【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(dāng)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(lǐng)域,同樣也面臨著功耗和發(fā)熱問題帶來的嚴(yán)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(diǎn)問題進(jìn)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(jìn)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(yīng)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(jìn)行模塊劃分,得到功耗模型建立的基本單元;2.對每個(gè)基本單元進(jìn)行功耗模型的建立。模型建立的重點(diǎn)在于提取基本單元的功耗與功耗影響因子間的函數(shù)關(guān)系,本文在提取功耗與功耗影響因子間的函數(shù)關(guān)系時(shí)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(diǎn)以及適用條件,從而在不同基本單元的功耗模型建立時(shí)能夠有針對性的選擇相應(yīng)的算法,兼顧建模的精度和效率問題;3.基于STM32搭建硬件驗(yàn)證系統(tǒng),用于功耗模型的驗(yàn)證和修正,提高模型的精確度。其次,針對FPGA的熱點(diǎn)問題,本文介紹了一種RC網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)間的電壓,將熱學(xué)問題巧妙地轉(zhuǎn)化為電學(xué)問題進(jìn)行處理,從而能夠準(zhǔn)確且快速的計(jì)算芯片的溫度值,采用溫度分布圖像表征芯片上各節(jié)點(diǎn)處的溫度,進(jìn)一步鎖定芯片上可能的熱點(diǎn);基于這一原理,本文提供了基于FPGA芯片實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)功能電路,作為熱分析的實(shí)例,針對這兩個(gè)實(shí)例展開了以下幾點(diǎn)工作:1.詳細(xì)介紹了對具體功能電路進(jìn)行熱分析的步驟;2.采用Hot Spot平臺對功能電路進(jìn)行溫度計(jì)算和仿真,實(shí)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(jié)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(diǎn)分析對于功耗優(yōu)化及低功耗設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用。最后,本文總結(jié)了本研究的內(nèi)容,本研究提出的功耗模型經(jīng)硬件驗(yàn)證系統(tǒng)驗(yàn)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(dú)立功耗評估,因而能夠很好地與FPGA的熱點(diǎn)分析結(jié)合,從而為FPGA的可靠性分析提供有力依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN791

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本文編號：2543703