Vivado Design Suite
ユーザー ガ イ ド
消費電力解析お よび最適化
UG907 (v2012.4) 2012 年 1 月 10 日
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消費電力解析および最適化
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改訂履歴
次の表に、 こ の文書の改訂履歴を示 し ます。
日付
バージ ョ ン
改訂内容
2012 年 7 月 25 日
2012.2
初版
2012 年 10 月 30 日
2012.3
Vivado™ Design Suite 2012.3 リ リ ース用にア ッ プデー ト
• XPower Estimator を Xilinx Power Estimator に変更
• Vivado Design Suite の配置前お よ び配置後の消費電力最適化に関す る 情報を追加。詳
細は 第 5 章の 「消費電力最適化の実行」 を参照
• デザ イ ンに正 し く 制約を付け る こ と で Vivado 消費電力最適化で消費電力を最大限
に節電す る 情報を追加。 詳細は、 第 5 章の 「消費電力最適化を使用 し た消費電力の
最大限の削減」 を参照
• [Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス の [Input Files] タ ブに関す る 情報を追加。 こ の タ
ブ で は [Report Power] で よ り 正確 な消費電力解析 を 実行す る た め に SAIF ま た は
VCD シ ミ ュ レーシ ョ ン出力フ ァ イ ルを指定可能。 詳細は、 第 4 章の 「デバ イ ス/デ
ザ イ ン設定を確認 し て既知のエ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ テ ィ を調整」 を参照
2012 年 1 月 10 日
2012.4
Vivado Design Suite 2012.4 リ リ ース用にア ッ プデー ト
• [Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス の [Default Activity Rates] タ ブの情報を追加。 詳細
は、 第 4 章の 「デバ イ ス/デザ イ ン設定を 確認 し て既知のエ レ メ ン ト の ア ク テ ィ ビ
テ ィ を調整」 を参照。
• Vivado Design Suite 内で Mentor Graphics 社の ModelSim シ ミ ュ レー タ か ら SAIF フ ァ
イ ルを生成 し て消費電力解析をす る 場合に参照す る ため、 ア ンサー 53544 を追加。詳
細は、 第 4 章の 「解析に使用す る 入力デー タ の指定」 を参照。
• 第 5 章の 「Tcl プ ロ ンプ ト か ら の消費電力レ ポー ト の解析」 の消費電力解析レ ポー ト
の説明を ア ッ プデー ト 。
消費電力解析および最適化
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目次
改訂履歴 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
第 1 章 : FPGA の消費電力
概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
消費電力の用語 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
FPGA の電源 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
FPGA の消費電力 と 全般的な設計プ ロ セ ス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
5
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第 2 章 : ザイ リ ン ク ス消費電力解析ツール
概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ザ イ リ ン ク ス消費電力予測/解析ツール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ユーザー入力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ベ ク タ ー ベース の予測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ベ ク タ ーレ ス予測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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10
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第 3 章 : 消費電力予測手法 : 初期評価段階
概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Xilinx Power Estimator での初期消費電力予測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
第 4 章 : 消費電力予測手法 :
Vivado Design Suite でのデザイ ン フ ロ ー段階
概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
状況説明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
手法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
第 5 章 : Vivado Design Suite での消費電力解析および最適化
概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
消費電力解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
消費電力の最適化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
第 6 章 : 消費電力削減のための ヒ ン ト お よび手法
概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
シ ス テ ム レベル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
デザ イ ン レベル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
付録 A : その他の リ ソ ース
ザ イ リ ン ク ス リ ソ ース . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
ソ リ ュ ーシ ョ ン セ ン タ ー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
参考資料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
消費電力解析および最適化
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第 1章
FPGA の消費電力
概要
こ の章では、ボー ド に搭載 し た FPGA の消費電力の説明で使用 さ れ る 用語を説明 し ます。シ ス テ ム開発におけ る FPGA
の開発について も 説明 し 、 設計フ ロ ーの各段階でど の よ う な操作が実行 さ れ る かを示 し ます。
消費電力の用語
こ のガ イ ド では、 次の用語が使用 さ れます。
静止電流
出力電流負荷、 ア ク テ ィ ブなプルア ッ プ抵抗がな く 、 すべての I/O ピ ンが ト ラ イ ス テー ト 状態で フ ロ ー ト し てい る ブ
ラ ン ク デバ イ ス に よ り 引 き込まれ る電流
デバイ スのス タ テ ィ ッ ク消費電力
接続 さ れてい る すべての電源レールの ト ラ ン ジ ス タ の リ ー ク 電流、お よ び コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン後に FPGA が正常
に動作する ために必要な回路か ら の消費電力。 プ ロ セ ス、 電圧、 お よ び温度の関数で求め ら れ、 デバ イ ス の安定 し た
状態での寄生 リ ー ク 電流を表 し ます。
デザイ ンの消費電力
入力デー タ のパ タ ーンお よ びデザ イ ン の内部動作に よ り 発生す る ユーザー デザ イ ンの消費電力。 瞬間的な も のであ
り 、 各 ク ロ ッ ク サ イ ク ルで異な り ます。 電圧レベル、 使用 さ れ る ロ ジ ッ ク リ ソ ースお よ び配線 リ ソ ース に よ り 決ま
り ま す。 こ れには、 I/O 終端、 ク ロ ッ ク マネージ ャ ー、 お よ び使用時に電力を必要 と す る その他の回路か ら の ス タ
テ ィ ッ ク 電流が含まれます。 オフ チ ッ プ デバ イ ス に供給 さ れ る 電力は含まれません。
オ ン チ ッ プの総消費電力
FPGA 内の消費電力の合計で、 デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力 と デザ イ ンの消費電力を加算 し た も のです。 熱消費
電力 と も 呼ばれます。
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消費電力の用語
オ フ チ ッ プ消費電力
電源か ら FPGA の電源ピ ン を介 し て I/O か ら 放出 さ れ、 外部ボー ド コ ン ポーネ ン ト で消費 さ れ る 電流。 FPGA か ら 供
給 さ れ る 電流は、 通常 I/O 終端、 LED、 ほかのチ ッ プの I/O バ ッ フ ァ ーな ど のオ フチ ッ プ コ ンポーネ ン ト で消費 さ れ、
デバ イ ス のジ ャ ン ク シ ョ ン温度の上昇には関係 し ません。
パワーオ ン電流
FPGA に最初に電源を投入 し た と き に発生す る 過渡電流。 各電圧電源、 FPGA の構造、 電源が公称電圧ま で上昇す る
能力に よ っ て異な り ます。 こ の電流は、 温度、 電源の投入順な ど のデバ イ ス の動作条件に も よ り ます。 アーキ テ ク
チ ャ の向上や、 適切な電源投入順に よ り 、 パ ワ ーオン電流は動作電流 よ り も 通常小 さ く な り ます。
ジ ャ ン ク シ ョ ン温度 (°C)
動作中のデバ イ ス の温度。 デバ イ ス を選択す る 際は、 通常温度グ レー ド を選択 し ます。 こ の温度グ レー ド は、 デバ イ
ス が仕様どお り 正常に動作する 温度範囲を定義 し ます。 動作条件がグ レー ド の最大温度を超え、 絶対最大温度未満で
あ る 場合、 デバ イ ス の動作は保証 さ れません。 絶対最大温度を超え る と 、 デバ イ ス が破損する 可能性があ り ます。
ジ ャ ン ク シ ョ ン温度 = 周囲温度 + 熱消費電力 * 周囲空気に対す る 熱抵抗
周囲温度 (°C)
シ ス テ ムの動作条件下におけ る デバ イ ス周囲の空気の温度。
周囲空気に対する熱抵抗 (Θ JA (°C/W))
Theta-JA、TJA と も 記述 さ れます。FPGA シ リ コ ンか ら 周囲の環境 (デバ イ ス ジ ャ ン ク シ ョ ンか ら 周囲空気) に消費電
力が ど の よ う に放散 さ れ る かを定義する 係数です。 シ リ コ ン チ ッ プの寸法か ら 周囲空気ま でのすべての要素、お よ び
パ ッ ケージ、 PCB、 ヒ ー ト シ ン ク 、 エア フ ロ ーな ど の要素が影響 し ます。 こ れは通常、 発生 し た熱が環境に放散 さ れ
る 次の 2 つの主なパ ス か ら の熱抵抗 と 相互依存性を組み合わせた も のです。
•
ダ イ か ら 上方の空気へ (ジ ャ ン ク シ ョ ンか ら 周囲空気、 ΘJA)
•
ダ イ か ら ボー ド を介 し て下方の空気へ (ジ ャ ン ク シ ョ ンか ら ボー ド 、 ΘJB)
デバイ ス特性
•
Advance
デバ イ ス のデー タ モデルが早期プ ロ ダ ク シ ョ ン デバ イ ス ロ ッ ト か ら のシ ミ ュ レーシ ョ ン結果ま たは計測結果に
基づいてい る こ と を示 し ます。 こ のデー タ は通常、 製品 リ リ ース か ら 1 年以内に入手可能 と な り ます。 消費電力
モデル デー タ は比較的安定 し てお り 、 余裕を持たせた設定ですが、 実際の値は上下す る 可能性があ り ます。 こ の
仕様のデー タ は、 Preliminary や Production 仕様のデー タ ほ ど正確ではあ り ません。
•
Preliminary
デバ イ ス のデー タ モデルがエン ジニ ア リ ン グ サンプル シ リ コ ンの特性評価デー タ に基づいてい る こ と を示 し ま
す。 こ の仕様では、 デバ イ ス フ ァ ブ リ ッ ク 内にあ る ほぼすべてのブ ロ ッ ク が特性評価 さ れてい ます。 Advance 仕
様 と 比較する と 、 消費電力値の精度は高 く な り ます。
•
Production
特定のデバ イ ス フ ァ ミ リ の十分な量産を経た上で特性評価が行われ、多数の生産 ロ ッ ト を対象 と し た完全な電力
相互関係が確立 さ れた後に リ リ ース さ れた こ と を示 し ます。 こ の特性化デー タ のデバ イ ス モデルは、通常変更 さ
れません。
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消費電力の用語
信号レー ト
解析期間中にエ レ メ ン ト の ス テー ト が遷移する 回数を指定 し ます。 こ れは、 立ち上が り エ ッ ジ と 立ち下が り エ ッ ジが
発生 し た回数の合計を示 し ます。 ザ イ リ ン ク ス ツールでは、 秒ご と の遷移数が百万単位で示 さ れます (Mtr/s)。
ト グル レ ー ト
ネ ッ ト や ロ ジ ッ ク エ レ メ ン ト がその入力に対 し て切 り 替わ る レー ト を示 し ます。 パーセン ト で表 さ れます。
•
同期エ レ メ ン ト : 同期エ レ メ ン ト では、 ト グル レー ト は ク ロ ッ ク 入力に対 し て出力が変化す る 頻度を 0 ～ 200%
の値で表 し ます。 ト グル レー ト が 100% の場合、 各 ク ロ ッ ク サ イ ク ルで出力が平均で 1 回 ト グル こ と を示 し 、 有
効出力信号周波数は ク ロ ッ ク 周波数の 1/2 にな り ます。 ト グル レー ト が 200% の場合、 各 ク ロ ッ ク サ イ ク ルで出
力が平均で 2 回 ト グル こ と を示 し 、 有効出力信号周波数は ク ロ ッ ク 周波数 と 同 じ にな り ます。
•
非同期エ レ メ ン ト : ク ロ ッ ク に同期 し ないネ ッ ト や ロ ジ ッ ク な ど の非同期エ レ メ ン ト では、 ト グル レー ト は算出
さ れません。 その場合、 Vivado™ 消費電力解析で ト グル レー ト の列に 「Async」 と 示 さ れます。
ヒ ン ト : 同期エ レ メ ン ト に接続 さ れ る 個々の I/O の ト グル レー ト は、 同期エ レ メ ン ト の イ ネーブル レー ト (通常セ ッ
ト / リ セ ッ ト / ク ロ ッ ク イ ネーブル ポー ト ) に よ り 調整 さ れてい る 可能性があ り ます。
ス タ テ ィ ッ ク 確率レー ト
解析期間中にエ レ メ ン ト が High に駆動 さ れ る 期間の割合を定義 し ます。 こ の レー ト は 「% High」 と も 記述 さ れます。
ク ロ ッ ク バ ッ フ ァ ー イ ネーブル
ク ロ ッ ク バ ッ フ ァ ーが イ ネーブルにな っ てい る 割合の平均値 (%) を示 し ます。
シ ングル/ダ ブル デー タ レー ト
同期 I/O に対 し 、 こ のモジ ュ ールの I/O のデー タ レー ト を示 し ます。
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FPGA の電源
FPGA の電源
FPGA には、 複数の電源が必要です。 各電源では、 さ ま ざ ま な FPGA リ ソ ース で必要にな る 電力が提供 さ れます。 こ
れに よ り 、 異な る 電圧レベルで さ ま ざ ま な リ ソ ース を動作 さ せ る こ と がで き る ので、 ノ イ ズや寄生効果に対 し て高い
耐性を保ちなが ら 、 パフ ォーマ ン スお よ び信号強度を向上で き ます。
表 1-1 に、 各種電源お よ びその電源が供給 さ れ る ザ イ リ ン ク ス FPGA 内の ロ ジ ッ ク リ ソ ース を示 し ます。 こ れ ら の詳
細は、 ザ イ リ ン ク ス デバ イ ス フ ァ ミ リ に よ っ て異な る 場合があ る ので、 こ の表はガ イ ド ラ イ ン と し てのみ示 し てい
ます。
表 1-1 : FPGA リ ソ ース と その電源
電源
VCCINT
および
VCCBRAM(3)
VCCAUX
および
VCCAUX_IO(3)
電源が供給 さ れる リ ソ ース
すべての CLB リ ソ ース
すべての配線 リ ソ ース
すべての ク ロ ッ ク バ ッ フ ァ ーを含む ク ロ ッ ク ツ リ ー全体
ブ ロ ッ ク RAM/FIFO(1)
DSP ス ラ イ ス (1)
すべての入力バ ッ フ ァ ー
IOB に含まれ る ロ ジ ッ ク エ レ メ ン ト (ILOGIC/OLOGIC)(1)
ISERDES/OSERDES(1)
ク ロ ッ ク マネージ ャ ー (MMCM、 PLL な ど) (大部分は Vccaux で供
給 さ れ る ため少量のみを供給)
• MGT の PCIE お よ び PCS 部分
•
•
•
•
•
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•
•
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•
•
•
ク ロ ッ ク マネージ ャ ー (MMCM、 PLL な ど)(1)
IODELAY/IDELAYCTRL(1)
すべての出力バ ッ フ ァ ー
差動入力バ ッ フ ァ ー
VREF ベース のシ ン グルエン ド I/O 規格 (HSTL18_I な ど)
位相器
VCCO
• すべての出力バ ッ フ ァ ー
• 一部の入力バ ッ フ ァ ー
• デジ タ ル制御 イ ン ピーダ ン ス (DCI) 回路 (オンチ ッ プ終端 (OCT))(2)
MGT*
• ト ラ ン シーバーの PMA 回路
注記 :
1. 一部のデバ イ ス フ ァ ミ リ のみに含 まれ ます。 詳細は、 該当す る デー タ シー ト お よ びユーザー ガ イ ド を参
照 し て く だ さ い。
2. バン ク 0 の VCCO (VCCO_0 ま たは V0CCO_CONFIG) は、 バン ク 0 に含ま れ る すべての I/O と コ ン フ ィ ギ ュ
レーシ ョ ン回路に電源を供給 し ま す。 詳細は、 該当す る コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン ユーザー ガ イ ド を参照
し て く だ さ い。
3. ザ イ リ ン ク ス 7 シ リ ーズ FPGA のみ
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FPGA の消費電力 と 全般的な設計プ ロ セス
FPGA の消費電力 と 全般的な設計プ ロ セス
プ ロ ジ ェ ク ト 考案か ら 完成ま で、 消費電力に影響す る さ ま ざ ま な側面を考慮す る 必要があ り ます。 ほかのすべての制
約 (機能、 パフ ォーマン ス、 コ ス ト 、 お よ び タ イ ム ト ゥ マーケ ッ ト ) を一時的に除外する と 、 消費電力に関連す る タ
ス ク は次の 2 つに分類で き ます。
•
物理的
エン ク ロ ージ ャ 、 ボー ド の形状、 電源分配シ ス テ ム、 消費電力の熱に よ る 散逸構造
•
論理的
エ リ ア、 パフ ォーマ ン ス、 I/O イ ン タ ーフ ェ イ ス のシ グナル イ ン テグ リ テ ィ
次の章で、 こ れ ら の 2 つの分野の依存関係を示 し ます。 ただ し 、 前者はハー ド ウ ェ アの決定事項、 後者は主に FPGA
