《FPGA功耗及热点分析》论文解读

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统计数据指出：芯片失效的原因，其中约55%是由于过热或热相关问题造成的。

功耗分析工具

Xilinx的XPower Estimator和XPower Analyzer等：
业界很多工具仅能粗略估算功耗，误差比较大，因为

1. 软件的设计目的仅仅是一种电路设计功耗的参考评估，
2. 软件仅对单芯片进行整体功耗评估，对详细逻辑、IP、RAM等没有评估，对芯片可靠性影响很大的热点没有分析，
3. 精度普遍很低，误差可达50%以上，而真正的可靠性评估需要将误差控制在10%以内。

研究现状

1. Schafer.B.C和Taewhan Kin提出的logic partitioning technique方法，从门级网表通过对综合的约束对功耗进行优化，减少和移除热点。
2. Stott.E提出了wear-leveling方法，通过循环迭代的方法优化FPGA布局性能，减少电应力所产生的热点
3. Velusamy.S.和Wei Huang提出一种通过温度测量途径，建立FPGA行为级结构热模型来获得热点产生的估计
4. Siozios. K.和Soudris. D.提出基于温度感知和优化的FPGA布线算法
5. Mondal.S.和Mukherjee.R.提出在FPGA中插入传感器阵列，提高对温度的监控效率
6. Jingxia Wang提出采用动态FPGA资源配置的方式，降低FPGA功耗

功耗分类

1. 静态功耗：待机时，虽然逻辑门的状态没有翻转，但泄露电流仍会引起的功耗
2. 动态功耗：信号翻转时，电路中寄生电容充放电引起的功耗，包括开关功耗和短路功耗；互连线的电容也会充放电，也会产生功耗。

功耗优化分类

1. 综合工具对功耗的影响：例如BRAM拼接算法，拼深度，需要额外控制电路（地址译码+数据mux选择），但功耗较低；拼宽度，控制电路少，功耗高。
2. 代码风格对功耗的影响：不同的代码风格使得电路翻转率系数差异很大，高翻转率的设计会导致高功耗。

功耗与电路可靠性

集成电路可靠性：是否产生电迁移、是否存在热点、电压降是否导致时序错误。
随着工艺的发展，开关电容功耗和短路功耗占比在下降，漏电功耗占比在上升。

系统级功耗分析

1. 电子表格法，根据逻辑单元数目，活动概率(翻转)，时钟频率，电压等统计计算。
2. 算法级功耗分析：指标包括性能、成本和功耗的最优化。
3. 软件实现的算法级功耗估计，3个层次：源码级、指令级、功能总线模型级
4. 硬件实现的算法级功耗估计，优化算法控制流程

系功耗模型

1. 宏模型，将电路子模块看待为黑匣子，用一个简单模型描述该模块的外部特性。描述模块的静态或动态的端口行为。
2. Saber提供了便捷的宏模型库，并提供了MAST建模语言。

宏模型种类：电路简化宏模型、电路函数宏模型、表格特性宏模型、电平宏模型、HDL宏模型、连线宏模型。
宏模型构建方法：简化法、构造法
宏模型构建过程：模块划分、宏模型构建、获取功耗参数、系统构建计算功耗。

宏模块的使用情况可以从Netlist中提取，宏模块的信号平均翻转率可以从仿真的结果VCD（Value Change Dump）文件中提取

Saber功耗模型
Sable软件、MAST语言，Saber建模（参数量化法、宏模型搭建法、MAST建模法、Spice建模法）
可以通过MAST语言对CLB进行建模。

FPGA的RC热模型和HotSpot软件仿真

1. RC热模型：高温下，散射几率升高，载流子迁移率下降，漏电流随着温度升高而升高，电阻率也随温度升高而升高，会导致更大的RC延迟。
   热流相比电流有相似的二元性，电学特性和热传导及其相似。
2. 热流可比作流过热阻的电流、引起的温度差可以近似看做电压、热阻和热容等效于电阻和电容。因此可以建立类似RC电学模型的RC热模型。
3. RC模型简化：覆盖每一个微结构单元、简化模型参数化、简化为BICI模型（边界条件和内部条件独立，即不依赖模型初始温度和其他配置条件）
   HotSpot模型能满足上述的简化模型特性。

不考虑芯片最外层的散热器和散热金属片封装，仅考虑裸片die的热模型。裸片可以按功能划分为几大部分，几何图形划分时需要避免长宽比大于二，为每一个模块建立等效RC热模型，包含了电路节点四周和上层金属对其热传导、热扩散等影响。
划分分为粗粒度（block功能划分）和细粒度（grid网格划分）
HotSpot是一种适合结构级研究的精确快速热模型，可以进行RTL功耗分析。但不执行功耗评估，不能代替门级和实际的功耗分析。
目前已经升级至HotSpot6.0，为开源软件。需要安装BLAS/LAPACK库，集成了Intel的Math kernel库、AMD的Core Math库等。
HotSpot的配置文档为HotSpot.config（描述了Chip、Heat sink、Heat Spreader等参数）和Package.config（描述了Heat sink、Fan等参数）

基于STM32电流检测

STM32电流检测原理
电流检测方法：测量载流导体的磁场（没有插入损耗，成本高，容易导致非线性和温度系数误差）；在电流回路插入电阻并测量其两端电压降（有插入损耗，成本低，分高边和低边插入，FPGA器件一般选用高边电流检测方法进行测量）。

FPGA中一般使用多种供电电源，包括内核电源、IO电源等。测试时，需要在不同的电源回路中串联待测电阻，在大电流回路中串接较大的待测电阻(0.003欧)，在较小的IO电流回路中串接较小的待测电阻（0.0015欧），并将采用电路放大几十倍进行计算分析。
VCCINT内核电压、VCCA模拟电源、VCCD_PLL数字电源、VCCIO等