电源效率

无以伦比的系统级功耗削减

概述

Xilinx 器件可通过精选芯片工艺和功耗架构为所有产品组合实现高电源效率,包括 Spartan-6 系列及 7 系列、UltraScale™ 以及 UltraScale+™ FPGA、SoC 和 ACAP 。对于每一代产品,Xilinx 都不断提升其节电功能,包括工艺改进、架构创新、电压缩放策略以及高级软件优化策略等。以下是特定产品组合功能的详细信息、芯片工艺优势和基准比较。电源估算、热模型、全面软件支持和演示板现已开始针对所有产品系列公开提供。利用全面的文档、构建及测试电源参考设计以及功能强大的工具,为 Xilinx 器件设计电源比以往任何时候都更便捷,其可为您新一代设计释放所有潜力,从而可充分发挥 ACAP、SoC 或 FPGA 的优势。

Versal ACAP

Xilinx 新一代异构计算器件 Versal 自适应计算加速平台 (ACAP) 采用 TSMC 7 纳秒 HK-MG FinFET 工艺,通过架构创新及功耗优化模块,实现了低功耗、高性能技术的又一次飞跃。Versal 的 AI 引擎架构不仅可为计算密集型应用节省多达 40% 的电源,同时与传统 FPGA 实现方案相比,还可显著提高性能。

  • 硬化的 BRAM、URAM 和 DSP 模块可提高器件效率:
  • 更高效的 DSP 模块可用于强化复杂的浮点数学运算
  • 未使用的模块 RAM 支持电源门控,可避免漏电
  • URAM 初始化和位宽可配置性可减少对外部 RAM/ROM 的需求

硬化可编程模块的组合允许 Versal ACAP 与前几代节能技术、改进的电源管理、新的电压与频率调整技术一起,最大限度提高性能功耗比,而集成型系统监控器则可为您的电路板实现智能电源管理,只在必要时用电。
  

UltraScale+ FPGA

UltraScale+ 器件系列以高性能低功耗半导体工艺(TSMC 16 纳米FinFET+)为基础,与 7 系列 FPGA 及 SoC 相比,能将整体器件级电源节省达 60%。架构改进包括:

  • 基于硬件的时钟门控技术
  • 硬化的 BRAM 串联
  • DSP 模块效率
  • 电源优化收发器

UltraScale+ 系列通过架构创新和主核结构的双电压工作,可将 7 系列的性能功耗比提高一倍多,能够在提高整体性能的同时降低功耗。

7 系列
(28nm)
VNOM
UltraScale
(20nm)
VNOM
UltraScale+
(16nm)
VNOM
UltraScale+
(16nm)
VLOW
工作电压 (VCCINT) 1V 0.95V 0.85V 0.72V
标准化结构性能 1.0x 1.2x 1.6x 1.2x
标准化总功耗 1.0x 0.7x 0.8x 0.5x
性能功耗比 1.0x 1.7x 2x 2.4x

无与伦比的威力与灵活性

除了 UltraScale+ FPGA 逻辑的所有省电功能外,Zynq UltraScale+ MPSoC 还在处理系统中利用多个电源岛和域进行粗粒度及细粒度动态电源门控,从而可根据性能要求持续调节功耗,降低整体器件用电。

UltraScale FPGA

UltraScale FPGA 系列基于低功耗 20 纳米半导体工艺以及出色的静态及电源门控技术,与 7 系列 FPGA 相比,能将整体器件级电源节省达 40%。与 UltraScale+ 器件共享的架构改进包括:

  • 基于硬件的时钟门控技术
  • 硬化的 BRAM 串联
  • DSP 模块效率
  • 电源优化收发器
7 系列
(28nm)
VNOM
UltraScale
(20nm)
VNOM
UltraScale+
(16nm)
VNOM
UltraScale+
(16nm)
VLOW
工作电压 (VCCINT) 1V 0.95V 0.85V 0.72V
标准化结构性能 1.0x 1.2x 1.6x 1.2x
标准化总功耗 1.0x 0.7x 0.8x 0.5x
性能功耗比 1.0x 1.7x 2x 2.4x