の論理デザ イ ン が関係す る と い う 点が異な り ます。 通常、 ハー ド ウ ェ ア の選択お よ びサ イ ズ設定は、 プ ロ ト タ イ プ
ボー ド を構築で き る よ う 、 デザ イ ン フ ロ ーの初期段階で行い ます。 FPGA の機能に よ る 消費電力への影響は早期に予
測可能で、 デザ イ ン ロ ジ ッ ク が完成に近づ く につれ、 よ り 正確な値が得 ら れ る よ う にな り ます。 図 1-1 に典型的なシ
ス テ ムの設計プ ロ セ ス を示 し 、 消費電力に関連す る 判断箇所をハ イ ラ イ ト し ます。 こ の図では、 デバ イ ス と その冷却
パーツ を選択す る 時点では、 FPGA ロ ジ ッ ク が完成 し ていない こ と がわか り ます。 こ のため、 FPGA ロ ジ ッ ク の消費
電力要件を予測する 手法が必要です。 こ れ ら の手法については、 第 3 章 「消費電力予測手法 : 初期評価段階」 お よ び
第 4 章 「消費電力予測手法 : Vivado Design Suite でのデザ イ ン フ ロ ー段階」 で説明 し ます。
X-Ref Target - Figure 1-1
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図 1-1 : FPGA の設計プ ロ セスにおけ る消費電力
こ の後の章で、 設計プ ロ セ ス全体において消費電力を解析 し 、 削減する 手法を示 し ます。
消費電力解析および最適化
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第 2章
ザイ リ ン ク ス消費電力解析ツール
概要
こ の章では、 FPGA の設計プ ロ セ ス で使用可能な消費電力の予測お よ び解析ツールについて説明 し ます。 デバ イ ス の
リ ソ ース使用量、 コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン、 お よ びア ク テ ィ ビ テ ィ に関す る 情報は、 デザ イ ン サ イ ク ルの初期段階で
は明 ら かではないので、ツールではデフ ォル ト 値が使用 さ れます。デザ イ ンの イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ンの進行に伴い、
ツールに供給で き る 情報が増え、 消費電力予測の精度が高 く な り ます。
ザイ リ ン ク ス消費電力予測/解析ツール
ザ イ リ ン ク ス では、FPGA の温度要件お よ び電源要件をデザ イ ン サ イ ク ルを通 し て評価で き る ツールお よ び資料を提
供 し てい ます。 図 2-1 に、 FPGA の各デザ イ ン サ イ ク ルで使用で き る ツールを示 し ます。 ツールには、 ス タ ン ド ア ロ
ンの も の と イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン ツールに統合 さ れてい る も のがあ り 、後者は設計プ ロ セ ス の各段階で利用で き る
環境お よ び情報 と 一貫 し てい ます。 すべての ツールには通信チ ャ ネルがあ り 、 解析が効率 よ く 行え る よ う に情報を交
換で き ます。
X-Ref Target - Figure 2-1
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図 2-1 : FPGA 設計プ ロ セスで使用で き る Vivado 消費電力予測/解析ツール
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ザイ リ ン ク ス消費電力予測/解析ツール
Xilinx Power Estimator (XPE)
Xilinx Power Estimator (XPE) は、 通常プ ロ ジ ェ ク ト の設計前 と イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン前の段階で使用 さ れ る ス プ
レ ッ ド シー ト 形式の消費電力予測ツールです。 XPE はアーキテ ク チ ャ の評価お よ びデバ イ ス の選択に利用で き 、 ま た
アプ リ ケーシ ョ ンに適切な電源や温度管理コ ンポーネ ン ト の選択に役立ち ます。XPE イ ン タ ーフ ェ イ ス (図 2-2) では、
デザ イ ンの リ ソ ース使用量、 ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト 、 I/O 負荷な ど の さ ま ざ ま な要素を指定で き 、 こ れ ら をデバ イ ス
モデル と 組み合わせて電力分配が予測 さ れます。
ま た、 デザ イ ン サ イ ク ル後半の イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ンお よ び消費電力を最適化する 段階で も 、 た と えば設計変更指
示 (ECO) の消費電力への影響を評価す る 場合な ど に、 XPE が よ く 使用 さ れ ます。 複数のチームに よ り イ ン プ リ メ ン
ト さ れ る 大型デザ イ ン では、 プ ロ ジ ェ ク ト リ ーダーが XPE を 使用 し て各チーム のモジ ュ ールの使用量お よ びア ク
テ ィ ビ テ ィ を イ ンポー ト し て総消費電力を監視 し 、 制約が満た さ れ る よ う に消費電力の割 り 当て を変更で き ます。
消費電力解析および最適化
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ザイ リ ン ク ス消費電力予測/解析ツール
X-Ref Target - Figure 2-2
図 2-2 : Xilinx Power Estimator ス プ レ ッ ド シー ト
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ザイ リ ン ク ス消費電力予測/解析ツール
Vivado 消費電力解析
Vivado™ 消費電力解析機能は、 合成後、 配置後、 配線後な ど、 フ ロ ーの さ ま ざ ま な段階で消費電力解析を実行 し ま
す。 配線後には、 イ ンプ リ メ ン ト 済みのデザ イ ンのデー タ ベース か ら 実際に使用 さ れ る ロ ジ ッ ク リ ソ ースお よ び配線
リ ソ ース情報が読み出 さ れ る ので、 精度が最 も 高 く な り ます。 図 2-3 に、 消費電力レ ポー ト のサマ リ と 、 ク ロ ッ ク ド
メ イ ン、 リ ソ ース の種類、 デザ イ ン階層な ど、 使用可能な さ ま ざ ま な ビ ュ ーを示 し ます。 Vivado 統合設計環境 (IDE)
で環境設定やデザ イ ン ア ク テ ィ ビ テ ィ を変更で き 、デザ イ ンの電源お よ び熱消費電力を ど の よ う に減 ら すかを検討で
き ます。 消費電力レ ポー ト か ら デザ イ ンに ク ロ ス プ ロ ーブす る こ と も 可能で、 消費電力の大 き い階層や リ ソ ース を特
定お よ び評価する のに便利です。
X-Ref Target - Figure 2-3
図 2-3 : Vivado 消費電力解析
消費電力解析および最適化
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ユーザー入力
ユーザー入力
特定の ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ は、 シ ス テ ム の仕様 ま たは FPGA が通信す る イ ン タ ーフ ェ イ ス に よ り 決定 さ れ る の
で、 ど のデザ イ ンで も 通常は既知です。 特に FPGA の複数のセルを駆動する ノ ー ド (セ ッ ト 、 リ セ ッ ト 、 ク ロ ッ ク イ
ネーブル、 ク ロ ッ ク 信号) に関 し て こ の情報を ツールに供給す る と 、 消費電力予測に有益です。
こ れ ら の ノ ー ド には、 次が含まれます。
•
ク ロ ッ ク ア ク テ ィ ビテ ィ
すべての FPGA ク ロ ッ ク ド メ イ ンの正確な周波数、 お よ び外部か ら 供給 さ れ る のか (入力ポー ト )、 内部で生成 さ
れ る のか、 ま たは外部か ら プ リ ン ト 回路基板に供給 さ れ る のか (出力ポー ト ) は、 通常判明 し てい ます。
•
I/O デー タ ポー ト
FPGA か ら のデー タ の入出力のプ ロ ト コ ルお よ びフ ォーマ ッ ト が判明 し てい る と 、 通常はツールで少な く と も 一
部の I/O に対 し て信号の遷移レー ト や信号の % High を指定で き ます。 た と えば、 プ ロ ト コ ルに DC バ ラ ン ス要
件 (信号の % High が 50%) があ る 場合や、メ モ リ イ ン タ ーフ ェ イ スへのデー タ の書き 込みお よ び メ モ リ イ ン タ ー
フ ェ イ ス か ら のデー タ の読み出 し 頻度が判明 し てい る 場合は、ス ト ロ ーブ信号お よ びデー タ 信号のデー タ レー ト
を設定で き ます。
•
I/O お よ び内部制御信号
シ ス テ ムお よ びその機能か ら 、 セ ッ ト 、 リ セ ッ ト 、 ク ロ ッ ク イ ネーブルな ど の制御信号のア ク テ ィ ビ テ ィ を予測
で き る 場合があ り ます。 こ れ ら の信号は通常、 デザ イ ン ロ ジ ッ ク の広範囲部分を オン、 オ フ にで き る ので、 こ の
ア ク テ ィ ビ テ ィ 情報を供給する こ と で消費電力予測の精度が高 く な り ます。
ベ ク タ ー ベースの予測
通常は、 デザ イ ン開発の各段階でシ ミ ュ レーシ ョ ン を実行 し 、 デザ イ ンが要件どお り に動作する かを検証 し ます。 デ
ザ イ ンの開発段階、 複雑性、 ま たは企業の方針に応 じ て、 さ ま ざ ま な検証手法があ り ます。 次に、 取得可能な有益な
デー タ と 、 こ れ ら のデー タ を使用 し て消費電力を解析す る 際に犯 し やすい ミ ス について説明 し ます。 正確な消費電力
予測を実行する には、 デザ イ ンのア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト が現実的であ る 必要があ り ます。 ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト は、
シ ミ ュ レ ーシ ョ ン さ れ る ブ ロ ッ ク に入力 さ れ る デー タ の通常の動作 ま たは ワ ー ス ト ケース の動作を示す必要が あ り
ます。 こ の よ う な情報は、 検証や機能の確認中には必ず し も 供給 さ れません。 無効なデー タ が供給 さ れたために、 無
効なデー タ やコ マ ン ド が入力 さ れた と き で も 、 シ ス テ ムが問題な く 処理 し て安定 し た状態を保持す る こ と がで き る と
検証 さ れて し ま う 場合 も あ り ます。 こ の よ う なテ ス ト ケース を使用 し て消費電力解析を実行す る と 、デザ イ ン ロ ジ ッ
ク に通常のシ ス テ ム動作状況 と 同 じ よ う に入力が供給 さ れないため、 消費電力予測が不正確にな り ます。
•
シ ス テ ム ト ラ ンザ ク シ ョ ン レベル
デザ イ ン サ イ ク ル初期に、 PCB 上のデバ イ ス間ま たは FPGA アプ リ ケーシ ョ ンの異な る フ ァ ン ク シ ョ ン間で発
生する ト ラ ンザ ク シ ョ ン を記述 し てい る 場合があ り ます。 こ の記述か ら 、 特定の I/O ポー ト お よ びほ と ん ど の ク
ロ ッ ク ド メ イ ン の ア ク テ ィ ビ テ ィ を フ ァ ン ク シ ョ ン ブ ロ ッ ク ご と に抽出で き ま す。 こ の情報は、 Xilinx Power
Estimator (XPE) ス プ レ ッ ド シー ト の入力の際に役立ち ます。
•
FPGA 記述レベル
アプ リ ケーシ ョ ンの RTL を定義す る 際は、 ビヘ イ ビ アー シ ミ ュ レーシ ョ ン を実行 し て機能を検証す る 必要があ
る 場合があ り ます。 こ れは、 デー タ フ ロ ーお よ び ク ロ ッ ク サ イ ク ルに対す る 計算の有効性を検証す る のに役立
ち ま す。 こ の段階では、 使用 さ れ る FPGA リ ソ ー ス 数お よ び コ ン フ ィ ギ ュ レ ーシ ョ ン は確定 し てい ま せん。 リ
ソ ース使用量を推定 し て、 I/O ポー ト ま たは内部制御信号 (セ ッ ト 、 リ セ ッ ト 、 ク ロ ッ ク イ ネーブル) のア ク テ ィ
ビ テ ィ を抽出で き ます。 こ の情報を Xilinx Power Estimator ス プ レ ッ ド シー ト に適用する と 、 結果が向上 し ます。
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ベ ク タ ー レ ス予測
シ ミ ュ レ ー タ で ノ ー ド ア ク テ ィ ビ テ ィ を抽出 し 、 SAIF フ ァ イ ル フ ォ ーマ ッ ト でエ ク ス ポー ト で き ま す。 こ の
フ ァ イ ルは、 Vivado デザ イ ン フ ロ ーで よ り 正確な消費電力解析を実行す る ために保存で き ます。 た と えば、 イ
ンプ リ メ ン テーシ ョ ン後のシ ミ ュ レーシ ョ ン を実行する つ も り がない場合な ど は、 配置配線後に こ の フ ァ イ ルを
使用で き ます。
•
FPGA イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン レベル
イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン プ ロ セ ス の異な る 段階でシ ミ ュ レーシ ョ ン を実行 し 、消費電力に関連す る さ ま ざ ま な情
報を取得で き ます。 こ の追加情報を使用 し て、 Xilinx Power Estimator ス プ レ ッ ド シー ト お よ び Vivado 消費電力解
析の結果を向上で き ます。 ま た、 I/O ポー ト お よ び特定のモジ ュ ールのア ク テ ィ ビ テ ィ を保存 し 、 合成後、 配置
後、 配線後に Vivado 消費電力解析機能で再利用で き ます。
°
°
°
合成後 : ネ ッ ト リ ス ト が タ ーゲ ッ ト デバ イ ス で使用可能な実際の リ ソ ース にマ ッ プ さ れます。
配置後 : ネ ッ ト リ ス ト コ ンポーネ ン ト が実際のデバ イ ス リ ソ ース に配置 さ れます。こ のパ ッ ク 情報を基に最
終的な ロ ジ ッ ク リ ソ ース数お よ び コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンが判明す る ので、 Xilinx Power Estimator ス プ レ ッ
ド シー ト で情報を更新で き ます。
配線後 : 配線が完了す る と 、 使用 さ れ る 配線 リ ソ ース に関す る すべての詳細お よ びデザ イ ンに含まれ る 各パ
ス の的確な タ イ ミ ン グ情報が定義 さ れます。 シ ミ ュ レー タ では、 イ ンプ リ メ ン ト さ れた回路の機能をベス ト
ケースお よ びワ ース ト ケース のゲー ト お よ び配線遅延で検証す る こ と に加え、グ リ ッ チを含む内部 ノ ー ド の
的確な ア ク テ ィ ビ テ ィ が レ ポー ト さ れます。 こ の レベルの消費電力解析の精度では、 プ ロ ト タ イ プのボー ド
で消費電力を実際に計測する 前で最 も 高 く な り ます。
ベ ク タ ーレ ス予測
デザ イ ン ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ がユーザーま たはシ ミ ュ レーシ ョ ン結果か ら 供給 さ れない場合、ベ ク タ ーレ ス消費
電力予測アルゴ リ ズ ムで こ のア ク テ ィ ビ テ ィ を推測で き ます。ベ ク タ ーレ ス エン ジ ンは、未定義 ノ ー ド すべてに初期
シー ド (デフ ォ ル ト の信号レー ト お よ びス タ テ ィ ッ ク 確率) を割 り 当て、デザ イ ンの主要入力か ら 内部 ノ ー ド の出力ま
でア ク テ ィ ビ テ ィ を伝搬 し 、 主要出力に到達す る ま で こ の操作を繰 り 返 し ます。 こ のアルゴ リ ズ ムでは、 デザ イ ンの
接続性、 リ ソ ース の機能、 お よ び コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンが識別 さ れます。 ヒ ュ ー リ ス テ ィ ク ス に よ り 、 ネ ッ ト リ ス
ト に含ま れ る ど の ノ ー ド のグ リ ッ チ レー ト で も 予測で き ます。 グ リ ッ チは、 デザ イ ン エ レ メ ン ト がア ク テ ィ ブな ク
ロ ッ ク エ ッ ジ間で最終的な値に安定す る ま でに数回ス テー ト が変わ る と 発生 し ます。 ベ ク タ ーレ ス伝搬エン ジ ンは、
時間が比較的かか る 配線後のシ ミ ュ レーシ ョ ンほど正確ではあ り ませんが、 精度 と 計算速度のバ ラ ン ス を取っ た優れ
た方法です。
消費電力解析および最適化
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第 3章
消費電力予測手法 : 初期評価段階
概要
こ の章では、 デザ イ ン サ イ ク ルの初期評価段階でデザ イ ンの消費電力を評価す る 方法を説明 し ます。 こ の段階では、
Xilinx Power Estimator を使用 し ます。
初期評価段階が終了 し てい る 場合は、デザ イ ン サ イ ク ルの後の段階でデザ イ ンの消費電力を評価す る 方法を説明す る
次の章に進んで く だ さ い。 後の段階では、 消費電力予測を自動的に簡単に実行で き る Vivado™ Design Suite を使用 し
ます。
Xilinx Power Estimator での初期消費電力予測
状況説明
こ の段階では、 アプ リ ケーシ ョ ンに と っ て FPGA が最 も 効率の よ い技術であ る こ と が判断 さ れてい ます。 こ こ では、
要求 さ れ る 機能、 パフ ォーマン ス、 コ ス ト 、 お よ び消費電力に合 う ベン ダー、 フ ァ ミ リ 、 お よ びパ ッ ケージ を決定す
る 必要があ り ます。 つま り 、 ロ ジ ッ ク が ま だ 1 つ も 開発 さ れていない段階でデバ イ ス の総消費電力を予測す る 必要が
あ る と い う こ と です。 総消費電力要件を理解 し てお く と 、 電力分配お よび冷却仕様を定義する 際に役立ち ます。 電源
はい く つ必要か、 各電源で使用 さ れ る 電力はどれ く ら いか、 吸収 さ れたエネルギーで どれ く ら いの熱が生成 さ れ る か
な ど について考慮する のが一般的です。 Xilinx Power Esitimator を使用す る と 、 こ れ ら の質問に対す る 答え を得 る こ と
がで き ます。 Xilinx Power Estimator は、 FPGA ロ ジ ッ ク と デバ イ ス がはんだ付け さ れ る プ リ ン ト 回路基板を同時に開
発する のに役立ち ます。 こ れに よ り 、 必要なマージ ン を理解 し 、 イ ンプ リ メ ン ト 後にシ ス テ ム を指定範囲内で動作 さ
せる こ と がで き る よ う にな り ます。 図 3-1 に、 Xilinx Power Estimator の イ ン タ ーフ ェ イ ス を示 し ます。
消費電力解析および最適化
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Xilinx Power Estimator での初期消費電力予測
X-Ref Target - Figure 3-1
図 3-1 : Xilinx Power Estimator (XPE) で示 さ れる消費電力情報
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Xilinx Power Estimator での初期消費電力予測
手法
FPGA デザ イ ンでは、 正常に機能す る 信頼性の高いシ ス テ ム を作成す る には、 消費電力使用お よ び冷却使用を適切に
設定する 必要があ り ます。 ほ と ん ど の場合、 PCB を設計す る 前に温度仕様お よ び消費電力仕様を設定 し てお く 必要が
