度身定制电源管理,让FPGA系统快马加鞭

 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

围绕着“让FPGA系统变得更好”的核心，Altera实现了更易设计、更高性能、更低功耗的电源IC方案，理所当然在市场上受到了追棒。

目前采用Altera电源产品的客户在不断增多，Altera也在积极拓展中国市场，在过去一年中已与数十家新的中国客户进行了一些业务商谈。特别值得一提的是，以华为，中兴和烽火为代表的国内领先通信企业已经选择了Altera的电源IC。

作为全球通信市场的领导者，客户需要开发新一代的RRU来保持它在无线市场的竞争力，但是在他们用定制化的ASIC实现4.5G 系统的优化特性之前，必须尽快解决诸多挑战。“Altera的解决方案可帮助他们从根本上解决这些挑战。除了对系统功耗的优化之外，电源SoC也能帮助发现和定位以减少他们的板子尺寸，以提升在轻负载和重负载下的效率，最重要的是可满足他们世界级的可靠性要求。” Mark Davidson指出，“他们之所以选择我们，其背后最重要的原因之一就是，我们的模块是行业内已经量产很长时间，大规模生产的先进的性能和稳固的可靠性都已经过验证，并被市场上众多知名品牌客户所认可。”

Altera的电源IC除在通信、数据中心、工业、新能源等领域“开花结果”外，Altera也在全力开拓一些新兴应用市场。张伟超提到，Altera已与很多无人机、工业打印机、印钞机等应用领域的行业领先公司在洽谈合作，其中很多公司都是隐型的行业冠军，产品销至全球。他们对Enpirion有兴趣的原因就在于希望拥有一个好用、易用、性能突出的电源产品，并借助Altera的整体技术实力帮助他们更快地推出更有竞争力的产品。

值得关注的是，Enpirion电源IC虽为FPGA而“熠熠生辉”，但也能为其它主芯片IC而“灼灼其华”。张伟超特地提到，除了为FPGA系统提供整体POL电源解决方案之外，我们也在系统板上的其它主芯片提供电源，如DDR存储器、微处理器，Serdes以及许多其他数字或者模拟芯片供电等。我们已经有很多成功的参考设计，目前也在和更多的公司接触，有一些合作厂家非常认同Enpirion方案带给他们的价值，因为可以帮助他们更好的解决目前遇到的种种电源设计难题，可以使他们的参考设计方案更加的简洁高效并能更快地赢得市场份额。

Altera携FPGA和Enpirion电源IC并进也将一起重塑更高的市场新价值。对于未来，Altera的电源解决方案有着非常清晰的目标和更长远的战略规划。张伟超表示，未来Altera主要关注三个关键电源产品开发领域：加强传统领先低输入电压轨小尺寸解决方案、拓宽宽输入(12V总线)电压轨解决方案以及重点研发高电流输出数字电源解决方案，并将不断加强在电源方面的技术创新，包括更高的集成度(集成电感以及LDMOS)、更快更好地简化FPGA系统并进一步解决系统功耗难题等，包括考虑将电源模块进一步集成进FPGA内。在这条智能化集成的道路上，相信Altera会走得更加稳健和自信。