mark Davidson表示：“收购Enpirion，比与电源企业合作会带来更多的好处，因为我们在成为一个公司后，围绕着‘让FPGA系统变得更好’的核心，可全面整合电源、FPGA系统工程以及电路板布局、信号完整性技术，共同开发出一个更好的解决方案，不断优化电源IC在FPGA方面的应用。”
而收购之后的成效也是立竿见影，Altera已开发了一系列使用方便、高效、全面的电源解决方案，适合Altera全系列FPGA——从低功耗、低成本MAX系列直至全功能、大功率Stratix系列。去年年底，Altera展示了最新的FPGA、SoC及Enpirion电源解决方案，包括PowerSoC DC-DC降压转换器、PWM DC-DC控制器和电源系统、DC-DC开关调节器、线性调节器、DDR存储器匹配(VTT)、保护和管理等6种产品。
Enpirion电源解决方案可说是“身怀绝技”。张伟超介绍说，Enpirion电源解决方案系列在高频集成电路设计、磁体工程、电源封装和结构以及DC-DC系统工程4个关键领域关注创新，为系统带来显著优势：一是实现了低噪声性能、低波纹和快速瞬变响应，提升了FPGA性能;二是通过高效的拓扑和数字控制接口降低了系统功耗;三是采用先进的硅片、磁体和封装设计提高了功率密度，实现了最小的外形封装，节省了20%-50%的PCB空间。四是提高了系统可靠性，包括大于45,000年的MTBF和高度的集成。五是可加快上市，通过提供经过全面验证的布板和设计文件，缩短了数星期的设计时间，节省了数千美元的开发成本。
图2：EM1130与Altera的Arria10 FPGA配合，为系统带来显著的尺寸与性能优化。
在不久的将来Altera在其Enpirion电源解决方案中新增的一款30amp PowerSoC DC-DC降压转换器EM1130更是“身手不凡”。这款被Altera全球业务开发总监Patrick Wadden视作“里程碑”式的产品，是集成数字DC-DC降压转换器系列的第一款产品，可为Altera的第10代FPGA提供电源管理功能，特别是Arria 10和Stratix 10 FPGA内核以及收发器电源轨。Patrick Wadden介绍说，EM1130实现了“五宗最”：即最小的引脚布局，面积不到其他可选解决方案的一半;同类效率最高，比其他可选解决方案高出3-6%，远程测量精度提高了30~50%;领先的电源性能，超越了下一代嵌入式系统的关键电源规范，如波纹、瞬变和精度等;集成PowerSoC和数字可编程能力以及可配置能力，解决方案灵活且便利;支持智能系统管理，实现全面的系统监控。
这些让人“眼前一亮”的特性，充分表明在收购Enpirion之后，Altera带来的新型电源管理IC的高功效，真正实现了针对FPGA的需求优化电源管理，充分发挥FPGA系统性能。Mark Davidson表示，采用Enpirion电源解决方案，客户可在尽可能最小的电路板上完成设计，同时还能最大程度地提高性能和降低功耗，加快产品上市、削减材料成本以及增强系统可靠性。
电源IC重塑市场新价值 |
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