あ り 、 FPGA は柔軟性が高いため、 シ ス テ ム デザ イ ンや PCB 製造の前に FPGA デザ イ ンが完了 し ていないか開始 し
ていない こ と が よ く あ り ま す。 FPGA デザ イ ン では ビ ッ ト ス ト リ ーム、 ク ロ ッ キ ン グ、 お よ びチ ッ プに入力 さ れ る
デー タ に よ っ て温度特性お よ び電力特性が大き く 変化する ので、 こ れは課題 と な り ます。
電力ま たは温度シ ス テ ム を過小設計す る と 、 FPGA が仕様範囲外で動作す る 結果 と な り 、 FPGA が目的のパフ ォーマ
ン ス で動作 し なかっ た り 、 重要な問題が発生す る 可能性があ り ます。 電力シ ス テ ム を過剰設計 し た場合、 通常問題は
それほど深刻ではあ り ませんが、 不必要に コ ス ト が高 く な っ た り 、 全体的な FPGA デザ イ ンが よ り 複雑にな る こ と が
あ り ます。 デザ イ ンが完了する 前に消費電力を予測する のは簡単な こ と ではあ り ません。
次の手順は、 消費電力解析に焦点を置いてい る こ と に注意 し て く だ さ い。 複数の消費電力の最適化を解析中に試 し た
り 適用 し た り で き 、 消費電力の大幅な削減につなが る こ と があ り ます。 こ れ ら の最適化手法については、 次の章で説
明 し ます。
手順 1 : タ ーゲ ッ ト デバイ ス用の最新版 Xilinx Power Estimator の入手
最新版の Xilinx Power Estimator (XPE) ツールを使用する こ と が重要です。 消費電力情報は、 最新の消費電力モデルお
よ び 特性 化デ ー タ に 基 づ い て 随 時 ア ッ プ デー ト さ れ ま す。 最新 版 の XPE は、 ザ イ リ ン ク ス ウ ェ ブ サ イ ト
http://japan.xilinx.com/power か ら 入手で き ます。 設計プ ロ セ ス 中 こ の ウ ェ ブサ イ ト を と き ど き 確認 し て、 新 し いバー
ジ ョ ン が入手可能であ る か ど う か を確認す る こ と をお勧め し ま す。 新 し いバージ ョ ン が入手可能な場合は、 新 し い
バージ ョ ンの [Summary] シー ト で [Import File] ボ タ ン を ク リ ッ ク す る と 、 以前のバージ ョ ンか ら デー タ を イ ン ポー ト
で き ます。 Xilinx Power Estimator を最新の状態に し てお く こ と で、 消費電力解析に常に最新の消費電力情報が使用 さ
れ る よ う にな り ます。
手順 2 : [Summary] シー ト へのデバイ ス情報の入力
[Summary] シー ト の [Device] セ ク シ ョ ンの各フ ィ ール ド を適切に設定 し て く だ さ い。 各設定が、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電
力お よ び ク ロ ッ キ ン グ消費電力な ど の消費電力の算出に大き く 影響 し ます (図 3-2)。
消費電力解析および最適化
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Xilinx Power Estimator での初期消費電力予測
X-Ref Target - Figure 3-2
図 3-2 : [Summary] シー ト のデバイ ス情報
[Device] セ ク シ ョ ンに次の情報を入力 し ます。
•
[Family] お よ び [Device] : 不適切な フ ァ ミ リ ま たはデバ イ ス を選択す る と 、 ク ロ ッ ク のデザ イ ン消費電力な ど、デ
バ イ スお よ びデザ イ ンの消費電力予測が不正な も の と な り ます。 ま た、使用可能なデバ イ ス リ ソ ース も 不正にな
り ます。
•
[Package] : パ ッ ケージの選択は、 デバ イ ス の放熱、 そ し て最終的なジ ャ ン ク シ ョ ン温度に影響 し ます。 ジ ャ ン ク
シ ョ ン温度が不正な場合、 デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力算出が不正にな り ます。
•
[Speed Grade] (指定可能な場合) : デザ イ ンの要件に最 も 適 し た ス ピー ド グ レー ド を選択 し ます。 一部の FPGA
フ ァ ミ リ では、 ス ピー ド グ レー ド に よ っ て消費電力仕様が異な り ます。
•
[Temp Grade] : デバ イ ス に適 し た温度グ レー ド を選択 し ます。 通常は [Commercial] ま たは [Industrial] です。 こ の
設定に よ り ス タ テ ィ ッ ク 消費電力仕様が異な る デバ イ ス も あ り ます。 こ れを適切に設定す る こ と に よ り 、 選択 し
たデバ イ ス に対 し て正 し いジ ャ ン ク シ ョ ン温度範囲が表示 さ れます。
•
[Process] : ワース ト ケース解析では、[Maximum] に設定す る こ と をお勧め し ます。デフ ォル ト 設定は [Typical] で、
ス タ テ ィ ッ ク に計測 し た場合に近い結果が得 ら れ ま すが、 [Maximum] に変更す る と 、 消費電力仕様が ワ ー ス ト
ケース の値に変更 さ れます。
•
[Voltage ID Used] : Voltage ID (VID) 電圧は、 FPGA がパフ ォーマン ス の仕様を満た し なが ら 動作可能な最小
VCCINT 電圧です。 こ の電圧は FPGA の製造時にテ ス ト さ れてお り 、 その値は FPGA の DNA eFUSE レ ジ ス タ にプ
ロ グ ラ ム さ れてい ます。 VID 機能をデザ イ ン で有効に し て FPGA を こ の VID 電圧で動作 さ せ る と 、 公称電圧で
の動作時 と 比較 し て ス タ テ ィ ッ ク 消費電力を大幅に削減で き ます。
注記 : こ のオプシ ョ ンは、Virtex®-7 で [Speed Grade] に [-1]、[Temp Grade] に [Commercial]、[Process] に [Maximum]
を指定 し た場合にのみ有効にな り ます。
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Xilinx Power Estimator での初期消費電力予測
手順 3 : [Summary] シー ト への環境情報の入力
[Summary] シー ト の [Environment] セ ク シ ョ ンで適切な環境条件を設定 し ます (図 3-3)。
X-Ref Target - Figure 3-3
図 3-3 : [Summary] シー ト の環境情報
[Environment] セ ク シ ョ ンに次の情報を入力 し ます。
•
[Ambient Temp (°C)] : FPGA デザ イ ン を含むエン ク ロ ージ ャ 内で達す る 可能性のあ る 最大温度を指定 し ます。こ の
設定 と 、 エア フ ロ ーやその他の放熱経路 ( ヒ ー ト シ ン ク な ど) に よ り 、 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度が正確に算出 さ れ、 デ
バ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力が よ り 正確に算出 さ れます。
•
[Airflow (LFM)] : チ ッ プのエア フ ロ ーは、 LFM ( リ ニ ア フ ィ ー ト /分) で計測 さ れます。 LFM は、 CFM (立方フ ィ ー
ト /分) で表 さ れた フ ァ ンの出力を空気が通過す る 断面で除算 し て求め る こ と がで き ます。 FPGA お よ びフ ァ ンの
具体的な配置が FPGA 上の空気の動 き に影響 し 、 放熱に影響す る 可能性があ り ます。 こ のパ ラ メ ー タ ーのデフ ォ
ル ト 値は 250LFM です。 エ ア フ ロ ーな し (静止空気中) で FPGA を 動作 さ せ る 場合、 デ フ ォ ル ト の 250LFM を
0LFM に変更する 必要があ り ます。
•
[Heat Sink] : ヒ ー ト シ ン ク を使用 し てお り 、 詳細な放熱情報がない場合は、 使用す る ヒ ー ト シ ン ク の タ イ プに適
切なプ ロ フ ァ イ ルを選択 し ます。 こ のパ ラ メ ー タ ー と ほかのパ ラ メ ー タ ーを使用 し て、 有効 ΘJB が算出 さ れ、 よ
り 正確なジ ャ ン ク シ ョ ン温度お よ び静止消費電力が算出 さ れます。 ソ ケ ッ ト の設計お よ び構造に よ っ て、 ヒ ー ト
シ ン ク と し て機能する も の も あ り ます。
•
[Board Selection] お よ び [# of Board Layers] : ボー ド のおお よ そのサ イ ズ と ス タ ッ ク を選択す る と 、ボー ド 自体の熱
伝導性を考慮する こ と に よ り 、 有効 ΘJB の算出に役立ち ます。
消費電力解析および最適化
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Xilinx Power Estimator での初期消費電力予測
•
[ΘJB] : ボー ド お よ びシ ス テ ムの よ り 正確な温度モデルが存在す る 場合は、FPGA か ら の放熱量を指定す る ために
ΘJB (プ リ ン ト 回路基板 の熱抵抗) を使用する 必要があ り ます。
よ り 正確な カ ス タ ム [ΘJB] を指定す る と 、 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度が よ り 正確に予測 さ れ、 デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク
消費電力を よ り 正確に算出で き る よ う にな り ます。
重要 : カ ス タ ム [ΘJB] を指定す る には、 [Board Selection] を [Custom] に設定す る 必要があ り ます。 カ ス タ ム [ΘJB] を
指定する 場合は、 正確な消費電力を算出する ため、 [Board Temperature] も 指定す る 必要があ り ます。
手順 4 : すべての電源に対 し てワース ト ケースの電源電圧を設定
デフ ォル ト では、 デバ イ ス の各電圧レールは公称値に設定 さ れます。 正確な消費電力予測を得 る ためには、 FPGA デ
バ イ ス での ワ ース ト ケース の値 (最大電圧値) を指定する 必要があ り ます。こ れは通常、各レールへの電源/レ ギ ュ レー
タ の公称出力値 と 許容誤差を使用 し て算出 さ れます。 特に未調整の電源で IR (電圧) が大 き く 低下す る 可能性があ る
場合は、 電圧降下を最大電圧の計算に含め る 必要があ り ます。
一部の VCCO ま たは MGT 電源を使用 し ない場合は、 こ れ ら の電源の値はデフ ォ ル ト の ま ま に し て く だ さ い (図 3-4)。
X-Ref Target - Figure 3-4
図 3-4 : [Summary] シー ト の電源情報
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Xilinx Power Estimator での初期消費電力予測
手順 5 : ク ロ ッ ク お よび リ ソ ース情報の入力
デザ イ ン を Vivado ツールで既に実行 し てい る 場合、 デザ イ ンの前 リ ビ ジ ョ ン があ り 解析の開始点 と し て使用で き る
場合は、デザ イ ンの XPower エ ク ス ポー ト フ ァ イ ル (.xpe) を XPE に イ ン ポー ト し て リ ソ ース情報を入力で き ます。 こ
れには、 [Summary] シー ト で [Import File] ボ タ ン を ク リ ッ ク し ます。 Vivado XPE イ ン ポー ト フ ァ イ ルを読み込んだ場
合で も 、 デー タ が正 し い こ と を確認 し て く だ さ い。 イ ン ポー ト し た情報は、 完全な情報ではな く 、 情報を入力す る た
めの開始点 と 考え て く だ さ い。 いずれの場合で も 、 各 リ ソ ース の タ ブを確認 し て、 デザ イ ンで使用 さ れ る リ ソ ース を
入力 し て く だ さ い。
•
クロッ ク ツ リー
[CLOCK] シー ト では、 ク ロ ッ ク 、 周波数 ([Frequency])、 使用 さ れ る ク ロ ッ ク リ ソ ース を入力 し ます (図 3-5)。 使
用 さ れ る ク ロ ッ ク リ ソ ース が不明な場合は、 [Type] をデフ ォ ル ト の [Global] の ま ま に し て く だ さ い。 こ の時点で
は、 フ ァ ン ア ウ ト ([Fanout]) を気にする 必要はあ り ません。 こ れについては、 手順 6 で説明 し ます。 [Clock Buffer
Enable] は [100%]、 [Slice Clock Enable] は [50%] のデフ ォ ル ト 値の ま ま に し ます。
X-Ref Target - Figure 3-5
図 3-5 : [CLOCK] シー ト
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Xilinx Power Estimator での初期消費電力予測
•
ロジッ ク
[LOGIC] シー ト では、 使用 さ れ る ス ラ イ ス リ ソ ース の予測数を入力 し ます (図 3-6)。 [LUTs as] 列には、 演算ま た
は ロ ジ ッ ク に使用 さ れ る LUT 数 ([Logic])、 SRL と し て コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン さ れ る LUT 数 ([Shift Registers])、
メ モ リ と し て コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン さ れ る LUT 数 (Distributed RAMs]) を入力 し ます。 [Registers] 列には、 デザ
イ ンに コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン さ れ る レ ジ ス タ ま たは ラ ッ チの数を入力 し ます。異な る ロ ジ ッ ク フ ァ ン ク シ ョ ン
ま たは特性 ( ク ロ ッ ク ス ピー ド 、 ト グル レー ト な ど) に個別の行を使用 し て く だ さ い。
X-Ref Target - Figure 3-6
図 3-6 : [LOGIC] シー ト
FPGA 設計の初期段階では、 こ れ ら の リ ソ ース の正確な数を入手す る こ と は困難なので、 初期段階では概算値を
使用 し 、 設計プ ロ セ ス が進行 し た ら 値を更新 し てい く よ う に し ます。
ヒ ン ト : ク ロ ッ ク 周波数情報を入力す る 際は、 Excel のセルを関連付け る 機能を使用 し 、 [CLOCK] シー ト に入力 さ れ
てい る セル と 関連付け ます。 こ れには、 [LOGIC] シー ト で [Clock (MHz)] セルを選択 し 、 「=] と 入力 し て、 その ロ ジ ッ
ク の ク ロ ッ ク ソ ー ス に関連す る セルを [CLOCK] シー ト で選択 し ます。 こ れで、 そのセルに [CLOCK] シー ト の値が
自動的に入力 さ れ る よ う にな り ます。 こ の よ う にす る と 、 仕様の変更や消費電力 と 周波数の ト レー ド オ フ を調べ る 際
な ど、 ク ロ ッ ク 周波数を変更す る 必要があ る 場合に、 値を 1 箇所で変更す る だけですみます。 ま た、 デー タ の入力 ミ
ス も 避け る こ と がで き ます。
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Xilinx Power Estimator での初期消費電力予測
•
I/O
XPE の [IO] シー ト を入力す る と 、 チ ッ プのすべての レールの全体的な予測値が正確な も の と な り ます (図 3-7)。
選択 し た I/O 規格お よ び I/O 回路に よ っ て、 VCCO レールだけでな く 、 VCCINT お よ び VCCAUX レールで も 多量の
電力が消費 さ れ る 可能性があ り ます。 多 く の場合、 各デバ イ ス イ ン タ ーフ ェ イ ス を個別に入力 し 、 ま た イ ン タ ー
フ ェ イ ス信号をデー タ、 制御、 ク ロ ッ ク 信号に分割す る のが最 も 簡潔です。 こ の よ う にする と 、 異な る I/O 規格、
ロ ー ド や ト グル レー ト な ど のその他の I/O 特性を指定 し やす く な り ます。
推奨 : XPE で [Add Memory Interface] を ク リ ッ ク し 、 [XPE Memory Interface Configuration] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス を使用
する と 、 複雑な メ モ リ イ ン タ ーフ ェ イ ス に関連す る I/O を簡単に追加で き ます。
X-Ref Target - Figure 3-7
図 3-7 : [IO] シー ト
I/O の電流の算出では、 標準ボー ド ト レースお よ び終端が適用 さ れてい る と 想定 し た予測電力が使用 さ れます。
ヒ ン ト : 差動 I/O を使用 し てい る 場合、 各入力お よ び出力はペア と し て指定す る 必要があ り ます。 ス プ レ ッ ド シー ト
の 2 つの入力を指定 し て 1 つの差動入力を表す こ と は し ないで く だ さ い。
DDR 規格な ど の複雑な規格のデー タ を入力す る には、 [XPE Memory Interface Configuration] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス
を使用する と 簡単です (図 3-8)。 こ のダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス に関連す る 入力を入力す る と 、 [IO] シー ト の該当す る
行に情報が入力 さ れます。
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Xilinx Power Estimator での初期消費電力予測
X-Ref Target - Figure 3-8
図 3-8 : [IO] シー ト の [XPE Memory Interface Configuration] ダ イ ア ログ ボ ッ ク ス
•
ブ ロ ッ ク RAM
[BRAM] シー ト (図 3-9) では、デザ イ ンで使用す る ブ ロ ッ ク RAM (BRAM) の数 と コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン を入力
し ます。 [Enable Rate] を ENA ま たは ENB ポー ト が イ ネーブルであ る 時間の割合に変更 し て く だ さ い。 RAM が
イ ネーブルの時間はダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力に直接比例する ので、 BRAM の消費電力を正 し く 予測す る には、 こ の
パ ラ メ ー タ ーに適切な値を入力する こ と が重要です。
推奨 : XPE で [Add Memory] を ク リ ッ ク し 、 [XPE Memory Configuration] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス を使用す る と 、 デザ イ ン
のブ ロ ッ ク RAM を簡単に追加で き ます。
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Xilinx Power Estimator での初期消費電力予測
X-Ref Target - Figure 3-9
図 3-9 : [BRAM] シー ト
•
DSP
