下一代復(fù)雜系統(tǒng)的天作之合：Altera EM1130電源解決方案

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，創(chuàng)新的基石是什么?很多工程師會說：處理器。確實(shí)，即使有再多好的想法，編寫最智能的算法，沒有好的處理器去承載，也無從做起。而隨著系統(tǒng)核心器件，如FPGA、MCU等性能不斷增加，其所消耗的功耗越來越大，例如高性能FPFA內(nèi)核電流動輒幾十安培，電壓卻很低。因此電源管理的重要性被提到了前所未有的高度，其好壞直接關(guān)系到復(fù)雜、精密的系統(tǒng)能否使用。

　　從去年開始，Altera一直勵志為自己打造第4個十年的好開端，相繼發(fā)布了3款“第10代”FPGA及SoC產(chǎn)品系列：Arria 10、Stratix 10以及MAX 10。所謂“好馬配好鞍”，性能優(yōu)異的“第10代”器件也需要搭配更好的電源解決方案，以讓其能夠更好地在系統(tǒng)中運(yùn)行。在2013年Altera就收購了電源技術(shù)創(chuàng)新者Enpirion公司，回頭看這個事件，就知道原來這都是在為Altera高性能FPGA及其在高端領(lǐng)域的應(yīng)用布局。

　　近日，Altera推出了EM1130，它是負(fù)載電流為30 A高度集成的電源模組，也是Enpirion電源解決方案產(chǎn)品的第一款數(shù)字PowerSoC DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器。其適用于Altera的第10代FPGA和SoC——特別是Arria 10和Stratix 10 FPGA內(nèi)核以及收發(fā)器電源軌，是Altera致力于為可編程邏輯市場帶來前所未有的最優(yōu)電源解決方案的重要里程碑。Altera公司全球業(yè)務(wù)總監(jiān)Patrick Wadden先生從風(fēng)雪交加的美國波士頓來到馬上要春暖花開的北京，與Altera中國區(qū)Enpirion產(chǎn)品高級業(yè)務(wù)經(jīng)理張偉超先生一起向記者介紹了EM1130的特別之處。

　　圖1 Altera公司全球業(yè)務(wù)總監(jiān)Patrick Wadden先生(左)

　　與Altera中國區(qū)Enpirion產(chǎn)品高級業(yè)務(wù)經(jīng)理張偉超先生(右)

　　滿足復(fù)雜系統(tǒng)需求：效率、精度、波紋

　　Wadden先生表示：“FPGA和SoC不斷發(fā)展，在可編程架構(gòu)中增加了混合信號功能，實(shí)現(xiàn)了以前無法企及的系統(tǒng)級性能。設(shè)計(jì)人員的挑戰(zhàn)包括，能否滿足嚴(yán)格的FPGA電源軌需求，滿足系統(tǒng)功耗和散熱預(yù)算的限制，構(gòu)建魯棒而又可靠的系統(tǒng)，符合預(yù)算要求按時完成項(xiàng)目，滿足電路板和系統(tǒng)對功能和性能的要求。EM1139在效率、精度、波紋、尺寸、散熱性等方便都滿足了系統(tǒng)的需求，甚至超越了需求。”

　　EM1139的效率高達(dá)89%，其轉(zhuǎn)換效率是同類產(chǎn)品中最高的，其效率比其他方案高3%~6%，系統(tǒng)功耗降低了1 W以上。Wadden先生解釋到：“效率提高1%相當(dāng)于節(jié)省270 mW的功耗，而如果節(jié)省1 W的功耗，一年的運(yùn)營成本最多將節(jié)省30美元。對于大的數(shù)據(jù)中心而言，一年就可以節(jié)省百萬美元。”

　　Altera高性能FPGA與競爭對手相比的一個最大優(yōu)勢是高速接口，而高速接口除了對電流有要求，對波紋要求也很高。下一代工藝節(jié)點(diǎn)(如20 nm、16 nm)使得內(nèi)核電壓下降到1 V，精度對內(nèi)存、處理器是很重要的指標(biāo)。EM1130輸出波紋小于8 mVP-P，滿足±30 mV FPGA容限，EM1130的輸出精度小于0.5%，極低的輸出波紋與輸出精度相結(jié)合，保證了無縫工作， 也正好滿足了Arria 10、Stratix 10等高性能FPGA高速接口的需求。此外，EM1130支持快速瞬變響應(yīng)，去掉了大體積而且昂貴的體電容，偏差在±35 mV，且不會影響FPGA速度。

