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圧倒的なシステムレベルでの
消費電力削減

システムレベルでの圧倒的な消費電力削減

ザイリンクスはシリコン プロセスや省電力アーキテクチャを慎重に選定し、Spartan-6、7 シリーズ、UltraScale™、および UltraScale+™ FPGA/SoC を含むすべての製品ポートフォリオで電力の効率化を実現しています。世代を追うごとに、プロセス技術、アーキテクチャの革新、高度な電力制御、高度なソフトウェア最適化など、消費電力を削減するためのさまざまな機能が拡充されています。機能、シリコン プロセスの特長、ベンチマーク比較の詳細をポートフォリオ別に示します。消費電力の見積もり、熱モデル、ソフトウェアでの完全なサポート、デモ ボードは、全ファミリで対応しています。

UltraScale+ FPGA

高性能で低消費電力の半導体プロセス (TSMC 社の 16nm FinFET+) を採用している UltraScale+ デバイスは、7 シリーズ FPGA や SoC よりもデバイスレベル消費電力を最大 60% 削減できます。アーキテクチャの革新は次のとおりです。

  • ハードウェアベースのクロック ゲーティング
  • ハード化された BRAM のカスケード接続
  • DSP ブロックの効率
  • 消費電力の削減に最適化されたトランシーバー

アーキテクチャの革新およびコア ファブリックのデュアル電圧動作によって消費電力を削減すると同時に性能を向上させることで、UltraScale+ ファミリは 7 シリーズ ファミリよりも、単位ワットあたりの性能を 2 倍以上向上させることができます。

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Zynq UltraScale+ MPSoC

UltraScale+ FPGA ロジックの消費電力削減機能のほかにも、Zynq UltraScale+ MPSoC は、プロセッシング システム内の複数の電源アイランドやドメインを利用して、粗粒度/細粒度でダイナミック消費電力を削減するパワー ゲーティングを行うことで、性能要件に応じて消費電力を頻繁に調整してデバイス全体の消費電力を削減します。

UltraScale FPGA

低消費電力の 20nm 半導体プロセスを採用し、スタティック消費電力とダイナミック消費電力を削減するパワー ゲーティング機能を備えた UltraScale FPGA ファミリは、7 シリーズ FPGA よりもデバイスレベルの総消費電力を最大 40% 抑えることができます。UltraScale+ デバイスに適用されているアーキテクチャの革新は次のとおりです。

  • ハードウェアベースのクロック ゲーティング
  • ハード化された BRAM のカスケード接続
  • DSP ブロックの効率
  • 消費電力の削減に最適化されたトランシーバー
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7 シリーズ FPGA および Zynq-7000 All Programmable SoC

高性能かつ低電力なプロセス技術 (28HPL) で構築されたわずか 28nm の FPGA/SoC ファミリの 7 シリーズ デバイスは、前世代ファミリよりも総消費電力を最大 50% 削減でき、競合の 28nm ソリューションよりも優れた性能 (ワットあたり) を実現できます。アーキテクチャおよびブロックレベルの革新は次のとおりです。

  • スタティック消費電力を削減するパーシャル リコンフィギュレーション
  • マルチモードの I/O 制御
  • インテリジェント クロック ゲーティング
  • パワー ビニング、電圧スケーリング

優位性のあるベンチマーク サマリおよびベンチマーク プロセスの詳細を参照してください。

最適化された電力管理ソリューション

電力管理の要件は非常に多様化しており、通常、顧客デザインに特有のものとなります。つまり、1 つの電力管理デザインでは最適なソリューションを提供できません。ザイリンクスは、電力管理を専門とする業界トップの企業と提携して、ザイリンクス製品の電源要件に関するガイダンスを提供しています。以下がその企業です。

電力管理のパートナー企業

販売代理店

以下は、ザイリンクスの電力管理パートナーと共同開発したリファレンス デザイン一覧です。これらのデザインは製品ファミリ別に分かれていますが、通常は変更を加えて、ほかの製品ファミリに適用することが可能です。これらのデザインに関するその他の情報およびアドバイスが必要な場合は、各ベンダーへお問い合わせください。

Zynq UltraScale+ MPSoC

ベンダー リファレンス デザイン ターゲット デバイス
Texas Instruments 社 25-30W リモート ラジオ ヘッド (ユースケース 2) ZU9EG、ZU15EG

Infineon 社

UltraZed フル電力管理を提供する ZU3 ソリューション (ユースケース 4)

ZU3CG/EG

Maxim 社

25-30W リモート ラジオ ヘッド (ユースケース 2)

ZU9EG、ZU15EG

Maxim 社

20W ワイヤレス バックホール (ユースケース 2)