[DSP] シー ト を入力 し ます。 DSP ブ ロ ッ ク は、 カ ウ ン タ ー、 バ レ ル シ フ タ ー、 MUX、 その他の一般的な機能な
ど、 乗算器以外の目的で も 使用で き ます。
•
ク ロ ッ ク マネージ ャ ー (CLKMGR)
デザ イ ン で MMCM ま たは PLL が使用 さ れてい る 場合は、 [CLKMGR] シー ト でその使用法 と コ ン フ ィ ギ ュ レー
シ ョ ン を指定 し ます。
•
GT
デザ イ ンで GT (シ リ アル ト ラ ン シーバー ) が使用 さ れてい る 場合は、[GTX] シー ト でその使用法 と コ ン フ ィ ギ ュ
レーシ ョ ン を指定 し ます。
推奨 : [Add GTX Interface] ボ タ ン を ク リ ッ ク し 、 [XPE Transceiver Configuration] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス を 使用す る と 、
デー タ を簡単に正確に入力で き ます(図 3-10)。
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Xilinx Power Estimator での初期消費電力予測
X-Ref Target - Figure 3-10
図 3-10 : [XPE Transceiver Configuration] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス を使用 し た GT のコ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン
手順 6 : ト グルお よび接続パ ラ メ ー タ ーの設定
[Toggle Rate]、 [Average Fanout]、 ま たは [Enable Rate] を含む タ ブで、 こ れ ら の値を確認 し ます。 ト グル レー ト お よ び
イ ネーブル レー ト がわか っ ていない場合は、 デフ ォル ト 値の ま ま にする こ と をお勧め し ますが、デフ ォ ル ト 値がデザ
イ ンの特性を表 し ていない場合は、 必要に応 じ て変更 し て く だ さ い。 た と えば、 メ モ リ イ ン タ ーフ ェ イ ス に イ ン タ ー
フ ェ イ ス上の ト グル レー ト を高 く 保つ ト レーニ ン グ パ ターン ルーチンがあ る こ と がわかっ てい る 場合は、 こ れを反
映 し て ト グル レー ト を高 く し ます。 ま た、 回路の ク ロ ッ ク イ ネーブルが回路全体のア ク テ ィ ビ テ ィ を削減す る よ う
に指定 さ れ て い る 場合は、 ト グ ル レ ー ト を 低 く し ま す。 ト グ ル レ ー ト を 決定す る 方法の詳細は、 『Xilinx Power
Estimator ユーザー ガ イ ド 』 (UG440) を参照 し て く だ さ い。
ク ロ ッ ク フ ァ ン ア ウ ト の最 も 簡単な指定方法は、 特定の ク ロ ッ ク ド メ イ ンにあ る すべての同期エ レ メ ン ト を加算す
る 式を作成す る こ と です。 た と えば、 あ る ク ロ ッ ク の [Fanout] セルを選択 し 、 「=SUM(」 と 入力 し て、 その ク ロ ッ ク
が供給 さ れ る 同期エ レ メ ン ト (BRAM、 フ リ ッ プ フ ロ ッ プ、 シ フ ト レ ジ ス タ 、 SelectRAM な ど) の数を指定す る セル
をすべて選択 し ます。 選択 し 終わっ た ら 閉 じ かっ こ を入力 し ます。 こ れで、 [Fanout] セルに適切な値が入力 さ れ る よ
う にな り ます。 ク ロ ッ ク フ ァ ン ア ウ ト を こ の よ う に入力する と 、 簡単であ る だけでな く 、 リ ソ ース数が変更 さ れた場
合に自動的にア ッ プデー ト さ れます。 最終的な式は、 次の よ う にな り ます。
=SUM(LOGIC!E3:G3,IO!E3:G3,BRAM!C4,MULT!C3)
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Xilinx Power Estimator での初期消費電力予測
ロ ジ ッ ク の フ ァ ン ア ウ ト では、 デー タ パ ス お よ び制御パ ス の特性を考慮す る 必要が あ り ま す。 DSP デザ イ ン な ど、
シーケ ン シ ャ ル デー タ パ ス が適切に構築 さ れてい る デザ イ ン では、 フ ァ ン ア ウ ト は通常デフ ォ ル ト 値 よ り も 小 さ く
な り ます。 エンベデ ッ ド デザ イ ン な ど、 デー タ 実行パス が多数あ る デザ イ ンでは、 フ ァ ン ア ウ ト はデフ ォ ル ト 値 よ り
も 大き く な る こ と があ り ます。 ト グル レー ト と 同様、 こ の情報がない場合は、 デフ ォ ル ト 値の ま ま に し 、 後で必要に
応 じ て調整 し ます。
I/O の [Output Load] には、 各デザ イ ン出力の単純な容量性負荷を入力 し ま す。 こ の値は、 駆動 さ れ る 出力のダ イ ナ
ミ ッ ク 消費電力に影響 し ます。 [Output Load] の値は、 主にその出力に接続 さ れてい る 各デバ イ ス の入力容量の合計か
ら 求め ら れます。 入力容量は通常、 FPGA I/O が接続 さ れてい る デバ イ ス のデー タ シー ト に記載 さ れてい ます。
手順 7 : 結果の解析
結果を解析する前に、 必要に応 じ て手順 1 ～ 6 を実行 し て く だ さ い。 こ れ ら の手順を完了 し た ら 、 結果を解析し ます。
ジ ャ ン ク シ ョ ン温度が範囲を超え てお ら ず、 消費電力がプ ロ ジ ェ ク ト で割 り 当て ら れてい る 消費電力を超えていない
こ と を確認し て く だ さ い。 放熱ま たは電力特性が指定範囲外の場合は、 適切な結果が得 ら れ る よ う に環境特性 (エア フ
ロー、 ヒ ー ト シ ン ク な ど) を調整する か、 デザ イ ンの リ ソ ースお よび電力特性を調整し て く だ さ い。 消費電力を抑えて
必要な機能を達成で き る よ う にする ため、 ト レー ド オフ を考慮 し ます。 ト レー ド オフ のオプシ ョ ンは、 設計プ ロ セ ス
の初期段階で探索す る のが最適です。 デー タ の入力が完了 し てデバ イ ス が選択 し たグ レー ド の制限温度範囲内で動作
し てい る 場合は、 XPE でレ ポー ト さ れた消費電力を使用 し て、 デザ イ ンの電源レールを決定で き ます。 入力し たデー
タ の信頼性が高 く ない場合は、FPGA の消費電力シ ス テ ム を過小設計 し ない よ う に、数値を多少水増し する こ と が可能
です。 ただ し 、 データ が十分に信頼で き る場合は、 ツールで レ ポー ト さ れた数値を水増 し する必要はあ り ません。
設計プ ロ セ ス の進行に応 じ て ス プ レ ッ ド シー ト の情報を確認 し て更新 し 、 最新の要件お よ び イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン
の詳細が使用 さ れ る よ う に し ます。 こ の よ う にす る こ と でデザ イ ンの消費電力の最新の状態がわか り 、 消費電力要件
の調整が必要かど う かを早期に判断で き ます。
デザ イ ン サ イ ク ルの後半でデザ イ ンの消費電力を評価す る 方法は第 4 章 「消費電力予測手法 : Vivado Design Suite で
のデザ イ ン フ ロ ー段階」 を、 デザ イ ンの消費電力を削減す る 手法は第 6 章 「消費電力削減のための ヒ ン ト お よ び手
法」 を参照 し て く だ さ い。
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第 4章
消費電力予測手法 :
Vivado Design Suite でのデザイ ン フ ロー段階
概要
こ の章では、 デザ イ ン フ ロ ー段階での消費電力予測を自動的に簡単に実行で き る Vivado™ Design Suite の機能を説明
し ます。 Vivado Design Suite で消費電力予測を生成 し 、 解析 し た ら 、 第 6 章 「消費電力削減のための ヒ ン ト お よ び手
法」 に進み、 デバ イ ス の消費電力を最小限に抑え る ためにシ ス テ ム を調べて変更する 手法を学びます。
状況説明
デザ イ ン フ ロ ーが合成お よ び イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン段階に進行す る のに伴い、 消費電力を定期的に調べ、放熱量が
要件の範囲内に収ま っ てい る こ と を確認 し て、 制約に近づ き すぎ てい る エ リ アがあ る 場合に早期に発見 し て対処で き
る よ う にする 必要があ り ます。 消費電力予測の精度は、 デザ イ ンの段階に よ っ て異な り ます。
手法
こ のセ ク シ ョ ンでは、 Vivado IDE の [Report Power] コ マン ド を使用 し た消費電力解析について説明 し ます。 こ こ では、
合成後に初めて消費電力解析を設定す る こ と を想定 し てお り 、 ツールに ア ク テ ィ ビ テ ィ 情報を入力 し ます。 後続の
run では、 Vivado IDE の [Report Power] コ マ ン ド を使用 し て消費電力レ ポー ト を表示す る か、 ま たは同等の Tcl コ マン
ド (report_power) を使用 し て、 Vivado IDE を使用せずにテ キ ス ト 形式の消費電力レ ポー ト を表示す る か を選択で
き ます。
消費電力解析および最適化
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手法
X-Ref Target - Figure 4-1
図 4-1 : Vivado での消費電力解析 : 解析用のデー タ を入力
解析に使用する入力デー タ の指定
•
シ ミ ュ レーシ ョ ン結果 (SAIF ま たは VCD フ ァ イ ル)
Vivado の [Report Power] コ マ ン ド では、デザ イ ン デー タ ベース内のネ ッ ト を シ ミ ュ レーシ ョ ン結果のネ ッ ト リ ス
ト 内の名前 と 一致 さ せます。一致 し たネ ッ ト すべてに ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ と ス タ テ ィ ッ ク 確率が適用 さ
れ、 デザ イ ンの消費電力が算出 さ れます。 シ ミ ュ レーシ ョ ン結果は、 合成前や配置配線の前のデザ イ ン フ ロ ー早
期に生成 さ れてい る 場合があ り ます。 こ の場合、 シ ミ ュ レーシ ョ ン結果か ら モジ ュ ールの I/O ポー ト のア ク テ ィ
ビ テ ィ のみを キ ャ プチ ャ し て、 ベ ク タ ーレ ス エン ジ ンで内部 ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ を予測す る よ う に し ます。
論理シ ミ ュ レーシ ョ ンでは、 グ リ ッ チ ア ク テ ィ ビ テ ィ はキ ャ プチ ャ さ れません。 ま た、 イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン
中の ロ ジ ッ ク 変換 (最適化、 複製、 ゲーテ ィ ン グ、 リ タ イ ミ ン グ な ど) のため、 [Report Power] コ マン ド でデザ イ
ン と シ ミ ュ レーシ ョ ン ネ ッ ト リ ス ト 間で一部の ノ ー ド を一致で き ない こ と があ り ますが、ほ と ん ど の主要ポー ト
お よ び制御信号は一致する ので、 一致 し た ノ ー ド に対 し ては現実的なア ク テ ィ ビ テ ィ が供給 さ れます。 ア ク テ ィ
ビ テ ィ は、 ベ ク タ ーレ ス エン ジ ンに よ り 一致 し なかっ たデザ イ ン部分に伝搬 さ れ る ので、消費電力予測の精度が
高 く な り ます。
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手法
シ ミ ュ レーシ ョ ン結果を供給する 際は、 次の よ う なシ ミ ュ レーシ ョ ン結果を使用 し て く だ さ い。
°
°
シ ミ ュ レーシ ョ ンへのテ ス ト ベ ク タ ーお よ び入力が、デザ イ ンの典型的な動作ま たは意図 し た動作を表 し て
い る こ と を確認 し ます。 エ ラ ー処理お よ び コ ーナー ケー ス (稀に し か発生 し ないケース) のシ ミ ュ レーシ ョ
ンでは、 通常の動作条件で ロ ジ ッ ク がシ ミ ュ レーシ ョ ン さ れません。
イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン後のシ ミ ュ レーシ ョ ン結果の方が、ビヘ イ ビ アー シ ミ ュ レーシ ョ ン結果 よ り も 好ま
れます。
重要 : Vivado IDE の [Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス の [Input Files] タ ブでフ ァ イ ル名を指定 し て SAIF ま たは VCD
シ ミ ュ レーシ ョ ン出力フ ァ イ ルを読み込み、フ ァ イ ルで指定 さ れた ス イ ッ チ動作を使用 し て一致す る ネ ッ ト リ ス ト エ
レ メ ン ト を ア ノ テー ト し ます。 ま たは、Tcl コ マン ド の read_saif ま たは read_vcd を使用 し て、SAIF ま たは VCD シ ミ ュ
レーシ ョ ン出力フ ァ イ ルを読み込みます。
重要 : Vivado Design Suite 内でMentor Graphics 社の ModelSim シ ミ ュ レー タ ーか ら SAIF フ ァ イ ルを生成 し て消費電力
を解析する 場合は、 ア ンサー 53544 を参照 し て く だ さ い。
•
既知のエ レ メ ン ト
アプ リ ケーシ ョ ン の動作の情報は、 入力フ ァ イ ルで定義 さ れてい ないア ク テ ィ ビ テ ィ を定義す る 際に役立つの
で、 こ の手順はデザ イ ンのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力を算出する のに重要です。
°
I/O ア ク テ ィ ビ テ ィ
I/O イ ン タ ーフ ェ イ ス のデー タ パ タ ーンがわか っ てい る 場合は、 こ のア ク テ ィ ビ テ ィ (信号レー ト お よ び ス
タ テ ィ ッ ク 確 率 (% High)) を Vivado IDE の [Properties] ビ ュ ー の [Power] タ ブ ま た は Tcl コ マ ン ド
set_switching_activity で指定 し ます。ス プ レ ッ ド シー ト な ど別の ツールで電源ご と の総消費電力を算出 し てい
ない場合、 出力の終端方法を指定 し て、 [Report Power] コ マ ン ド で FPGA の電源か ら こ れ ら の外部 コ ン ポー
ネ ン ト に供給する 電力量が含め ら れ る よ う に し ます。
°
制御信号のア ク テ ィ ビ テ ィ
[Report Power] コ マン ド では、すべての制御信号が [Power] ビ ュ ーの [Signals] ページに表示 さ れます。 アプ リ
ケーシ ョ ンの予測 さ れ る 動作か ら 、一部のセ ッ ト / リ セ ッ ト 信号が通常のデザ イ ン動作ではア ク テ ィ ブではな
い こ と な ど がわか る 場合は、 こ れ ら の信号の ア ク テ ィ ビ テ ィ を 調整す る 必要が あ り ま す。 同様に、 ア プ リ
ケーシ ョ ンに含まれ る 一部の信号に よ り 、 ブ ロ ッ ク が使用 さ れない と き にブ ロ ッ ク 全体がデ ィ ス エーブルに
な る 場合があ り ます。 機能に合わせてア ク テ ィ ビ テ ィ を調整 し て く だ さ い。 合成お よ び配置配線アルゴ リ ズ
ム では、 RTL 記述を最適化す る ために制御信号が推論 ま たはマ ッ プ し 直 さ れ る こ と が あ る ので、 こ れ ら の
ビ ュ ーに表示 さ れ る 信号に不明な信号が含まれてい る こ と があ り ます。 こ れ ら の信号は、 ツールに よ り ア ク
テ ィ ビ テ ィ を決定 さ せます。
I/O ア ク テ ィ ビ テ ィ お よ び制御信号のア ク テ ィ ビ テ ィ 値の設定方法は、 第 5 章の 「Vivado IDE か ら の What If? 解
析の実行」 を参照 し て く だ さ い。
消費電力解析および最適化
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手法
デバイ ス/デザイ ン設定を確認 し て既知のエ レ メ ン ト のア ク テ ィ
ビ テ ィ を調整
[Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク スは、 Flow Navigator で [Report Power] を ク リ ッ ク す る と 開 き ます。 こ のダ イ ア ロ グ
ボ ッ ク ス で消費電力設定を確認 し 、 既知のエ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ テ ィ を調整 し ます (図 4-2)。
X-Ref Target - Figure 4-2
図 4-2 : [Report Power] ダ イ ア ログ ボ ッ ク ス
消費電力解析および最適化
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手法
•
[Output text file]
プ ロ ジ ェ ク ト の記録 と し て消費電力予測結果を保存する 必要があ る 場合があ り ます。 ま た、 パフ ォーマン ス ま た
はエ リ ア制約を満たすために別のマ ッ プ、 配置、 お よび配線オプシ ョ ン を試す場合、 各試行の消費電力結果を保
存 し てお く と 、 複数の条件で要件が満た さ れた と き に最 も 消費電力が低い ソ リ ュ ーシ ョ ン を選択す る のに役立ち
ます。
•
[Output XPE file] (Xilinx Power Estimator 用)
環境情報、 デバ イ ス 使用量、 デザ イ ン ア ク テ ィ ビ テ ィ すべて を 1 つの フ ァ イ ル (.xpe) に保存 し 、 Xilinx Power
Estimator ス プ レ ッ ド シー ト に イ ンポー ト で き ます。 消費電力要件を超え てお り 、 ツールの最適化機能だけでは要
件を満たす こ と がで き ない よ う な場合に有益です。こ の場合、現在の イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン結果を Xilinx Power
Estimator に イ ンポー ト し 、 異な る マ ッ プ、 ゲーテ ィ ン グ、 畳み込み、 お よ びその他の手法を試 し て、 それ ら の消
費電力への影響を予測 し てか ら 、 RTL コ ー ド を変更 し 、 イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン を再実行 し ます。 ま た、 Xilinx
Power Estimator ス プ レ ッ ド シー ト での予測 と 合成結果を比較 し て、 Xilinx Power Estimator の値を必要に応 じ て変
更 し ます。
各シー ト を確認 し て、 シ ス テ ムが正 し く 表現 さ れてい る か確認 し ます。
•
[Environment] タ ブ : [Environment] タ ブで編集可能なオプシ ョ ン を確認 し ます。 プ ロ セ ス、 電圧、 環境デー タ が意
図 し た環境に近い も のであ る こ と を確認 し ます。 こ れ ら の設定は、 予測 さ れ る 総消費電力に大き く 影響 し ます。
[Environment] タ ブでは、 次のオプシ ョ ン を設定で き ます。
[Device Settings]
-
[Temp Grade] : デバ イ ス に適 し た温度グ レー ド を選択 し ます。 通常は [Commercial] ま たは [Industrial] で
す。 こ の設定に よ り ス タ テ ィ ッ ク 消費電力仕様が異な る デバ イ ス も あ り ます。 こ れを適切に設定す る こ
