【摘要】：集成電路在規(guī)模、速度和工藝等方面的飛速發(fā)展,使其當前面臨著前所未有的挑戰(zhàn)——芯片功耗和發(fā)熱帶來的可靠性問題。FPGA作為集成電路的主流產(chǎn)品之一,被廣泛用于對可靠性高度敏感的航空航天領域,同樣也面臨著功耗和發(fā)熱問題帶來的嚴峻挑戰(zhàn),而且這一挑戰(zhàn)在FPGA中更加突出。為了有效解決這一問題,本文針對FPGA的功耗和熱點問題進行了研究和探討。首先,針對FPGA的功耗問題,本文采用了分層策略對FPGA進行功耗模型的建立,從而能夠有效評估FPGA內(nèi)部資源模塊相應的功耗數(shù)值的大小。功耗模型建立的具體方案如下:1.采用分層策略對FPGA內(nèi)部資源進行模塊劃分,得到功耗模型建立的基本單元;2.對每個基本單元進行功耗模型的建立。模型建立的重點在于提取基本單元的功耗與功耗影響因子間的函數(shù)關系,本文在提取功耗與功耗影響因子間的函數(shù)關系時采用了三種不同算法,分別是線性降維擬合算法、非線性降維擬合算法和回歸算法,并分析了這三種算法各自的優(yōu)缺點以及適用條件,從而在不同基本單元的功耗模型建立時能夠有針對性的選擇相應的算法,兼顧建模的精度和效率問題;3.基于STM32搭建硬件驗證系統(tǒng),用于功耗模型的驗證和修正,提高模型的精確度。其次,針對FPGA的熱點問題,本文介紹了一種RC網(wǎng)絡熱模型,該模型基于熱電對偶原理,以熱阻類比電路中的電阻,熱容類比電容,芯片周圍的大氣環(huán)境類比地,發(fā)熱功能部件類比電流源,溫度差類比電路中兩點間的電壓,將熱學問題巧妙地轉(zhuǎn)化為電學問題進行處理,從而能夠準確且快速的計算芯片的溫度值,采用溫度分布圖像表征芯片上各節(jié)點處的溫度,進一步鎖定芯片上可能的熱點;基于這一原理,本文提供了基于FPGA芯片實現(xiàn)的兩個功能電路,作為熱分析的實例,針對這兩個實例展開了以下幾點工作:1.詳細介紹了對具體功能電路進行熱分析的步驟;2.采用Hot Spot平臺對功能電路進行溫度計算和仿真,實現(xiàn)了對芯片裸片及封裝組件的靜態(tài)和動態(tài)溫度分布情況的仿真分析;3.從仿真結果出發(fā),研究了在Hot Spot中提高熱仿真精度的方法;4.指出了熱點分析對于功耗優(yōu)化及低功耗設計的指導作用。最后,本文總結了本研究的內(nèi)容,本研究提出的功耗模型經(jīng)硬件驗證系統(tǒng)驗證,其精度小于10%,模型既可用于FPGA系統(tǒng)的總功耗評估,又可用于FPGA內(nèi)部資源模塊的獨立功耗評估,因而能夠很好地與FPGA的熱點分析結合,從而為FPGA的可靠性分析提供有力依據(jù)。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN791

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本文編號：2543703