使用低功耗組件的高功率非電池供電系統(tǒng)如何有益

您是否曾經(jīng)被問過您的應(yīng)用程序是否應(yīng)該在低功耗的組件上運(yùn)行？是管理層還是半導(dǎo)體供應(yīng)商？也許您認(rèn)為“我的應(yīng)用程序不是電池供電的”，或者您的應(yīng)用程序中還有其他組件的功耗要高得多，因此“低功耗”與您不是很相關(guān)。

我邀請(qǐng)您從總擁有成本的角度再次考慮該主題。您很有可能以意想不到的方式從更低的功耗中受益。我們將介紹并討論使用PolarFire場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）或PolarFire? SoC等低功耗組件的高功率非電池供電系統(tǒng)如何有益，并可能降低風(fēng)險(xiǎn)并節(jié)省資金。

為什么功耗在所有系統(tǒng)中都很重要

在過去幾年中出現(xiàn)了一個(gè)共同的話題：在小功率包絡(luò)下對(duì)計(jì)算性能的需求。這種發(fā)展的一部分是FPGA從膠水邏輯轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)的中心。這些計(jì)算高效的硬件架構(gòu)具有固有的靈活性，允許用戶根據(jù)自己的要求定制硬件解決方案。

這種靈活性可以服務(wù)于廣泛的應(yīng)用，包括汽車（生產(chǎn)，而不僅僅是原型設(shè)計(jì)）、工業(yè)、醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)、航空以及航空航天和國(guó)防等。一些示例應(yīng)用包括電力驅(qū)動(dòng)的電機(jī)控制、內(nèi)燃機(jī)上非常精確同步的噴射控制、LiDAR 或 4D 雷達(dá)等智能傳感器以及從手持式超聲到大型磁共振斷層掃描 （MRT） 或 X 射線的診斷醫(yī)療設(shè)備。

可用性能的上升是由摩爾定律推動(dòng)的;然而，這也以數(shù)字電路中的更多能量直接轉(zhuǎn)化為熱量為代價(jià)。讓我們回到“我的應(yīng)用程序不是電池供電的，因此功耗不是很相關(guān)”的初始點(diǎn)，因?yàn)橛?jì)算操作會(huì)提高組件的溫度：

如果電子元件在給定的操作任務(wù)中具有更高的功耗，那么它也會(huì)產(chǎn)生更多的熱量。因此，可能需要更多冷卻。

您有哪些冷卻選擇？散熱器、風(fēng)扇，甚至水冷？

所有這些有什么共同點(diǎn)？它們是在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中需要額外努力的附加組件，并可能增加潛在故障的來源。例如，粉絲因失敗而臭名昭著。通過選擇高度關(guān)注低功耗和隨后降低冷卻需求的架構(gòu)和設(shè)備，您可以潛在地降低系統(tǒng)成本和系統(tǒng)工作量。簡(jiǎn)化和減少的冷卻系統(tǒng)可以減小設(shè)備的物理尺寸，降低材料成本，并允許您根據(jù)需要以更小的外形尺寸進(jìn)行構(gòu)建。通過簡(jiǎn)化冷卻系統(tǒng)節(jié)省的系統(tǒng)成本可能非常可觀。Microchip估計(jì)物料清單（BOM）成本節(jié)省高達(dá)1.50美元/瓦。

如果FPGA位于系統(tǒng)中單獨(dú)的高功耗設(shè)備旁邊，數(shù)十瓦甚至更多功率被轉(zhuǎn)化為熱量，并且無論如何都可能需要大型冷卻系統(tǒng)，那么系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否仍會(huì)受益于低功耗設(shè)備？當(dāng)然，是的！

以給定的冷卻系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)專為其他組件產(chǎn)生的大量熱量而設(shè)計(jì)。在這種情況下，F(xiàn)PGA通常只是作為側(cè)面組件進(jìn)行冷卻。在本例中，F(xiàn)PGA保持在指定的溫度范圍內(nèi)被視為“足夠好”。但是，自發(fā)熱較低的FPGA仍然可以在以下方面受益：

它在電路板上的位置可能更容易，因?yàn)椴恍枰冻龊艽蟮呐硎蛊淇拷鋮s系統(tǒng)并在其溫度范圍內(nèi)

通過在較低的溫度下工作，還可以減少FPGA的老化。FPGA 的溫度越低，其老化速度越慢，平均故障時(shí)間 （MTTF） 也隨之增加。

MTTF和隨之而來的FIT率（及時(shí)失效）真的有那么大的問題嗎？

電子行業(yè)的一個(gè)常見經(jīng)驗(yàn)法則是，降低 10°C 會(huì)使半導(dǎo)體器件的 FIT 速率減半。沒什么大不了的，你說。讓我們?cè)谶@后面放一些數(shù)字。