と に よ り 、 選択 し たデバ イ ス に対 し て正 し いジ ャ ン ク シ ョ ン温度範囲が表示 さ れます。
-
[Process] : ワース ト ケース解析では、 [Maximum] に設定す る こ と をお勧め し ます。 デフ ォ ル ト 設定は
[Typical] で、 ス タ テ ィ ッ ク に計測 し た場合に近い結果が得 ら れますが、 [Maximum] に変更す る と 、 消費
電力仕様が ワ ース ト ケース の値に変更 さ れます。
[Environment Settings]
-
[Output Load] (pF) : I/O ポー ト の出力で駆動 さ れ る ボー ド お よ びその他の外部容量を指定 し ます。
-
[Ambient Temperature] (°C) : FPGA デザ イ ン を含むエン ク ロ ージ ャ 内で達す る 可能性のあ る 最大温度を
指定 し ます。 こ の設定 と 、 エア フ ロ ーやその他の放熱経路 ( ヒ ー ト シ ン ク な ど) に よ り 、 ジ ャ ン ク シ ョ ン
温度が正確に算出 さ れ、 デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力が よ り 正確に算出 さ れます。
-
[Airflow] (LFM) : チ ッ プのエア フ ロ ーは、 LFM ( リ ニ ア フ ィ ー ト /分) で計測 さ れます。 LFM は、 CFM
(立方 フ ィ ー ト /分) で表 さ れた フ ァ ン の出力を 空気が通過す る 断面で除算 し て求め る こ と がで き ま す。
FPGA お よ びフ ァ ンの具体的な配置が FPGA 上の空気の動き に影響 し 、 放熱に影響す る 可能性があ り ま
す。 こ のパ ラ メ ー タ ーのデフ ォ ル ト 値は 250LFM です。 エア フ ロ ーな し (静止空気中) で FPGA を動作 さ
せる 場合、 デフ ォル ト の 250LFM を 0LFM に変更す る 必要があ り ます。
-
[Heat Sink] : ヒ ー ト シ ン ク を使用 し てお り 、 詳細な放熱情報がない場合は、 使用す る ヒ ー ト シ ン ク の タ
イ プに適切なプ ロ フ ァ イ ルを 選択 し ま す。 こ のパ ラ メ ー タ ー と ほかのパ ラ メ ー タ ーを使用 し て、 有効
ΘJB が算出 さ れ、 よ り 正確なジ ャ ン ク シ ョ ン温度お よ び静止消費電力が算出 さ れます。 ソ ケ ッ ト の設計
お よ び構造に よ っ て、 ヒ ー ト シ ン ク と し て機能する も の も あ り ます。
-
[Board Selection] お よ び [# of Board Layers] : ボー ド のおお よ そのサ イ ズ と ス タ ッ ク を選択す る と 、ボー ド
自体の熱伝導性を考慮する こ と に よ り 、 有効 ΘJB の算出に役立ち ます。
-
[ΘJB] : ボー ド お よ びシ ス テ ムの よ り 正確な温度モデルが存在す る 場合は、FPGA か ら の放熱量を し てい
する ために ΘJB (プ リ ン ト 回路基板 の熱抵抗) を使用す る 必要があ り ます。
注記 : カ ス タ ム [Θ JB] を指定す る には、 [Board Selection] を [Custom] に設定す る 必要があ り ます。 カ ス
タ ム [ΘJB] を指定す る 場合は、 正確な消費電力を算出す る ため、 [Board Temperature] も 指定す る 必要が
あ り ます。
消費電力解析および最適化
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手法
よ り 正確な カ ス タ ム [ΘJB] を指定す る と 、 ジ ャ ン ク シ ョ ン温度が よ り 正確に予測 さ れ、 デバ イ ス の ス タ
テ ィ ッ ク 消費電力を よ り 正確に算出で き る よ う にな り ます。
•
[Power Supply] タ ブ : 電源情報が既知の場合は、 [Power Supply] タ ブで各電源に正 し い電圧値が設定 さ れてい る こ
と を確認 し ます。 電圧は、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力お よ びダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力の両方に大き く 影響 し ます。
•
[Clocks] タ ブ :
°
°
•
•
すべての ク ロ ッ ク が指定 さ れてい る こ と を確認 し ます。 推奨は し ませんが、 場合に よ っ ては、 イ ンプ リ メ ン
テーシ ョ ン ツールでの処理エ フ ォー ト を高 く し た り 、 タ イ ミ ン グ マージ ン を大 き く す る ために、 デザ イ ン
の制約を厳 し く 設定する こ と があ り ます。 消費電力予測では、 デザ イ ンがボー ド で実行 さ れ る 際の実際の ク
ロ ッ ク 周波数を使用する 必要があ り ます。 そ う でない と 、 デザ イ ンのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力の精度が下が り
ます。
[Show Constrained Clocks] リ ン ク を ク リ ッ ク す る と 、 デザ イ ンで制約 さ れてい る ク ロ ッ ク がすべて リ ス ト さ
れます。 ク ロ ッ ク 周波数が正 し く 設定 さ れてい る こ と を確認 し ます。
[Default Activity Rates] タ ブ : [Default Activity Rates] タ ブで ツールの現在のデフ ォ ル ト 値を確認 し 、 アプ リ ケー
シ ョ ンの値がデフ ォル ト 値か ら 大き く ずれないかを予測 し 、 調整が必要か ど う か を判断 し ます。 こ れ ら の設定は
多数の代表的なユーザー デザ イ ンに基づいてい る ので、変更 し ない こ と をお勧め し ます。GUI ま たは入力フ ァ イ
ルか ら ア ク テ ィ ビ テ ィ が供給 さ れなか っ た ノ ー ド に対 し て、 こ れ ら の値がシー ド と し て使用 さ れ ます。 こ の後、
伝搬エ ン ジ ン に よ り 各 ノ ー ド の ア ク テ ィ ビ テ ィ が ロ ジ ッ ク の駆動 コ ーン か ら 伝搬 さ れ る ア ク テ ィ ビ テ ィ に基づ
いて変更 さ れ る ので、 こ れ ら の値は伝搬エン ジ ンに よ り 上書き さ れ る 可能性が高 く あ り ます。
°
[Set Signal Probability] : セ ッ ト 信号 と し て コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン さ れ る デザ イ ンの全プ ラ イ マ リ 入力の可
能性を % で指定 し た値に設定 し ます。
°
[Reset Signal Probability] : リ セ ッ ト 信号 と し て コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン さ れ る デザ イ ンの全プ ラ イ マ リ 入力
の可能性を % で指定 し た値に設定 し ます。
°
[Enable Signal Probability] : ク ロ ッ ク イ ネーブル信号 と し て コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン さ れ る デザ イ ンの全プ
ラ イ マ リ 入力の可能性を % で指定 し た値に設定 し ます。
°
[IO Toggle Rate] : デザ イ ンの全プ ラ イ マ リ 入力の ト グル レー ト を指定 し た値に設定 し ます。
°
[IO Enable Probability] : IO イ ネーブル信号 と し て コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン さ れ る デザ イ ンの全プ ラ イ マ リ 入
力の可能性を % で指定 し た値に設定 し ます。
°
[Register Toggle Rate] : デザ イ ンの順次エ レ メ ン ト の全出力の ト グル レー ト を指定 し た値に設定 し ます。
°
[BRAM Write Probability] : デザ イ ンの全 BRAM 書き 込み イ ネーブル信号の可能性を % で指定 し た値に設定
し ます。
°
[BRAM Enable Probability] : デザ イ ンの全 BRAM イ ネーブル信号の可能性を % で指定 し た値に設定 し ます。
°
[DSP Toggle Rate] : デザ イ ンの DSP の全出力の ト グル レー ト を指定 し た値に設定 し ます。
[Input Files] タ ブ : Vivado の [Report Power] を実行す る には、 デザ イ ンに対 し て生成 さ れた SAIF ま たは VCD シ
ミ ュ レーシ ョ ン デー タ を入力 と し て使用 し ます。 [Report Power] コ マン ド では、 デザ イ ン デー タ ベース内のネ ッ
ト を シ ミ ュ レーシ ョ ン結果のネ ッ ト リ ス ト 内の名前 と 一致 さ せます。 シ ミ ュ レ ーシ ョ ン結果 (SAIF ま たは VCD
フ ァ イ ル) か ら の情報を入力 し て、 さ ら に精度の高い消費電力解析を取得す る 方法については、 「解析に使用す る
入力デー タ の指定」 を参照 し て く だ さ い。
解析の実行
[Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス に必要なデー タ を入力 し た ら 、 解析を実行 し ます。 フ ァ イ ルお よ びユーザー入力
に よ り 供給 さ れた ア ク テ ィ ビ テ ィ がネ ッ ト リ ス ト がア ノ テー ト さ れ、 残 り の未定義の ノ ー ド にデフ ォ ル ト 値が適用 さ
れます。 その後、 未定義の ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ 予測の精度を上げ る ため、 こ の初期ア ク テ ィ ビ テ ィ が主な入力か
ら デザ イ ンの主な出力に伝搬 さ れます。 最後に、 使用 さ れ る 各 リ ソ ース のダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力が算出 さ れ、 こ れ ら
の リ ソ ース での ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ に よ り 生成 さ れ る 追加の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力が推論 さ れ、デバ イ ス で
予測 さ れ る ジ ャ ン ク シ ョ ン温度お よ び総消費電力要件が算出 さ れます。
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手法
デザイ ン での電力配分の確認
消費電力解析が完了 し た ら 、[Power] ビ ュ ーの [Summary] ページで [Total On-Chip Power] (総オンチ ッ プ消費電力) お よ
び温度プ ロ パテ ィ を確認 し ます。 [On-Chip Power] グ ラ フ では、 デバ イ ス リ ソ ース タ イ プご と の消費電力が示 さ れま
す。 こ のグ ラ フ か ら 、 デザ イ ンで最 も 消費電力が高い箇所を特定で き ます (図 4-3)。
X-Ref Target - Figure 4-3
図 4-3 : Vivado 消費電力解析 : 消費電力レポー ト
[Power Supply] ページには、 各電源の電流お よ びその ス タ テ ィ ッ ク 消費電力お よ びダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力の内訳が表
示 さ れます。
[Utilization Details] の下で リ ソ ース タ イ プ を選択す る と 、 その リ ソ ース におけ る 消費電力の詳細を表示で き ます
(図 4-4)。 各 リ ソ ース のページは、 ツ リ ー形式の表にな っ てい ます。 列ヘ ッ ダーを ド ラ ッ グす る と 、 列の順序を変更で
き ます。 ま た、 列ヘ ッ ダーを ク リ ッ ク する と 並べ替え順を変更で き ます。
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手法
X-Ref Target - Figure 4-4
図 4-4 : Vivado 消費電力解析 : I/O の消費電力の詳細
レ ポー ト さ れてい る 消費電力が要件を超え てい る 場合は、 第 6 章 「消費電力削減のための ヒ ン ト お よ び手法」 のデバ
イ ス の消費電力を削減する 手法を参照 し て く だ さ い。 使用で き る 手法は、 デザ イ ンの完成度や開発プ ロ セ ス の変更許
容度に よ っ て異な り ます。
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第 5章
Vivado Design Suite での消費電力解析お よび
最適化
概要
こ の章では、 Vivado™ Design Suite で実行可能な消費電力に関連 し た機能お よ びフ ロ ーを説明 し 、 消費電力予測、 解
析、 お よ び最適化を実行で き る よ う に し ます。
消費電力解析は、 合成後、 配置後、 ま たは配線後に実行で き ます。 RTL エ ラ ボ レーシ ョ ン後には実行で き ません。
消費電力の最適化は、 合成後にのみ実行で き ます。
消費電力の解析お よ び最適化は、 Vivado IDE ま たは Tcl プ ロ ンプ ト のいずれかを使用 し て実行可能で、 ダ イ ナ ミ ッ ク
に What If? シナ リ オを試す こ と がで き ます。
消費電力解析
Vivado IDE の消費電力に関連 し た機能を使用す る と 、デザ イ ンの イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ンで次の消費電力予測お よ び
解析を実行で き ます。
•
デザ イ ンの ス タ テ ィ ッ ク 消費電力に影響する 次の温度特性を レ ポー ト
°
ジ ャ ン ク シ ョ ン温度、 周囲温度な ど の温度値
°
ボー ド 層の数、 ボー ド の温度な ど、 選択 し たボー ド に関する デー タ
°
デザ イ ンで使用 さ れ る エア フ ロ ーお よ び ヒ ー ト シ ン ク プ ロ フ ァ イ ルのデー タ
•
各種電源の FPGA 電流要件の レ ポー ト
•
消費電力の分配を詳細に解析する こ と に よ り 、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力、 熱消費電力、 ま たはオ フチ ッ プ消費電力
を削減する 消費電力節約ス ト ラ テジ を特定
図 5-1 に、 典型的な消費電力予測お よ び解析フ ロ ーを示 し ます。 高精度の結果を得 ら れ る よ う 、 予測ま たは解析を実
行す る 前に必要な ツールへの入力お よ び設定 を行 う 手順 も 含 ま れて い ま す。 消費電力予測お よ び解析 コ マ ン ド は、
Vivado IDE ま たは Tcl プ ロ ンプ ト か ら 実行で き ます。
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消費電力解析
X-Ref Target - Figure 5-1
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;
図 5-1 : 消費電力予測および解析フ ロー
サポー ト さ れる フ ァ ミ リ
•
ザ イ リ ン ク ス 7 シ リ ーズ FPGA デバ イ ス
サポー ト さ れる入力
•
タ イ ミ ン グ制約を指定する XDC 制約フ ァ イ ル
•
ビヘ イ ビ アーま たは タ イ ミ ン グ シ ミ ュ レーシ ョ ンか ら のシ ミ ュ レーシ ョ ン出力ア ク テ ィ ビ テ ィ フ ァ イ ル
(SAIF/VCD フ ァ イ ル)
•
環境、動作条件、ツール デフ ォル ト 、お よび個々のネ ッ ト リ ス ト ノ ー ド ア ク テ ィ ビ テ ィ を指定す る XDC/Tcl フ ァ
イ ル コ マン ド
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消費電力解析
サポー ト さ れる出力
•
GUI お よ びテ キ ス ト 形式の消費電力レ ポー ト
•
指定のネ ッ ト リ ス ト エ レ メ ン ト の使用量お よ び統計を取得す る Tcl コ マン ド
•
Vivado IDE ビ ュ ーで さ ら に解析す る ためのネ ッ ト リ ス ト
Vivado IDE を使用 し た消費電力解析
消費電力予測は、 合成後のデザ イ ン フ ロ ーの ど の段階で も 実行で き ます。 図 5-2 に、 Vivado IDE で消費電力予測を実
行 し 、 設定 メ ニ ュ ーにア ク セ スする 方法を示 し ます。
X-Ref Target - Figure 5-2
図 5-2 : Vivado IDE での消費電力予測の実行
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消費電力解析
Vivado IDE からの消費電力解析の設定
[Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス で環境、 ア ク テ ィ ビ テ ィ 、 電源、 お よ びツール デフ ォ ル ト を指定す る には、 次を
実行 し ます。 図 5-2 を参照 し て く だ さ い。
1.
[Flow] → [Open Synthesized Design] ま たは [Flow] → [Open Implemented Design] を ク リ ッ ク し ます。
ま たは、 Flow Navigator で こ れ ら を ク リ ッ ク し ます。
2.
[Tool] → [Report Power] を ク リ ッ ク し ます。
ま たは、 Flow Navigator で [Report Power] を ク リ ッ ク し ます。
3.
[Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス で、 デバ イ ス の環境お よ びツール設定を指定 し ます。
°
[Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス の各 タ ブで、 デザ イ ンの環境に合わせて設定を変更 し ます。
°
環境お よ び電圧設定は、 デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力に大き く 影響 し ます。
°
ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト お よ び電圧設定は、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力に大 き く 影響 し ます。
°
特定の設定が不明の場合は、 デフ ォル ト の値を使用 し て く だ さ い。
°
シ ミ ュ レーシ ョ ン結果か ら のア ク テ ィ ビテ ィ フ ァ イ ルがあ る場合、こ のダ イ ア ロ グ ボ ッ ク スで指定で き ます。
こ れ ら の段階の詳細は、 第 4 章の 「デバ イ ス/デザ イ ン設定を確認 し て既知のエ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ テ ィ を調
整」 を参照 し て く だ さ い。
4.
レ ポー ト 名を指定 し ます。
Vivado IDE からの消費電力解析の実行
[Run] を ク リ ッ ク し て消費電力解析を実行 し ます。 ツールで次が実行 さ れます。
1.
環境、 デバ イ ス、 お よ びツール オプシ ョ ンが考慮 さ れます。
2.
ネ ッ ト リ ス ト の接続お よ びコ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ンが読み込まれます。
3.
定義 し た ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ が適用 さ れます。
ノ ー ド と は、 ネ ッ ト 、 ピ ン、 ポー ト な ど の コ ンポーネ ン ト です。
4.