ZU9EG、ZU15EG

Kintex および Virtex UltraScale FPGA

Zynq-7000 All Programmable SoC

7 シリーズ FPGA

ベンダー リファレンス デザイン ターゲット デバイス
Analog Devices 社 Artix-7 ARTY 開発ボード A35T

Linear Technology 社

Artix-7 Basys 3 評価ボード

A35T

注記: これらすべてのソリューションの使用に関しては、各ベンダーの責任となります。詳細情報や入手状況などについては各電力管理ベンダーへお問い合わせください。

Zynq UltraScale+ MPSoC は、プロセッシング システム内の複数の電源アイランドとドメインを利用してコース グレイン (粗い) およびファイン グレイン (細かい) の動的パワーゲーティングを行い、性能要件に応じて消費電力を継続的に調整してデバイス全体の消費電力を削減します。FPGA ファブリックは、UltraScale+ FPGA がベースです。

Zynq UltraScale+ MPSoC は、複数のユーザー プログラマブル プロセッサ、FPGA、および高度な電源管理機能を組み合わせた業界初のヘテロジニアス マルチプロセッサ SoC (MPSoC) です。ARM クラス A アプリケーション プロセッサとクラス R プロセッサをプログラマブル ロジック (PL) と組み合わせて、各プロセッサを異なる電力ドメインで実行することで、設計者は特定の電力/性能プロファイルを持つ適切なプロセッサに、または PL ロジックにタスクを移動させて、要求の厳しいタスクを加速したり、消費電力をさらに削減できます。

近年の高い電力効率が要求されるデザインでは、消費電力を削減するために複数のハードウェア オプションを備えた複雑なシステム アーキテクチャを使用する必要があり、またリソースへの電源投入/電源切断、電源状態遷移の管理など、複数のマスターからのすべての電源管理要求を処理できる特殊な CPU を使用する必要があります。この場合の課題は、業界規格 (IEEEP2415) に準拠し、異なる動作システムを実行している複数の CPU からのすべての要求を処理できるインテリジェントなソフトウェア フレームワークを提供することです。そこでザイリンクスは、プラットフォーム管理ユニット (PMU) による柔軟な電力管理制御をサポートする、電源管理フレームワークを作成しました。

エンベデッド ビジョン、先進運転支援システム、監視システム、ポータブル医療装置、IoT 産業アプリケーションでは、高性能なヘテロジニアス SoC に対する需要が高まっていますが、電力バジェットが厳しいのが現実です。それらの中にはバッテリーで動作するものがあるため、バッテリー寿命が懸念されます。クラウドやデータ センターなどは、環境コストを削減する必要性については言及せずに、冷却コストや電力コストの要求が厳しくなっています。温度が上昇するとバッテリー寿命が短くなり、システム全体の回路に対するストレスが増大するため、信頼性も重要な要素です。これらすべてのアプリケーションは、柔軟な電力管理ソリューションを利用することで大きなメリットがあります。

電力制御で消費電力と性能をトレードオフ

Zynq UltraScale+ MPSoC では、統合されたハードウェアおよびソフトウェアの電力管理ソリューションを使用して消費電力を最適化できます。アプリケーションに応じて、ユーザーはすべてオンの状態にする 2.6W から、RTC の電源を切断する 3µW まで、広範な電力モードを選択できます。

Zynq UltraScale+ MPSoC 電力管理ハードウェア アーキテクチャ

Zynq UltraScale+ MPSoC には 4 つの電力ドメインがあります。

  • 低電力ドメイン (LPD)
  • フル電力ドメイン (FPD)
  • PL 電源ドメイン (PLPD)
  • バッテリー電源ドメイン (BPD)

各電力ドメインは分離できます。LPD のプラットフォーム管理ユニット (PMU) によって、電力ドメインの分離が容易になります。デュアル電圧プログラマブル ロジックによって、2 つのプロファイル (高性能または低消費電力) から選択できます。

Zynq UltraScale+ MPSoC 電力管理ソフトウェア アーキテクチャ

複雑な電力管理はザイリンクスの電力管理フレームワークで抽象化されています。これは、業界規格 (IEEEP2415) に準拠し、異なる動作システムを実行している複数の CPU からのすべての要求を処理できるインテリジェントなソフトウェア フレームワークです。この電力管理フレームワークは、プラットフォーム管理ユニット (PMU) による柔軟な電力管理制御をサポートしています。

主な特長:

ヘテロジニアス マルチプロセッシング システムの設計

  • すべてのデバイスの電源状態管理
  • PMU による電源状態を集中的に管理
  • エンベデッド エネルギー管理インターフェイス API (IEEE P2415)

Linux OS の電力管理をサポート

サードパーティ OS の電力管理機能を直接制御

  • 24 の API が XilPM ライブラリに含まれる
  • プロセッサ ユニットの停止と起動
  • スレーブ デバイス (メモリやペリフェラルなど) の管理

ツール

ザイリンクスは、インプリメンテーション前の消費電力を見積もったり、あらゆる設計段階でできるだけ消費電力を削減するように最適化、さらには広範な解析データを提供してユーザーによる最適化を可能にするクラス最高のツールを提供しています。以下に、すぐに使える業界をリードするザイリンクスの消費電力関連ハードウェア/ソフトウェア ベース ツールを示します。