May. 18, 2021

Intel EM2xxx系列電源模組於 FPGA的電源方案

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由於近年來科技進步日新月異，英特爾公司（Intel Corporation）, 通稱 Intel，一直以來致力於研發創新的電源方案。從簡單的單輸出電源至整個系統的核心電源都有相關涉獵和研發。 在新一代的Intel FPGA架構下，Intel開啟了新的FPGA電源架構(Smart Voltage ID)，通稱SmartVID。有別於 x86架構下的 Serial VID，此技術可透過FPGA自動控制電源晶片輸出電壓在0.8 V-0.95 V間。在使用VID的這種情況下，設備可在低於標準核心電壓的情况下運行以節省電力、降低功耗。

foaf:image 圖1. FPGA 內部靜態電流和動態電流比較圖

一般而言，FPGA是屬於高性能自由編成的裝置，會依據客戶所使用的編碼會有不同的耗電流，除了靜態電流外，動態電流的大小也是不可忽略的一塊，這也是一般使用者容易忽略的部分。

foaf:image 圖2. 經Intel SmartVID 調節後所能節省的能源

FPGA實屬高性能的裝置，一般都是100%的工作週期，但是近年來節能減碳的意識抬頭，大家對於電力的節約也越來越講究，所以在FPGA長時間未接受到指令，或是負載較輕的狀態下，SmartVID 可利用調整電壓去達到節能的效果。

foaf:image 圖3. Intel SmartVID 結構

此處我們可以清楚看到結構圖，FPGA可透過SmartVID去針對外部電源，做電壓控制，以達到節能的效果。

foaf:image 圖4. Intel FPGA SmartVID Controller Follow Chart

在FPGA內部會透過內部程式的判斷讀取包括 Rest, Start Operation, VID_ack, SmartVID Controller Enable, VID Code 0x30..., 等訊號去判斷運行，然後透過VID去控制外部的Power Controller。

figure-5.jpg 圖5. Intel FPGA SmartVID Controller System with Arria 10 Device

此處我們用Arria 10 FPGA來做一個實例，如上面的方塊圖示所示，Arria10 內部的結構圖，我們就可以清楚的看出FPGA是透過內部的Task Manager 讀取Temperature Sensor, JTAG Block, Avalon-MM 這些外部訊息的傳遞，然後Task Manager再透過SmartVID去控制 Power Controller來調整Core電壓的準位，以達到輕負載、低功耗的需求。

 

當然需要有這樣的一個功能的前提，就是需要安裝有支援SmartVID的Power Controller 才有辦法做到。市面上多數的Power controller大都是支援x86系統的晶片，如果沒注意到其應用在FPGA端，可能就無法正常輸出，所以在Power Controller的選用上，要特別去注意該晶片是否有支援SmartVID的功能。

 

為滿足INTEL FPGA電源需求，Intel 依據INTEL FPGA晶片特性，推出一系列高功率且高集成的電源模組來支援INTEL FPGA的市場。

 

foaf:image 圖6. Intel開發一系列針對FPGA SmartVID 的產品
料號EM2120QIEN2130QIEM2140QIEM2260QIEM2280QI
輸入電壓4.5V~16V4.5V~16V4.5V~16V4.5V~16V4.5V~16V
輸出電壓0.7V~5V0.7V~3.6V0.7V~1.325V0.5V~1.3V0.5V~1.3V
輸出電流20A30A;40A60A80A
晶片空間11x17x6.7611x17x6.7611x17x6.7618 x 23 x 518x23x6.8
支援SmartVIDyesyesyesyesyes
數位控制yesyesyesyesyes

Intel EM2xxx系列電源模組除了支援FPGA SmartVID 功能外，本身也是數位式的控制介面，可以透過GUI讀取Power Device內部的資訊，讓使用者輕鬆監控電源的工作狀態，也能在發生問題時，快速釐清錯誤狀態。

foaf:image 圖7. 實體產品應用- Intel® 加速卡使用 Intel 電源模組。

技術優勢：

  • 低噪聲、低EMI干擾和快速的瞬態響應，大大程度減少輸出電容數量
  • 高集成、整體空間較小，實現大功率且高集成密度，縮短設計週期)
  • 效率高、無需額外加散熱裝置
  • 外部零件少，增加可靠度

方案規格：

  • 通訊協定：PMBus / SmartVID
  • 高集成、整體空間較小，實現大功率且高集成密度，縮短設計週期)
  • 工作頻率：500K, 800K, 1333K
  • 保護機制：Vin OV/UV, Vout OV/UV/OC/OT

參考文獻

[1] Altera, SmartVID Controller IP Core User Guide, https://www.intel.com/content/dam/www/programmable/us/en/pdfs/literature/ug/archives/ug-smartvid-15.1.pdf?wapkw=SMART%20VID

 

[2] Intel, Intel Enpirion Power Solutions, https://www.intel.com/content/www/us/en/power/programmable/overview.html

 

[3] intel, Introducing the Intel® Vision Accelerator Design with Intel® Arria® 10 FPGA, https://www.intel.com/content/dam/www/programmable/us/en/pdfs/literature/wp/intel-vision-accelerator-design-with-FPGA-wp.pdf