残 り の未定義 ノ ー ド のア ク テ ィ ビ テ ィ が決定 さ れ、 温度お よ び電源電力が算出 さ れます。
消費電力解析では、 ア ク テ ィ ビ テ ィ の定義に次の よ う な情報が使用 さ れます。
•
シ ミ ュ レーシ ョ ン フ ァ イ ル (SAIF/VCD)
•
ベ ク タ ーレ ス消費電力解析手法を使用 し た自動計算
•
set_switching_activity Tcl コ マン ド を使用 し た手動定義
詳細は、 「Tcl プ ロ ンプ ト か ら の消費電力解析の実行」 を参照 し て く だ さ い。
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消費電力解析
Vivado IDE からの消費電力レポー ト の解析
消費電力レ ポー ト お よ び解析ビ ュ ーは Vivado IDE に統合 さ れてい ます (図 5-3)。 さ ま ざ ま な消費電力ビ ュ ーを表示で
き る だけではな く 、 既存の ビ ュ ー と 連動 さ せる こ と も 可能です。
•
[Power] ビ ュ ーの [Settings] ページに、 消費電力の算出に使用 さ れたデバ イ ス、 ツール、 お よ び環境設定がすべて
表示 さ れます。
•
[Summary] ページには、 重要な温度お よ び電源電力の結果のサマ リ が表示 さ れます。
[Utilization Details] セ ク シ ョ ンの各 リ ソ ース タ イ プのページ ま たは [Netlist] ビ ュ ーでので リ ソ ース タ イ プを選択す る
と 、 [Properties] ビ ュ ーの [Statistics] タ ブに選択 し たエ レ メ ン ト の コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン、 使用量、 ア ク テ ィ ビ テ ィ
の詳細が表示 さ れます。 複数の レ ポー ト を生成 し て、異な る 動作条件やア ク テ ィ ビ テ ィ パ タ ーンでの消費電力を予測
で き ます。
X-Ref Target - Figure 5-3
図 5-3 : Vivado IDE での消費電力情報
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消費電力解析
Vivado IDE からの What If? 解析の実行
What If? 解析を実行す る には、 デザ イ ンのネ ッ ト お よ び イ ン ス タ ン ス に対 し て信号レー ト お よ びス タ テ ィ ッ ク 確率を
設定 し ます。 こ れ ら の値は、 [Properties] ビ ュ ーの [Power] タ ブで設定 し ます (図 5-4)。
X-Ref Target - Figure 5-4
図 5-4 : [Properties] ビ ュ ーの [Power] タ ブ
Tcl プ ロ ン プ ト を使用 し た消費電力解析
こ のセ ク シ ョ ンでは、 Tcl イ ン タ ーフ ェ イ ス を使用 し た典型的な消費電力解析フ ロ ーを説明 し ます。 「消費電力解析の
Tcl コ マ ン ド 」 に、 消費電力解析に関連す る コ マン ド を リ ス ト し ます。
特定の コ マ ン ド のオプシ ョ ン、 属性、 適用可能なエ レ メ ン ト 、 お よ び戻 り 値は、 次を参照 し て く だ さ い。
•
「<command_name> -help」 と 入力
•
『Vivado Design Suite Tcl コ マ ン ド リ フ ァ レ ン ス ガ イ ド 』 (UG835) を参照
•
『Vivado Design Suite ユーザー ガ イ ド : 制約の使用』 (UG903) を参照
消費電力解析の Tcl コ マ ン ド
•
read_saif
•
set_switching_activity
•
set_default_switching_activity
•
set_operating_conditions
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消費電力解析
•
read_vcd
•
report_switching_activity
•
reset_default_switching_activity
•
report_operating_conditions
•
report_power
•
reset_switching_activity
•
report_default_switching_activity
•
reset_operating_conditions
•
set_units
Tcl プ ロ ン プ ト からの消費電力解析の設定
消費電力予測を実行する 前に、 デバ イ ス の環境、 デザ イ ン ネ ッ ト リ ス ト の既知の ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ レー
ト を指定する 必要があ り ます。 こ れに よ り 、 消費電力予測が正確な も のにな り ます。
•
「デバ イ ス環境」
•
「ネ ッ ト リ ス ト エ レ メ ン ト ア ク テ ィ ビ テ ィ 」
•
「最小限の入力セ ッ ト 」
デバイ ス環境
次の よ う なデバ イ ス動作条件をすべて指定 し ます。
•
•
•
温度
°
周辺温度
°
ヒ ー ト シン ク
電圧
°
VCCINT
°
VCCAUX
°
VCCO
デバ イ ス
°
温度グ レー ド
°
プ ロ セ ス コ ーナー
次の コ マ ン ド を使用 し ます。
•
report_operating_conditions
すべて ま たは指定 し た動作条件設定を レ ポー ト し ます。
•
set_operating_conditions
指定 さ れてい る 動作条件パ ラ メ ー タ ーを変更 し ます。
•
reset_operating_conditions
指定 さ れてい る 動作条件パ ラ メ ー タ ーま たはすべてのパ ラ メ ー タ ーを、 選択 し たデバ イ ス のデフ ォ ル ト 値に戻 し
ます。
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消費電力解析
ネ ッ ト リ ス ト エレ メ ン ト アクテ ィ ビテ ィ
次の コ マ ン ド を使用 し て、 信号レー ト お よ び ス タ テ ィ ッ ク 確率な ど の ス イ ッ チ ン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ 、 お よ び既知の
ネ ッ ト リ ス ト エ レ メ ン ト の ク ロ ッ ク 波形情報を定義 し ます。
•
•
report_switching_activity
°
指定 し たエ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ テ ィ を レ ポー ト し ます。
°
複数のエ レ メ ン ト を指定する と 、 平均ア ク テ ィ ビ テ ィ が返 さ れます。
set_switching_activity
指定 し たエ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ テ ィ を設定 し ます。
•
reset_switching_activity
指定 し たネ ッ ト リ ス ト のエ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ テ ィ を ツールのデフ ォル ト 値に リ セ ッ ト し ます。
•
report_default_switching_activity
指定 し たデフ ォル ト タ イ プのデフ ォ ル ト のア ク テ ィ ビ テ ィ を レ ポー ト し ます。
•
set_default_switching_activity
指定 し たデフ ォル ト の タ イ プのア ク テ ィ ビ テ ィ を設定 し ます。
•
reset_default_switching_activity
指定 し たデフ ォル ト タ イ プのア ク テ ィ ビ テ ィ を リ セ ッ ト し ます。
•
read_saif
SAIF シ ミ ュ レーシ ョ ン出力フ ァ イ ルを読み込んで、 一致す る ネ ッ ト リ ス ト エ レ メ ン ト に こ の フ ァ イ ルに記述 さ
れてい る ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を ア ノ テー ト し ます。
•
read_vcd
VCD シ ミ ュ レーシ ョ ン出力フ ァ イ ルを読み込んで、 一致す る ネ ッ ト リ ス ト エ レ メ ン ト に こ の フ ァ イ ルに記述 さ
れてい る ス イ ッ チン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を ア ノ テー ト し ます。
•
create_clock
ク ロ ッ ク 波形を指定する 合成/ イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン制約です。
•
create_generated_clock
生成 ク ロ ッ ク 波形を指定する 合成/ イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン制約です。
デフ ォル ト では、 create_clock お よ び create_generated_clock は XDC フ ァ イ ルで定義 さ れてい る ので、 再び定義す る 必
要はあ り ません。
消費電力解析および最適化
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消費電力解析
最小限の入力セ ッ ト
消費電力予測を実行する 前に、 次を実行 し ます。
•
ネ ッ ト リ ス ト に含まれてい る すべての ク ロ ッ ク のア ク テ ィ ビ テ ィ が定義 さ れてい る こ と を確認 し ます。
•
可能な場合、 Tcl コ マン ド を使用 し てデザ イ ンに含まれ る プ ラ イ マ リ 入力ポー ト のア ク テ ィ ビ テ ィ を指定す る か、
ま たはシ ミ ュ レーシ ョ ン出力フ ァ イ ルを読み込みます。こ れ ら のポー ト のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト が内部 ロ ジ ッ ク
のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を決定す る ので、 ツールのデフ ォル ト 設定がアプ リ ケーシ ョ ン と 一致 し ていない と 、内
部 ロ ジ ッ ク のア ク テ ィ ビ テ ィ が正 し く 予測 さ れない可能性があ り ます。
•
HDL コ ー ド で定義 さ れてい る グ ロ ーバル セ ッ ト 、 リ セ ッ ト 、 ク ロ ッ ク イ ネーブル信号な ど、 フ ァ ン ア ウ ト が大
き いネ ッ ト のア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト がわか っ てい る 場合は指定 し ます。
シ ミ ュ レーシ ョ ン結果フ ァ イ ルを読み込む場合は、 典型的ま たは ワ ース ト ケース のデザ イ ン ア ク テ ィ ビ テ ィ が示 さ
れてい る こ と を確認 し て く だ さ い。 特殊な状況のシ ミ ュ レーシ ョ ン結果を使用す る と 、 消費電力が正確に予測 さ れな
い可能性があ り ます。
Tcl プ ロ ン プ ト からの消費電力解析の実行
環境お よ びア ク テ ィ ビ テ ィ をすべて定義 し た ら 、 report_power コ マ ン ド を使用 し て消費電力解析アルゴ リ ズ ム を
実行で き ます。 ツールで次が実行 さ れます。
1.
環境設定お よ びデザ イ ンのネ ッ ト リ ス ト が読み込まれます。
2.
入力フ ァ イ ルま たは Tcl コ マン ド を使用 し て指定 し たネ ッ ト リ ス ト エ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ テ ィ がア ノ テー ト
さ れます。
注記 : 未定義の ノ ー ド には、 ベ ク タ ーレ ス伝搬エン ジ ンに よ り 、 既知のエ レ メ ン ト のア ク テ ィ ビ テ ィ 、 ロ ジ ッ ク
コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン、 接続に基づいて ア ク テ ィ ビ テ ィ が予測 さ れます。
3.
デザ イ ンの温度お よ び電源電力が計算お よ びレ ポー ト さ れます。
Tcl プ ロ ン プ ト からの消費電力レ ポー ト の解析
デザ イ ンの消費電力を解析する には、 まず消費電力レ ポー ト に含まれてい る 温度お よ び電源電力情報を確認 し ます
(図 5-5)。
次に、 要件に対する デザ イ ン マージ ンに よ っ て、 リ ソ ース ま たは階層セ ク シ ョ ン を確認 し ます。 こ れ ら のセ ク シ ョ ン
には、 デザ イ ンの消費電力の分配が詳細に示 さ れます。 解析の結果、 Xilinx Power Esitimator に戻 り 、 デザ イ ンのアー
キテ ク チ ャ シナ リ オ を実行す る 必要が出て く る こ と があ り ます。
What If? シナ リ オを実行 し 、 次の設定を変更 し た場合の影響を評価で き ます。
•
環境
•
デバ イ ス
•
イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン
•
消費電力ツール
消費電力解析および最適化
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45
消費電力解析
X-Ref Target - Figure 5-5
図 5-5 : 消費電力および温度情報を含むテキス ト 形式レポー ト
例
Vivado に含まれてい る cpu_hdl デザ イ ン を使用 し た場合の、 上記のセ ク シ ョ ンで説明 し た コ マン ド のほ と ん ど を含
むス ク リ プ ト 例を示 し ます。
消費電力レ ポー ト は Tcl コ マ ン ド を使用 し てダ イ ナ ミ ッ ク に実行で き ます。 次に例を示 し ます。
vivado -mode batch -source power_analysis.tcl
ま たは、 Tcl ス ク リ プ ト を使用する こ と も で き ます。 次に、 バ ッ チ モー ド で ス ク リ プ ト を実行す る 場合の ス ク リ プ ト
例を示 し ます。
消費電力解析および最適化
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46
消費電力解析
例 1 : プ ロ ジ ェ ク ト モー ド での合成後お よび イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン後の消費電
力予測お よび比較
#--------------------- Setup estimation --------------------# Open project with HDL source files and timing constraints
open_project $install_directory/project_cpu_hdl/project_cpu_hdl.ppr
# Display tool default assumed operating conditions
report_operating_conditions -all
# Set specific device and environment operating conditions
set_operating_conditions -ambient 25
set_operating_conditions -voltage {vccint 0.95 vccaux 1.71}
#----------------------- Run Synthesis then Power estimation ----------------# Run Vivado Design Suite synthesis and automatically
launch_runs synth_1
#open design
open_run synth_1
# Generate verbose post-synthesis power report
report_power -verbose -file ex1_post-synthesis.pwr
#------------------------ Run Implementation then Power estimation ----------launch_runs impl_1
#open design
open_run impl _1
# Generate post-implementation verbose power report
report_power -file ex1_post-implementation.pwr
# Return operating conditions to default for device
reset_operating_conditions -ambient -voltage {vccint vccaux} # could use '-all'
例 2 : 非プ ロ ジ ェ ク ト モー ド での合成後および イ ン プ リ メ ン テーシ ョ ン後の消費
電力予測お よび比較
#--------------------- Setup estimation --------------------# Open netlist in projectless mode
read_edif -name top.edf
# read design constraints
read_xdc -name top_full.xdc
# Display tool default assumed operating conditions
report_operating_conditions -all
# Set specific device and environment operating conditions
set_operating_conditions -ambient 25
set_operating_conditions -voltage {vccint 0.95 vccaux 1.71}
消費電力解析および最適化
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消費電力解析
#----------------------- Power estimation post synthesis ----------------# Generate verbose post-synthesis power report
report_power -verbose -file ex1_post-synthesis.pwr
#----Run various Implementation steps then Power estimation after every step -------opt_design
report_power -verbose -file ex1_post-opt_design.pwr
power_opt_design ;# Optional
report_power -verbose -file ex1_post_pwr_opt_design.pwr
place_design
report_power -verbose -file ex1_post_place_design.pwr
phys_opt_design ;# Optional
report_power -verbose -file ex1_post_phys_opt_design.pwr
route_design
# Generate post-route verbose power report
report_power -verbose -file ex1_post_route_design.pwr
# Return operating conditions to default for device
reset_operating_conditions -ambient -voltage {vccint vccaux} # could use '-all'
例 3 : リ セ ッ ト 時の % High の値が正確である こ と を確認
#
Identify resets in the design
# Query the % high value of the reset identified for the design
report_switching_activity -static_probability reset
# Output is reset:static probability = 0.5 (D)
# Set %high value of reset to 0
set_switching_activity -static_probability 0.0
reset
# Generate post-route verbose power report
report_power -verbose -file ex1_post_route_design.pwr
例 4 : ツールお よびデバイ スの環境設定のレ ポー ト 、 変更、 リ セ ッ ト
イ ンプ リ メ ン ト 済みデザ イ ン を開き 、 次の コ マン ド を入力 し ます。 こ れに よ り 、 デフ ォ ル ト のア ク テ ィ ビ テ ィ 設定が
変更 さ れ、 新 し い消費電力レ ポー ト が生成 さ れます。
#------------------- Report tool default activity settings ------------------# Show tool default activity for the different class of netlist elements
report_default_switching_activity -type all
# Generate power report with tool default settings
report_power -file ex2_tool-default-activity.pwr
消費電力解析および最適化
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消費電力解析
#------------------- Modify tool default activity settings ------------------# Set default clock freq of 100 MHz for all unconstrained clocks
set_default_switching_activity -toggle_rate 100 -type clock
# Increase activity of design inputs from 12.5 to 25% of clock rate
set_default_switching_activity -type input -static_probability 50 -toggle_rate 25
# Report static and dynamic power implications
report_power -file ex2_modified-default-activity.pwr
#------------------- Reset tool default activity settings ------------------# Return activity of design inputs to default