Microchip在Microchip PolarFire SoC和基于SRAM的競(jìng)爭(zhēng)性FPGA SoC上實(shí)現(xiàn)了相同的設(shè)計(jì)。在這兩款器件上，使用供應(yīng)商特定的功耗估算工具執(zhí)行熱掃描，其θ結(jié)環(huán)境溫度相同，為8.2°C/W，所得器件結(jié)溫記錄如下：

在50°C的環(huán)境溫度下，PolarFire SoC的結(jié)溫為70°C。 基于SRAM的FPGA SoC最終溫度為109°C，已經(jīng)超出了工業(yè)溫度等級(jí)，我們將暫時(shí)忽略。

接近40°C的溫差對(duì)設(shè)備故障的可能性有什么影響？

使用Arrhenius生命周期高溫（HTOL）［1］模型，假設(shè)兩個(gè)器件的測(cè)試時(shí)間相等，可以顯示這一點(diǎn)（為簡(jiǎn)單起見，我們繪制了FIT速率與結(jié)溫的關(guān)系）：

PolarFire SoC的MTTF約為10 FIT?；赟RAM的SoC具有大約107 FIT，這是一個(gè)顯著的差異。

這是什么意思？首先，1 FIT 是 10^9 小時(shí)內(nèi)的一次失敗，因此大約 114.000 年內(nèi)一次失敗。10 FIT 是 10^10 小時(shí)內(nèi)的 9 次失敗，因此 10 年內(nèi)有 114.000 次失敗。使用一臺(tái)設(shè)備，您可能不會(huì)真正關(guān)心。但是，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)適用于此處;更多的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備將縮短時(shí)間，直到您可以預(yù)期看到故障。下表顯示了在這種情況下，基于PolarFire SoC的10 FIT和其他基于SRAM的SoC的107 FIT，體積如何影響預(yù)期的故障數(shù)：

結(jié)果：降低組件溫度，以降低現(xiàn)場(chǎng)故障次數(shù)。

說到現(xiàn)場(chǎng)故障：如果您正在構(gòu)建涉及功能安全的設(shè)計(jì)，則故障率在您與指定機(jī)構(gòu)（如 exida、TüV 或 SGS-TüV）的互動(dòng)中更為重要。像FPGA一樣，顯示系統(tǒng)及其主要電子元件的較低FIT率可以簡(jiǎn)化安全認(rèn)證過程。

對(duì)于那些想知道Microchip的FPGA功耗顯著降低的信息是否屬實(shí)的人：是的，確實(shí)如此。

Microchip在MPF300-EVAL-KIT上實(shí)現(xiàn)了多種設(shè)計(jì)，其中PolarFire MPF300T作為FPGA和另一家供應(yīng)商的類似電路板。這些測(cè)試設(shè)計(jì)被加載到電路板上，時(shí)鐘、邏輯、片上RAM和收發(fā)器在這兩種情況下都以相同的方式進(jìn)行。溫度穩(wěn)定后，使用熱像儀同時(shí)讀取電路板及其主要組件，如下圖所示：

MPF300-EVAL-KIT（右）和其他供應(yīng)商板（左）的并排比較清楚地顯示了Microchip PolarFire FPGA的熱優(yōu)勢(shì)。在大約30°C的室溫下，PolarFire設(shè)備保持在45°C左右，沒有任何散熱器。另一個(gè)帶有無源散熱器的設(shè)備達(dá)到了 60°C。

結(jié)論

注意降低功耗，即使對(duì)于非電池供電的系統(tǒng)，也會(huì)對(duì)開發(fā)人員通常關(guān)心的“三巨頭”產(chǎn)生重大影響。

1）降低風(fēng)險(xiǎn)：

通過選擇Microchip FPGA或SoC，您可以通過移除風(fēng)扇或復(fù)雜而昂貴的散熱器來簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這可以簡(jiǎn)化開發(fā)并降低項(xiàng)目中的風(fēng)險(xiǎn)。

2）省錢：

使用更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，您通常擁有更少的組件，因此，開發(fā)時(shí)間和測(cè)試時(shí)間更短。對(duì)于開發(fā)人員來說，這可以節(jié)省大量資金！由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備更可靠，減少維修或客戶退貨也可以節(jié)省大量資金。

3）賺錢：

如果您正在處理給定的功率預(yù)算，您還可以扭轉(zhuǎn)局面，將更多功能添加到您的系統(tǒng)中，作為“每瓦功能”。系統(tǒng)中的更多功能也可能意味著您的客戶可能需要的更多功能，并可以為您帶來更多收入。

總而言之，Microchip FPGA 和 SoC 是構(gòu)建低功耗系統(tǒng)并滿足項(xiàng)目“三大”需求的理想之選。而且，如圖所示，低功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電池壽命。

審核編輯：郭婷