7 系列 FPGA & Zynq-7000 SoC

7 系列器件是独有的采用高性能低功耗工艺 (28HPL) 生产的 28 纳米 FPGA 及 SoC,与前代产品系列相比,总体功耗锐降 50%,与同类竞争 28 纳米解决方案相比,可提供优异的性能功耗比。架构与模块级创新包括:

  • 面向静态功效降低的 Dynamic Function eXchange
  • 多模式 I/O 控制
  • 智能时钟门控技术
  • 电源分级和电压缩放

查看基准报告以及详细基准工艺

供电解决方案

优化的供电解决方案

电源管理需求多种多样,而且特定使用案例的需求通常是独一无二的。因此,没有统一的电源管理设计能够提供优化的解决方案。Xilinx 与业界领先的电源管理公司(如下所列)合作,提供映射常见使用案例的各种参考设计以及有关 Xilinx 产品电源需求的整体指南

硬件验证的电源解决方案

硬件验证的电源参考设计旨在符合目标器件或器件系列的所有 Xilinx 电源规范。验证的硬件可确保电源解决方案已经过专门构建和测试,符合 Xilinx 电压、电流及排序规范。性能数据和设计文件由电源供应商提供,可加速您的设计过程

非硬件验证解决方案

非硬件验证解决方案旨在符合 Xilinx 所有电源规范,并符合目标器件或器件系列的要求。虽然没有经过硬件验证,但产品说明书规范可为他们提供保证。

硬件验证参考设计
非硬件验证参考设计
供应商 参考设计 ACAP 系列 电源轨分组
MPS 尺寸和效率优化设计 高级 最小导轨、完整电源管理
Maxim Integrated 具有 PS Overdrive 的多相 PoL 设计 高级 Minimum Rails
Analog Devices, Inc Highly Integrated & Optimized Power Delivery Solution 高级 全功耗管理 (Full Power Management)
硬件验证参考设计
供应商 参考设计 器件系列 目标器件
Infineon Xilinx ZCU111 评估板 RFSoC Gen 1 ZU21 -ZU29
Monolithic Power Systems EVREF0102A - RFSoC 模拟电源模块板
RFSoC Gen 1 ZU21 - ZU29
Intersil-Renesas ISL8024DEMO2Z - RFSoC 模拟电源模块板 RFSoC Gen 1 ZU21 - ZU29
非硬件验证参考设计
供应商 参考设计 器件系列
目标器件
Monolithic Power Systems
使用电源模块的尺寸优化解决方案
RFSoC Gen 1 ZU21 - ZU29
具有内部排序功能的高度集成型解决方案 RFSoC Gen 1 ZU21 - ZU29
尺寸优化的模块化电源解决方案 RFSoC Gen 2, RFSoC Gen 3 ZU39 - ZU49
效率优化的分立式电源解决方案 RFSoC Gen 2, RFSoC Gen 3 ZU39 - ZU49
支持 PMBus 的模块化电源解决方案 RFSoC Gen 2, RFSoC Gen 3 ZU39 - ZU49
硬件验证参考设计
供应商 参考设计 产品系列 目标器件
Intersil/Renesas Xilinx VCU128 评估板 Virtex UltraScale+ VU37P/VU19P1
Monolithic Power Systems 面向 Kintex UltraScale+、基于区域优化模块的解决方案 Kintex UltraScale+ 所有 KU+
高功率密度的分立式解决方案 Virtex UltraScale+ VU19P-VU57P
使用模块的全面集成型解决方案 Virtex UltraScale+ VU19P-VU57P
ABB 基于可扩展模块的 Virtex UltraScale + 解决方案 Virtex UltraScale+ VU37P
Cyntec