　　張偉超先生補(bǔ)充到：“ EM1130有一個均流總線(CSB)，其速度高達(dá)500 Mb/s，而競爭對手的產(chǎn)品一般只有250 Mb/s，這滿足了快速動態(tài)響應(yīng)的需求。”

　　圖2 EM1130的波紋和快速瞬變響應(yīng)仿真圖

　　下一代系統(tǒng)的天作之合

　　由于是針對Altera高性能FPGA/SoC器件而設(shè)計(jì)的，因此在已有的低功耗特性基礎(chǔ)上，如果再使用EM1130就會有更加出色的表現(xiàn)。Wadden先生舉例到：“Arria 10內(nèi)部有一個叫做SmartVoltage ID(SmartVID，即最佳工作電壓)的標(biāo)簽，當(dāng)EM1130與Arria 10接通時，會自動讀取SmartVID的值，實(shí)現(xiàn)最佳核電壓供電，精度達(dá)0.5%，從而實(shí)現(xiàn)更好的低功耗特性。同樣的Arria 10，在使用EM1130后，功耗降低40%。而傳統(tǒng)的方法是手動設(shè)置最佳工作電壓。由于工藝、封裝、尺寸的不同，不同的Altera FPGA有不同的最佳工作電壓，EM1130都能精確自動讀取。”

　　Altera支持智能系統(tǒng)以峰值性能工作。下圖是一個典型的智能系統(tǒng)架構(gòu)圖，EM1130能讀取輸出電壓/電流、溫度和故障狀態(tài)，設(shè)置輸出電壓、故障報(bào)警和錯誤水平，提高了系統(tǒng)可靠性，縮短了停機(jī)時間。而競爭產(chǎn)品需要加外部組件才能做到。EM1130的遠(yuǎn)程監(jiān)測和PMBus兼容接口進(jìn)一步優(yōu)化了系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高精度遠(yuǎn)程監(jiān)測，相對于DCR監(jiān)測提高了4倍。Wadden先生說到：“Altera解決方案簡化了系統(tǒng)管理，而精度越高，設(shè)計(jì)人員的信心也倍增，這也很重要。”

　　圖3 智能系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　靈活的小幫手

　　EM1130采用Dr MOS技術(shù)(驅(qū)動+MOSFET)，內(nèi)部有4層，每層都敷了一層銅，以實(shí)現(xiàn)很好的散熱性。EM1130實(shí)現(xiàn)了密度最高的集成引腳布局，面積不到其他解決方案的一半，總面積只有360 mm2 。它是一個完整的解決方案，在系統(tǒng)中使用時，唯一需要的就是一個輸入和輸出電容，能幫助用戶減少40%的板上面積。

　　EM1130可以在提供可靠性的同時簡化設(shè)計(jì)。其提供了最先進(jìn)而且使用非常方便的數(shù)字可編程和控制功能。其自動數(shù)字環(huán)路補(bǔ)償功能彌補(bǔ)了由于模擬器件性能不斷下降而帶來的影響，不論工作條件怎樣變化，都能夠提供魯棒的解決方案。此外，圖形用戶界面(GUI)簡化了測試和配置，支持更快更簡單的開發(fā)過程。用戶幾分鐘就可以完成EM1130的測試和配置，或者從8個預(yù)設(shè)的個性化設(shè)置中選擇一個。

　　Wadden先生表示EM1130的設(shè)計(jì)靈活性是難以置信的：“擴(kuò)展解決方案支持EM1130并行運(yùn)行，最多可連接6個EM1130，這樣最大內(nèi)核邏輯電流就達(dá)到180 A(30 A×6),實(shí)現(xiàn)一種解決方案滿足多種需求和平臺。”

　　下一代復(fù)雜系統(tǒng)用傳統(tǒng)模擬器件提供電源將越來越難，極端情況下可能導(dǎo)致系統(tǒng)不能開啟，EM1130完全有能力替代之前的器件。Wadden先生透露：“讓FPGA系統(tǒng)更好，讓FPGA設(shè)計(jì)過程更簡單，讓參考設(shè)計(jì)更易于使用，這三點(diǎn)是Altera推出EM1130的初衷。我們對于計(jì)算、存儲和通信市場這類高端應(yīng)用有很高的期望，希望EM1130在這些領(lǐng)域能夠被客戶大規(guī)模采用。即使這些客戶的主控制器是MCU或者其他ASIC，也能夠享受EM1130帶來的高效和低功耗等卓越性能。”