reset_default_switching_activity -all
例 5 : What If? デザイ ン解析/レポー ト 、 デザイ ン ア ク テ ィ ビ テ ィ の変更、 リ セ ッ ト
消費電力解析での作業はダ イ ナ ミ ッ ク であ り 、 What If? シナ リ オを即座に試す こ と がで き ます。 イ ンプ リ メ ン ト 済み
デザ イ ン を開き 、次の コ マン ド を入力 し ます。 こ れに よ り 、サブモジ ュ ール fftEngine の制御信号 ( ク ロ ッ ク イ ネー
ブルお よ び リ セ ッ ト ) のア ク テ ィ ビ テ ィ が変更 さ れ、 こ の階層レベルお よ びデザ イ ン全体の消費電力への影響を評価
で き ます。
#---------------- Report power and activity with default settings -----------# Report power
report_power -file ex3_power_before.pwr
# Get activity of signals of interest
report_switching_activity -object_list [get_nets {fftEngine/reset fftEngine/wb_we_i_reg}]
#---------- scenario with no reset and higher CE activity -------------# disable reset and enable clock enables in module fftEngine most of the time
set_switching_activity -static_probability 0 -object_list [get_nets fftEngine/reset]
set_switching_activity -static_probability 1 -object_list [get_nets fftEngine/wb_we_i_reg]
report_power -file ex3_power_no_reset_activ.pwr
report_switching_activity -object_list [get_nets fftEngine/reset fftEngine/wb_we_i_reg]
#----------- scenario with active reset and low CE activity --------# enable reset and disable clock enable in module fftEngine most of the time
set_switching_activity -static_probability 1 -object_list [get_nets fftEngine/reset]
set_switching_activity -static_probability 0 -object_list [get_nets fftEngine/wb_we_i_reg]
report_power -file ex3_power_reset_activ.pwr
report_switching_activity -object_list [get_nets fftEngine/reset fftEngine/wb_we_i_reg]
消費電力解析および最適化
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消費電力の最適化
消費電力の最適化
Vivado デザ イ ン ツールでは、 さ ま ざ ま な消費電力の最適化が提供 さ れてお り 、 デザ イ ンのダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力を
最大 30% 削減で き ます。 こ れ ら の最適化では、 ASIC で使用 さ れ る ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グ手法が使用 さ れ、 デザ イ ン
の出力に影響 し ない部分や、その ク ロ ッ ク サ イ ク ルで ス テー ト のア ッ プデー ト が不要な部分のア ク テ ィ ビ テ ィ を最小
限に抑え る こ と がで き ます。 最適化は、 デザ イ ン全体に適用する か、 選択 し た部分のみに適用で き ます (図 5-6)。
FPGA のダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力は、 デザ イ ンの さ ま ざ ま な ノ ー ド におけ る ク ロ ッ ク 周波数 (f)、 ノ ー ド 容量 (C)、 FPGA
の動作電圧 (V)、 お よ びア ク テ ィ ビ テ ィ か ら 算出 さ れます。 ほ と ん ど のデザ イ ンでは、 上記のパ ラ メ ー タ ーのい く つ
かは FPGA テ ク ノ ロ ジ (電圧な ど) ま たはデザ イ ン要件 (動作周波数) に よ り 通常固定 さ れ ますが、 デザ イ ン内のモー
ド には FPGA の出力には影響 し ないが ト グル し 続け る も の も あ り 、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力の大 き な部分を占め ます。
こ の よ う な ノ ー ド を FPGA の ク ロ ッ ク イ ネーブル (CE) を使用 し てゲーテ ィ ン グで き ます。 こ れは コ ーデ ィ ン グ手法
で も 達成で き ますが、 デザ イ ンにほかの ソ ー ス か ら の IP が含 まれていた り 、 その よ う な細粒度のゲーテ ィ ン グ を実
行する には多大な労力を要する ため、 ほ と ん ど の場合は実行 さ れません。 Vivado では こ れ ら の消費電力の最適化が 1
つの コ マ ン ド で自動的に実行で き 、 最大限の消費電力削減を簡単に実行で き ます。
Vivado では、 レ ガシ IP ブ ロ ッ ク お よ びサー ド パーテ ィ IP ブ ロ ッ ク を含むデザ イ ン全体が解析 さ れます。 各 ク ロ ッ ク
サ イ ク ルの結果に影響 し ない ソ ース レ ジ ス タ の出力 ロ ジ ッ ク を特定 し 、 細粒度 ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グ ま たは ロ ジ ッ
ク ゲーテ ィ ン グ信号を作成 し て、 不要な ス イ ッ チ イ ン グ ア ク テ ィ ビ テ ィ を除去 し ます。
X-Ref Target - Figure 5-6
%HIRUH
VLJ
$IWHU
3RZHU
&RQVXPSWLRQ
3RZHU
&RQVXPSWLRQ
VLJ
&(
:3BB
図 5-6 : ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ング
ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グに よ る 最適化では、 シ ンプル デ ュ アル ポー ト モー ド ま たは完全なデ ュ アル ポー ト モー ド 両
方の専用ブ ロ ッ ク RAM の消費電力 も 削減 さ れます (図 5-7）。 こ れ ら のブ ロ ッ ク には、 ア レ イ イ ネーブル、 ラ イ ト イ
ネーブル、 お よ び出力レ ジ ス タ の ク ロ ッ ク イ ネーブルな ど の イ ネーブル信号があ り ます。節約 さ れ る 消費電力のほ と
んど はア レ イ イ ネーブルの使用に よ る も ので、 デー タ が書き 込まれず、 出力が使用 さ れない と き に、 消費電力を削減
する 機能が イ ンプ リ メ ン ト さ れます。
重要 : [Power Opt Design] は、 デザ イ ン フ ロ ーの配置前ま たは配置後の ど ち ら かで イ ネーブルにで き ますが、 両方共
で イ ネーブルにする こ と はで き ません。 詳細は、 50 ページの 「消費電力の最適化」 を参照 し て く だ さ い。
消費電力解析および最適化
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50
消費電力の最適化
X-Ref Target - Figure 5-7
%HIRUH
$IWHU
DGGUHVV
DGGUHVV
GDWDRXW
GDWDLQ
GDWDRXW
GDWDLQ
FH
:3BB
図 5-7 : ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ングによ る最適化で ブ ロ ッ ク RAM イ ネーブルを活用
ザ イ リ ン ク ス の ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グ最適化では追加のゲーテ ィ ン グ ロ ジ ッ ク が作成 さ れ、 ユーザー ロ ジ ッ ク が変
更 さ れ る こ と はないので、 デザ イ ンの機能は常に保持 さ れます。
ブ ロ ッ ク RAM の WRITE_MODE の消費電力最適化
True デ ュ アル ポー ト (TDP) のブ ロ ッ ク RAM の場合、 そのポー ト の出力が接続 さ れていなければ、 WRITE_MODE は
WRITE_FIRST か ら NO_CHANGE に変更で き ます
こ れに よ り 、 BRAM の出力ポー ト はア ッ プデー ト さ れないため、 書 き 込みサ イ ク ルの消費電力を節電で き ます。 こ の
最適化は、 ユーザー定義の機能お よ びパフ ォーマ ン ス に影響のない場合にのみ実行 さ れます。
Vivado IDE を使用 し た消費電力最適化
Vivado IDE で消費電力最適化を イ ネーブルにす る には、 [Tools] → [Project Settings] を ク リ ッ ク し 、 [Implementation] を
選択 し て [Power Opt Design] の下の [is_enabled] オプシ ョ ン を オンに し ます (図 5-8)。
こ のオプシ ョ ン を オ ン にす る と 、 消費電力最適化が Vivado IDE の イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン の一部 と し て実行 さ れ ま
す。 最適化を詳細に設定 し 、 その結果を レ ポー ト する 場合は、 「消費電力解析の Tcl コ マン ド 」 を参照 し て く だ さ い。
消費電力解析および最適化
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消費電力の最適化
X-Ref Target - Figure 5-8
図 5-8 : 消費電力最適化オプ シ ョ ン
消費電力最適化 Tcl コ マ ン ド
Vivado には、 消費電力最適化用に 3 つの Tcl コ マン ド があ り ます。
•
set_power_opt
•
power_opt_design
•
report_power_opt
こ れ ら の コ マ ン ド は、 消費電力最適化を有効に し 、 デザ イ ンの最適化を適用す る 部分を指定 し 、 実行 さ れた最適化の
効果を レ ポー ト し ます。
指定 し た コ マ ン ド のオプシ ョ ン、 属性、 適用可能エ レ メ ン ト 、 戻 り 値の詳細は、 次を参照 し て く だ さ い。
•
<command_name> -help を入力
•
『Vivado Design Suite Tcl コ マ ン ド リ フ ァ レ ン ス ガ イ ド 』 (UG835) を参照
•
『Vivado Design Suite ユーザー ガ イ ド : 制約の使用』 (UG903) を参照
消費電力解析および最適化
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消費電力の最適化
消費電力最適化制約の設定
消費電力最適化を実行する 前に、 オプシ ョ ンで消費電力最適化制約を設定 し 、 消費電力最適化を実行す る デザ イ ンの
部分を特定で き ます。 set_power_opt コ マン ド を使用す る と 、 消費電力最適化にセル タ イ プ、 階層レベル、 ク ロ ッ
ク ド メ イ ン を含め る か ど う かな ど を設定で き ます。
ヒ ン ト : こ の場合で も 、 power_opt_design コ マ ン ド を 使用 し て消費電力最適化 を 有効にす る 必要が あ り ま す。
set_power_opt コ マ ン ド は、 最適化を実行す る 部分を指定す る ためにのみ使用 し ます。
set_power_opt コ マ ン ド の構文は、 次の と お り です。
set_power_opt [-include_cells <args>] [-exclude_cells <args>] [-clocks <args>]
[-cell_types <args>] [-quiet] [-verbose]
表 5-1 : set_power_opt のオプ シ ョ ン
オプ シ ョ ン名
必須/
オプ シ ョ ン
デ フ ォル ト
説明
-include_cells
オプシ ョ ン
all
ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グ に含め る イ ン ス タ ン ス を指定 し
ます。
-exclude_cells
オプシ ョ ン
None
ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グ か ら 除外す る イ ン ス タ ン ス を指
定 し ます。
-clocks
オプシ ョ ン
すべ て の ク
ロック
指定 し た ク ロ ッ ク が供給 さ れ る イ ン ス タ ン ス に ク ロ ッ
ク ゲーテ ィ ン グ を適用 し ます。
-cell_types
オプシ ョ ン
all
ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グ を適用す る セル タ イ プ を指定 し
ます。 all、 bram、 reg、 srl、 none のいずれかを指定 し ます。
-quiet
オプシ ョ ン
なし
コ マ ン ド エ ラ ーを無視 し ます。
-verbose
オプシ ョ ン
なし
プ ロ グ ラ ム実行中 メ ッ セージの制限を解除 し 、 すべての
メ ッ セージ を表示 し ます。
例
次の例では、 BRAM お よ び REG セルに対 し て消費電力最適化を設定 し 、 その後 SRL を追加 し てい ます。
set_power_opt -cell_types {bram reg}
set_power_opt -cell_types {srl}
次 の 例 で は、 BRAM セ ル に の み消費電力最低 か を 設定 し 、 そ の 後 cpuEngine ブ ロ ッ ク を 最適化 か ら 除外 し て、
cpuEngine/cpu_dbg_dat_i ブ ロ ッ ク を追加 し てい ます。
set_power_opt -cell_types bram
set_power_opt -exclude_cells cpuEngine
set_power_opt -include_cells cpuEngine/cpu_dbg_dat_i
消費電力解析および最適化
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消費電力の最適化
消費電力最適化の実行
消費電力最適化は、 合成後ま たは opt_design の後、 配置前に実行 し ます。 消費電力最適化を有効にす る と 、 デザ イ ン
船体ま たは set_power_opt で指定 さ れた部分の消費電力が最適化 さ れます。
次に、 典型的な ス ク リ プ ト を示 し ます。
synth_design
opt_design
power_opt_design
place_design
route_design
report_power
こ の コ マ ン ド の構文は、 次の と お り です。
power_opt_design
[-quiet] [-verbose]
表 5-2 : power_opt_design のオプ シ ョ ン
オプ シ ョ ン名
必須/
オプ シ ョ ン
デ フ ォル ト
説明
-quiet
オプシ ョ ン
なし
コ マン ド エ ラ ーを無視 し ます。
-verbose
オプシ ョ ン
なし
プ ロ グ ラ ム 実行中 メ ッ セージ の制限 を 解除 し 、 すべて の
メ ッ セージ を表示 し ます。
消費電力最適化レ ポー ト の生成
report_power_opt コ マン ド を実行す る と 、 ブ ロ ッ ク RAM、 SRL、 レ ジ ス タ な ど、 消費電力最適化が実行 さ れたす
べての イ ン ス タ ン ス が階層別に示 さ れます。 各 イ ン ス タ ン ス に使用 さ れた イ ネーブルに関す る 情報 と 、 イ ネーブルが
Vivado で作成 さ れたのかユーザーに よ り 作成 さ れたのかが示 さ れます。
こ の コ マ ン ド の構文は、 次の と お り です。
report_power_opt [-cell <arg>] [-file <arg>] [-quiet] [-verbose]
表 5-3 : report_power_opt のオプ シ ョ ン
オプ シ ョ ン名
必須/
オプ シ ョ ン
デ フ ォル ト
説明
-cell
オプシ ョ ン
最上位
指定 し たセルの消費電力最適化を レ ポー ト し ます。
-file
オプシ ョ ン
なし
レ ポー ト を出力す る フ ァ イ ルを指定 し ます。 指定 し た フ ァ
イ ルが既に存在す る 場合は、 上書 き さ れます。
-quiet
オプシ ョ ン
なし
コ マン ド エ ラ ーを無視 し ます。
-verbose
オプシ ョ ン
なし
プ ロ グ ラ ム 実行中 メ ッ セージ の制限 を 解除 し 、 すべて の
メ ッ セージ を表示 し ます。
例
次の例では、 myopt.rep と い う フ ァ イ ルを作成 し 、 デザ イ ン全体の消費電力最適化を レ ポー ト し てい ます。
report_power_opt -file myopt.rep
次の例では、myopt.rep と い う フ ァ イ ルを作成 し 、デザ イ ンの mctrl0 サブ階層の消費電力最適化を レ ポー ト し てい ます。
report_power_opt -file myopt2.rep -cell mcore0/mctrl0
消費電力解析および最適化
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消費電力の最適化
消費電力最適化を使用 し た消費電力の最大限の削減
Vivado ツールで消費電力最適化を実行 し た と き に消費電力が最大限に削減 さ れ る よ う にす る には、消費電力最適化を
デザ イ ン全体に実行 し 、 デザ イ ンの一部を除外 し ない よ う に し ます。 消費電力最適化を有効に し て も 消費電力が削減
さ れない場合は、 制約が正 し く 付いてい る か ど う か確認 し ます。 check_timing コ マ ン ド を使用 し て、 デザ イ ンの レ ジ
ス タ すべてに制約が付いてい る かど う か確認て く だ さ い。
デザ イ ンに正 し く 制約が付け ら れていれば、 消費電力最適化に影響す る 可能性のあ る コ ー ド 形式が含まれていないか
確認 し ます。 グ ロ ーバル セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号、 ブ ロ ッ ク RAM イ ネーブルの生成の 3 つが主なデバ ッ グの対象 と な
り ます。 消費電力最適化に生成 さ れた イ ネーブルの数が少ない場合、 コ ー ド ま たは合成お よ び イ ンプ リ メ ン テーシ ョ
ンのオプシ ョ ン/属性を確認す る 必要があ る 可能性があ り ます。
•
グ ロ ーバル セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号
可能な限 り 、 非同期セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号を使用 し ないで く だ さ い (特に、 デー タ パ ス ま たはパ イ プ ラ イ ン フ リ ッ
プフ ロ ッ プ、 ブ ロ ッ ク RAM (BRAM))。
ま た、 power_opt_design でグ ロ ーバル セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号を dont_touch と し て制約 し 、 イ ネーブル と し て使
用 さ れない よ う にする こ と も 考慮 し ます。 HDL で dont_touch 属性を設定する と 、 フ ロ ーのすべての段階で こ
の属性が適用 さ れます。 こ のオプシ ョ ンは、 消費電力最適化用の XDC 制約 と し て設定す る こ と をお勧め し ます。
次にその例を示 し ます。
set_property DONT_TOUCH true [get_cells u1]
最後に、 消費電力最適化お よ びベ ク タ ーレ ス消費電力予測の前に、 グ ロ ーバル セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号の信号レー
ト お よ び確率が正 し く 設定 さ れてい る こ と を確認 し て く だ さ い。
•
ス ラ イ ス レ ジ ス タ お よ び SRL
power_opt_design でデザ イ ン の ス ラ イ ス レ ジ ス タ ま たは SRL に対 し て ク ロ ッ ク イ ネーブルが生成 さ れない原因
は、 多数あ り ます。 次はその例です。
°
•
デザ イ ンに組み合わせループが存在する
°
デザ イ ンへの主な入力が ソ ース と な る フ リ ッ プ フ ロ ッ プお よ び SRL にセ ッ ト / リ セ ッ ト 信号が使用 さ れて
いる
°
デー タ パ ス フ リ ッ プ フ ロ ッ プに非同期セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号が使用 さ れてい る
°
デザ イ ンに多数の ク ロ ッ ク ド メ イ ンがあ り 、 ク ロ ッ ク ド メ イ ン を ま たがっ てい る ために イ ネーブルが生成
さ れない
°
SRL のサ イ ズ : SRL のシ フ ト レ ジ ス タ の段数が大き いほ ど、 すべての段に対 し て 1 つの ク ロ ッ ク イ ネーブ
ルを生成する のが困難にな り ます。
ブ ロ ッ ク RAM
ブ ロ ッ ク RAM (BRAM) が多数使用 さ れ る デザ イ ンでは、消費電力を大 き く 削減で き る 可能性があ り ます。Vivado
では、 さ ま ざ ま な最適化手法を使用 し て イ ネーブルを生成 し 、 消費電力を削減 し ます。 power_opt_design を使用
し て も BRAM のゲーテ ィ ン グがそれほど適用 さ れていない場合は、 次の よ う な原因が考え ら れます。
°
BRAM が主に FIFO18E1/FIFO36E1 イ ン ス タ ン スであ る。 こ れ ら の イ ン ス タ ン スはツールで最適化で き ません。
°
推論ま たは イ ン ス タ ン シエー ト さ れた メ モ リ が、A ポー ト と B ポー ト に別の ク ロ ッ ク を使用 し た完全なデ ュ
アル ポー ト (TDP) モー ド であ り 、 power_opt_design で最適化で き ない。
°