基于可扩展模块的 Virtex UltraScale + 解决方案

Virtex UltraScale+

VU37P

非硬件验证参考设计
供应商 参考设计 产品系列 目标器件
Monolithic Power Systems 效率优化的供电解决方案 Virtex UltraScale+ VU3P-VU13P、VU31P-VU37P
尺寸优化的供电解决方案 Virtex UltraScale+ VU3P-VU13P、VU31P-VU37P
尺寸或效率优化的供电解决方案 Virtex UltraScale+ VU19P、VU27P/29P、VU47P/49P、VU57P
集成型定序供电解决方案 Kintex UltraScale+ KU3P-KU15P
尺寸优化的供电解决方案 Kintex UltraScale+ KU3P-KU15P
硬件验证参考设计
非硬件验证参考设计
供应商 参考设计 产品系列 目标器件
Monolithic Power Systems 支持可扩展 VCCINT 的尺寸优化型电源模块解决方案 Kintex UltraScale KU025-KU115
ST Microelectronics XQRKU060 功耗管理参考设计 Kintex Ultrascale XQRKU060
硬件验证参考设计
供应商 参考设计 产品系列 目标器件
TDK 面积优化的供电解决方案 Artix UltraScale+ 所有 AU+
非硬件验证参考设计
供应商 参考设计 产品系列 目标器件
Monolithic Power Systems 成本与尺寸优化的供电解决方案  Artix UltraScale+ 所有 AU+
Analog Devices, Inc Low Cost, Minimum Rails Solution Artix UltraScale+ 所有 AU+

注:所有解决方案均由具体电源厂商负责。请联系适当的电源厂商,了解供货情况等更多详情。

上传您的 Xilinx 功耗估算 (XPE) 以获得推荐的解决方案

网络研讨会和应用说明

供电工具

Xilinx 的供电合作伙伴提供直观的工具来加速电源设计、上市时间和 PDN 仿真,以确保可靠和最佳的供电性能。您可以将 Xilinx 电源文件上传至选定的供应商工具中,以实现无缝的功率估算流程,从而定义您的供电解决方案。

供应商 说明 特性
Flex Power Modules Flex Power 设计者工具 供电设计和仿真
导入 XPE 文件
ProGrAnalog LoadSlammer PDN 验证工具 硬件中供电网络的评估/验证
Renesas PowerCompass 多负载配置器和 iSim CAD、供电设计和仿真导入 XPE、XML 和 PWR 文件

注:所有工具均由具体电源厂商负责。有关如何使用的更多信息和说明,请咨询相应的电源供应商。

电源管理公司

分销合作伙伴

热设计

热设计:

低估应用散热设计限制在应用类型与终端市场之间有很大的不同,高环境中较低功耗的设计可能会出现同样的散热挑战,因为明显更低环境中的高功率设计,因此怎么理解系统局限性,是一款产品成功与否以及低成本与否的关键,因为超安全标准设计一款散热解决方案,会为设计带来超低成本和超低复杂性。

为此,Xilinx 为所有当前器件提供 DELPHI 散热模型,这些都支持 Siemens FlothermAnsys IcePak

*Versal ACAP 模型(即将推出)

Xilinx U280 气流及热图仿真
Xilinx U280 气流及热图仿真
Xilinx U50 热图仿真
Xilinx U50 热图仿真

散热仿真是电路板设计中的一个关键步骤,正如电路板方法流程图中所示,最初估计的结果应该用于散热解决方案的验证。

board-methodology-process-chart

散热设计合作伙伴

并不是所有的客户都能获得散热仿真工具或资源来运行散热仿真,通过 Xilinx 联盟计划,您可以联系具有散热设计能力的合作伙伴

封装选择

器件选择的一个重要部分是为成功的散热设计选择适当的封装。现已供货的 Xilinx 器件提供多种封装类型,可满足不同客户的需求,但从散热角度来看,无盖包装可提供最好的散热性能,Xilinx 器件采用以下封装提供:


裸片 — 封装标识 (SB/VB)

  • B”表示裸片,S 表示 0.8 毫米,而 V 则表示 0.92 毫米的封装间距

有盖封装 — (SF/VF)

  • F”表示锻造的的盖子,S 表示 0.8 毫米,而 V 则表示 0.92 毫米的封装间距

无盖封装 (VS/LS)

  • “S”表示加强环,V 表示 0.92 毫米,而 L 则表示 1 毫米的间距
  • 提供最佳散热性能


无盖突出封装 (VI)

  • I”表示带封装开销的加强环(封装衬底大于 BGA 封装)
  • V”表示 0.92 毫米的封装间距
  • 提供最佳散热性能
技术文档

技术文档

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工具

电源效率

Xilinx 提供最佳工具大幅降低预实现功耗,在每个设计阶段优化最低功耗,并提供面向用户控制优化的扩展分析。以下列出一系列 Xilinx 领先的功耗类硬件和软件工具,帮助设计人员即刻轻松入门。

培训 & 支持
视频

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