BRAM 自体ま たは BRAM に供給 さ れ る ア ド レ ス/ ラ イ ト イ ネーブル フ リ ッ プ フ ロ ッ プに非同期 リ セ ッ ト が
使用 さ れてい る 。
消費電力解析および最適化
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消費電力の最適化
消費電力最適化後の タ イ ミ ングの保持
消費電力最適化では、 消費電力を最大限に削減 し なが ら 、 タ イ ミ ン グへの影響は最小限に抑え ます。 消費電力最適化
に よ り タ イ ミ ン グが悪化 し た場合は、 こ の影響を補正する ための手法を使用で き ます。
可能な場合、 タ イ ミ ン グ ク リ テ ィ カルでない ク ロ ッ ク ド メ イ ン ま たはモジ ュ ールを特定 し 、 set_power_opt XDC コ マ
ン ド を使用 し てそれ ら のみに消費電力最適化を適用 し ます。最 も ク リ テ ィ カルな ク ロ ッ ク ド メ イ ンがデザ イ ンの大部
分を占めてい る 場合や電力の大部分を消費 し てい る 場合は、ク リ テ ィ カル パ ス上のセルが消費電力最適化で削除 さ れ
ていないかど う かを確認 し ます。 消費電力最適化で最適化 さ れたオブジ ェ ク ト には、 IS_CLOCK_GATED プ ロ パテ ィ
が設定 さ れます。 こ れ ら のセルを消費電力最適化か ら 除外 し ます。
ク ロ ッ ク ゲーテ ィ ン グが適用 さ れたセルを検索す る には、 次の Tcl コ マン ド を使用 し ます。
get_cells -hier -filter {IS_CLOCK_GATED==1}
Vivado IDE を使用 し てい る 場合は、 [Find] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス (図 5-9) を使用 し て こ れ ら の イ ン ス タ ン ス を検索で き
ます。
X-Ref Target - Figure 5-9
図 5-9 : 消費電力最適化 さ れた イ ン ス タ ン スの検索
よ り 簡単な方法は、 BRAM に対す る 消費電力最適化を制限す る こ と です。 こ れに よ り タ イ ミ ン グへの影響が最小限
に抑え ら れ ますが、 その効果はデザ イ ン の BRAM の数お よ びそれ ら が ど の よ う にゲーテ ィ ン グ さ れてい る かに よ り
ます。
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第 6章
消費電力削減のための ヒ ン ト および手法
概要
こ の章では、 消費電力を削減す る 手法お よ びその手法に よ る 総消費電力への効果を説明 し ます。 こ の情報は、 時間、
消費電力要件、 使用可能な リ ソ ース、 お よ びデザ イ ンの変更許容度な ど に合わせて最適なオプシ ョ ン を評価す る 際に
役立ち ます。
シ ス テム レ ベル
冷却ス ト ラ テ ジ
冷却ス ト ラ テジは、 デバ イ ス で生成 さ れた熱が除去 さ れて環境に吸収 さ れ る よ う に し ます。 こ れ ら の冷却ス ト ラ テジ
は、 デバ イ ス の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力に大 き く 影響 し ます。 通常設計の初期段階で適用 し 、 フ ロ ー後半にな っ てか ら
では適用 し づ ら く な り ます。
•
エア フ ロ ーを増や し ます。
•
周囲温度を下げます。
•
ヒ ー ト シ ン ク ( さ ら に大 き い ヒ ー ト シ ン ク ) を使用する か、 ま たは別の レ ギ ュ レー タ を選択 し ます。
電源ス ト ラ テ ジ
電圧は、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力お よ びダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力の両方に大 き く 影響 し ます。 電圧レベルのア ク テ ィ ブ制
御に よ り 、 指定の電圧がデバ イ ス に適用 さ れます。
•
ス イ ッ チン グ レ ギ ュ レー タ を使用す る
ス イ ッ チン グ レ ギ ュ レー タ は、 リ ニ ア レ ギ ュ レー タ と 比べ る と 電力効率は高 く な り ますが、 コ ン ポーネ ン ト 数
は多 く な り ます。
•
調整可能な レ ギ ュ レー タ を使用する
同 じ 電源で複数の FPGA に電力が供給 さ れ る 場合、 FPGA お よ び消費電力が最 も 消費 さ れ る デバ イ ス の電圧値に
で き る 限 り 近い値にな る よ う 調整 し ます。
•
許容誤差が厳 し い レ ギ ュ レー タ を選択する
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システム レベル
デバイ スの選択
•
製品に適 し たデバ イ ス を選択する
デバ イ ス選択の際に消費電力が主要な要素 と な っ て き てい ます。 集積度、 機能、 パ フ ォーマ ン ス要件に最適で、
消費電力要件 も 満たすデバ イ ス を選択 し て く だ さ い。
•
デバ イ ス数を最小限に抑え る
こ れに よ り 、 エ リ ア、 I/O イ ン タ ー コ ネ ク ト の消費電力、 総 リ ー ク 電流、 お よ びその他の要素を抑え る こ と がで
き ます。 通常、 プ ロ セ ッ サ と FPGA な ど の複数の コ ン ポーネ ン ト をサ イ ズが大 き めの 1 つの FPGA と 置 き 換え る
と 、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力を削減で き ます。
•
可能な限 り 小型のデバ イ ス を選択する
こ れに よ り リ ー ク 電流が削減 さ れます。 通常、 1 つの FPGA フ ァ ミ リ では同 じ パ ッ ケージ を異な る ダ イ サ イ ズで
使用で き ます。 た と えば、 プ ロ ト タ イ プ中お よび生産前には大 き めのダ イ を使用 し 、 量産段階では小 さ めのダ イ
を使用する こ と も 可能です。
•
可能な限 り 大型のパ ッ ケージ を選択する
こ れに よ り 、放熱が増加 し ます。 パ ッ ケージが大 き いほど、 ダ イ の熱を環境に放散す る エ リ アが大 き く な り ます。
パ ッ ケージの上面に装着する ヒ ー ト シ ン ク を大 き く す る と 、 下面のボール グ リ ッ ド ア レ イ を介 し てプ リ ン ト 回
路基板に放散 さ れ る 熱を増やす こ と がで き ます。
•
低電圧デバ イ ス を使用する
一部のデバ イ ス フ ァ ミ リ には、 低消費電力オプシ ョ ンがあ り ます。 電圧要件を下げ る と 、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力
お よ びダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力を大幅に削減で き ます。
•
リ ー ク 電流が低いデバ イ ス を使用する
一部のデバ イ ス フ ァ ミ リ では、 特定の ス ピー ド グ レー ド ま たは温度グ レー ド を使用す る こ と に よ り 、 低 リ ー ク
電流 ま たは低 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力オプシ ョ ン を利用で き ま す。 こ れ ら のデバ イ ス の価格は多少高 く な り ま す
が、 電気代、 冷却ハー ド ウ ェ ア、 お よ びシ ス テ ム管理費を その価格以上に節約で き る 可能性があ り ます。
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デザイ ン レベル
デザイ ン レ ベル
次のセ ク シ ョ ンでは、 デザ イ ンの消費電力要件を満たすためにデザ イ ンに適用で き る 手法を示 し ます。
デザ イ ン サ イ ク ルには、 主に次の二つの状況で消費電力 ク ロ ージ ャ が含まれます。
•
制約が満た さ れた後、 さ ら にデザ イ ン を最適化する 場合
ま たは
•
デザ イ ンが消費電力要件を超え てい る 場合
制約が満た さ れた後に さ ら にデザイ ン を最適化
通常、 開発プ ロ セ ス の こ の段階では、 RTL、 ボー ド 電源、 冷却パ ラ メ ー タ ーの変更は、 検証に時間がかか っ た り 、 PCB
リ ス ピ ン コ ス ト がかかっ た り す る ため、 最小限に抑え る 必要があ り ますが、 こ の段階で も 異な る ツール オプシ ョ ン
や制約を試 し て、 ロ ジ ッ ク お よ び配線 リ ソ ース数、 コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン、 お よ びア ク テ ィ ビ テ ィ を最適化で き ま
す。 こ の最適化に よ り 、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力が最小限に抑え ら れ、 同時に ス タ テ ィ ッ ク 消費電力 も 削減 さ れ ます。
デザ イ ン マージ ンに も よ り ますが、 ダ イ ナ ミ ッ ク 消費電力を通常 15% ～ 20% 削減で き 、 一部のデザ イ ンではそれ よ
以上削減で き ます。
消費電力要件を超えている場合
通常 こ の段階では、 シ ス テ ム を市場に リ リ ースす る 圧力が高 く 、 ボー ド 環境お よ び冷却オプシ ョ ン な ど のシ ス テ ムに
含まれ る 多 く のパ ラ メ ー タ ーは詳細に定義 さ れてい ます。 そのためエン ジニ ア リ ン グ作業のや り 直 し は制限 さ れます
が、 次の手法を使用する と 、 消費電力を削減で き る 可能性が高いエ リ ア を特定で き ます。
手順 1 : 消費電力要件を超え てい る箇所の特定
GUI を使用 し てい る 場合は Vivado™ 消費電力解析レ ポー ト の [Summary] ページ、 コ マン ド ラ イ ン を使用 し てい る 場
合はレ ポー ト フ ァ イ ル (.pwr) の Summary セ ク シ ョ ン を確認 し ます。 [On-Chip Power] お よ び [Power Supply] セ ク シ ョ
ンで、 消費電力分配の概要を確認で き ます。 [Summary] ページで要件を超え てい る 消費電力の種類お よ び電力量を確
認 し ます。
手順 2 : 焦点を置 く エ リ アの特定
Vivado 消費電力解析レ ポー ト ま たは Xilinx Power Estimator で詳細を確認 し ます。 環境パ ラ メ ー タ ー、 各 リ ソ ース、 デ
ザ イ ン階層、 ク ロ ッ ク ド メ イ ンで消費 さ れ る 電力を解析 し ます。 消費電力が高いエ リ ア を見つけた場合は、 次の情報
を使用 し てその原因を特定で き ます。
手順 3 : 試行
上記の手順で特定 し た消費電力を最適化す る デザ イ ン箇所の候補 リ ス ト を確認 し 、 簡単な も のか ら 順に並び替え て、
実行する 最適化ま たは試みを決定 し ます。 消費電力ツールでは What If? 解析を実行で き る ので、 コ ー ド や制約を実際
に変更 し た り イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ン を再実行 し た り せずに、 デザ イ ン を変更 し て簡単に消費電力を予測で き ます。
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デザイ ン レベル
リ ソ ース を よ り 効果的に使用
•
ブ ロ ッ ク RAM
°
°
•
ブ ロ ッ ク RAM の消費電力量は、 イ ネーブルにな っ てい る時間に直接比例し ます。 消費電力を削減する には、
デザ イ ンでブ ロ ッ ク RAM が使用 さ れていない ク ロ ッ ク サ イ ク ルで RAM イ ネーブル信号を Low に し ます。
ブ ロ ッ ク RAM の [Enable Rate] と [Clock] レー ト は、消費電力を最適化する 際に最 も 重要なパ ラ メ ー ターです。
TDP モー ド で書き 込み中に出力 ラ ッ チが変更 さ れない場合は、 NO_CHANGE モー ド を使用 し ます。 こ れが
電力効率が最 も 高いモー ド です。 SDP モー ド では、 NO_CHANGE モー ド は WRITE_FIRST モー ド と 同 じ な
ので、 NO_CHANGE モー ド はあ り ません。
I/O
I/O イ ン タ ーフ ェ イ ス は、 長距離を駆動す る 必要があ り 、 寄生要素に よ る 影響を受け る 可能性があ る ため、 通常
デバ イ ス の消費電力要件の大部分を占め ます。
°
VCCAUX
で き る だけ低い VCCAUX を使用 し ます。 こ れに よ り 、 こ の電源の ス タ テ ィ ッ ク 消費電力お よ びダ イ ナ ミ ッ ク
消費電力の両方が最小限に抑え ら れます。
°
入力
内部で参照 さ れ る 入力規格の使用を制限 し ます。
°
IODELAY
IDELAY2 の HIGH_PERFORMANCE_MODE 属性を FALSE に設定 し ま す。 FALSE に設定す る と 、 出力ジ ッ
タ ーは増加 し ますが、 消費電力は小 さ く な り ます。
°
IBUF_LOW_PWR
双方向 I/O お よ び入力 I/O の IBUF_LOW_PWR 属性を TRUE に設定 し ます。デザ イ ン パフ ォーマン ス で こ の
設定が許容 さ れ る こ と を確認 し て く だ さ い。
°
I/O コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン
パフ ォーマ ン ス要件に対 し て I/O 規格、 駆動電流、 お よ びオンチ ッ プ終端設定を確認 し 、 ト ラ イ ス テー ト が
可能な DCI I/O 規格 (T_DCI) を使用 し て駆動電流を下げた り 、 終端を省いた り 、 外部終端を使用 し た り で き
ないかを評価 し ます。
°
出力
-
受信チ ッ プでサポー ト さ れ る 最小の スルー /駆動電流/電圧を使用 し ます。
-
並列終端 よ り も 終端な し ま たは直列終端を選択 し ます。こ の決定には、シ グナル イ ン テ グ リ テ ィ シ ミ ュ
レーシ ョ ン ツールを使用で き ます。
-
デバ イ ス の温度要件、 シ ス テ ム コ ス ト 、 お よ びボー ド の スペース要件を考慮 し て、 オンチ ッ プ終端 と オ
フ チ ッ プ終端の ど ち ら が適 し てい る かを検討 し ます。
-
電圧幅の低い差動規格を使用で き ないかを検討 し ます。
-
アプ リ ケーシ ョ ンで大型パ ラ レル バ ス の代わ り に ト ラ ン シーバーを使用で き ないか を検討 し ます。
-
IBUF、 IODELAY な ど の I/O 機能の要件を評価 し 、 許容 さ れ る 場合はデ ィ ス エーブルに し ます。
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デザイ ン レベル
•
ト ラ ン シーバー
°
°
°
°
•
GTX/GTH/GTP ト ラ ン シーバーでは、消費電力を削減で き る 可能性のあ る パ ワーダ ウ ン モー ド がサポー ト さ
れてい ます。
GTX/GTH レ シーバーには、 シ ス テ ム レベルでの消費電力 と パフ ォーマン ス の ト レー ド オ フ に応 じ て、 2 種
類の適応フ ィ ル タ ーがあ り ます。 GTX/GTH/GTP レ シーバーには、 チ ャ ネル損失が低 く 消費電力で最適化 さ
れた、 電力効率の高い LPM (低消費電力モー ド ) と い う 適応モー ド があ り ます。
各 GTX/GTH/GTP ト ラ ン シーバーでは、 SATA (Serial ATA) お よび SAS (Serial Attach SCSI) 仕様に記述 さ れて
い る OOB (Out Of Band) シーケ ン ス の生成 と 、 PCI Express 仕様に記述 さ れてい る ビー コ ンがサポー ト さ れて
い ます。 OOB シーケ ン ス を使用 し ない場合、 さ ら に消費電力を削減で き ます。
ト ラ ン シーバーを可能な数だけ 1 つの タ イ ルにパ ッ ク し て、 サポー ト 回路の複製を最小限に抑え ます。
ロジッ ク
次の方法でデザ イ ン記述を最適化で き ます。
°
°
°
°
°
°
ロ ジ ッ ク の最適化の妨げにな り 、 配置配線 リ ソ ース を多 く 使用する 非同期の制御信号を最小限に抑え ます。
制御セ ッ ト 数を最小限に抑え ます。 制御セ ッ ト は、 ク ロ ッ ク 、 ク ロ ッ ク イ ネーブル、 セ ッ ト 、 リ セ ッ ト 、 ラ
イ ト イ ネーブル (LUT RAM の場合) 信号の固有グループです。 1 つの ス ラ イ ス内での信号数の制限お よ び信
号の共有のため、 制御セ ッ ト の情報は重要です。 こ れは FPGA アーキテ ク チ ャ に よ っ て異な り ますが、 制限
に達する と 、 近接 し た関連 ロ ジ ッ ク をパ ッ ク で き ず、 配線 リ ソ ース が増加する 場合があ り ます。
パ イ プ ラ イ ン段を追加 し て、 組み合わせ ロ ジ ッ ク コ ーンのサ イ ズ を最小限に抑え ます。 こ れに よ り 、 各 ク
ロ ッ ク サ イ ク ルで信号が最終ス テー ト に到達す る ま で、レ ジ ス タ 間のグ リ ッ チの伝搬を最小限に抑え る こ と
がで き ます。
リ ソ ース の タ イ ム シ ェ ア リ ン グ を使用 し ます。 こ の手法では、 同 じ ハー ド ウ ェ ア リ ソ ース に異な る フ ァ ン
ク シ ョ ン を時分割多重化する こ と で、 デバ イ ス の リ ソ ース使用量を最小限に抑え ます。 こ れに よ り 、 小 さ い
デバ イ ス を使用で き る よ う にな っ た り 、 配置配線の密集が緩和 さ れ、 ス タ テ ィ ッ ク 消費電力お よ びダ イ ナ
ミ ッ ク 消費電力を削減で き ます。
低速で類似 し てい る プ ロ セ ス は、 別の リ ソ ース を使用せずに同 じ リ ソ ース で実行で き ます。 ただ し 、 処理す
る デー タ のバ ッ フ ァ ー処理、 マルチプ レ ク サ処理、 初期化、 お よ び制御方法を慎重に検討す る 必要があ り ま
す。 複数の入力センサーを処理す る な ど、 並列処理が行われ る アプ リ ケーシ ョ ンで こ の よ う な最適化を実行
し ます。 入力 と 同 じ 数の処理ユニ ッ ト を使用する 代わ り に、 1 つの処理ユニ ッ ト を高速に実行で き ます。 入
力チ ャ ネルは順に処理 し ますが、 各出力の応答時間は同 じ にな り ます。 Xilinx Power Estimator の What If? 予
測を実行する と 、 消費電力の削減が作業努力に値する かを判断で き ます。
DSP お よ びブ ロ ッ ク RAM のオプシ ョ ンの レ ジ ス タ を使用 し ます。 た と えば、 DSP ブ ロ ッ ク で乗算器ま たは
MREG レ ジ ス タ を イ ネーブルにする と 、 ク ロ ッ ク サ イ ク ル間の内部グ リ ッ チの伝搬が最小限に抑え ら れ、最
も 電力効率の高い イ ンプ リ メ ン テーシ ョ ンにな り ます。
Vivado 消費電力最適化機能での試行
Vivado ツールで消費電力最適化を実行 し た と き に消費電力が最大限に削減 さ れ る よ う にす る には、消費電力最適化を
デザ イ ン全体に実行 し 、 デザ イ ンの一部を除外 し ない よ う に し ます。 消費電力最適化を有効に し て も 消費電力が削減
さ れない場合は、 グ ロ ーバル セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号、 ブ ロ ッ ク RAM イ ネーブルの生成の 3 つが主なデバ ッ グ の対象
と な り ます。 こ れ ら の部分で消費電力最適化に生成 さ れた イ ネーブルの数が少ない場合、 コ ー ド ま たは合成お よ び イ
ンプ リ メ ン テーシ ョ ンのオプシ ョ ン/属性を確認す る 必要があ る 可能性があ り ます。
重要 : Vivado 消費電力最適化では、 消費電力を最大限に削減 し なが ら タ イ ミ ン グへの影響は最小限に抑え ますが、 場
合に よ っ ては タ イ ミ ン グが悪化する 場合があ り ます。 こ の影響を補正する 方法は、 第 5 章の 「消費電力最適化後の タ
イ ミ ン グの保持」 を参照 し て く だ さ い。
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デザイ ン レベル
•
グ ロ ーバル セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号
可能な限 り 、 非同期セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号を使用 し ないで く だ さ い (特に、 デー タ パ ス ま たはパ イ プ ラ イ ン フ リ ッ
プフ ロ ッ プ、 ブ ロ ッ ク RAM (BRAM))。
ま た、 power_opt_design でグ ロ ーバル セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号を dont_touch と し て制約 し 、 イ ネーブル と し て使
用 さ れない よ う にする こ と も 考慮 し ます。 HDL で dont_touch 属性を設定する と 、 フ ロ ーのすべての段階で こ
の属性が適用 さ れます。 こ のオプシ ョ ンは、 消費電力最適化用の XDC 制約 と し て設定す る こ と をお勧め し ます。
次にその例を示 し ます。
set_property DONT_TOUCH true [get_cells u1]
最後に、 消費電力最適化お よ びベ ク タ ーレ ス消費電力予測の前に、 グ ロ ーバル セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号の信号レー
ト お よ び確率が正 し く 設定 さ れてい る こ と を確認 し て く だ さ い。
•
ス ラ イ ス レ ジ ス タ お よ び SRL
power_opt_design でデザ イ ン の ス ラ イ ス レ ジ ス タ ま たは SRL に対 し て ク ロ ッ ク イ ネーブルが生成 さ れない原因
は、 多数あ り ます。 次は、 その例です。
°
•
デザ イ ンに組み合わせループが存在する
°
デザ イ ンへの主な入力が ソ ース と な る フ リ ッ プ フ ロ ッ プお よ び SRL にセ ッ ト / リ セ ッ ト 信号が使用 さ れて
いる
°
デー タ パ ス フ リ ッ プ フ ロ ッ プに非同期セ ッ ト / リ セ ッ ト 信号が使用 さ れてい る
°
デザ イ ンに多数の ク ロ ッ ク ド メ イ ンがあ り 、 ク ロ ッ ク ド メ イ ン を ま たがっ てい る ために イ ネーブルが生成
さ れない
°
SRL のサ イ ズ : SRL のシ フ ト レ ジ ス タ の段数が大き いほ ど、 すべての段に対 し て 1 つの ク ロ ッ ク イ ネーブ
ルを生成する のが困難にな り ます。
ブ ロ ッ ク RAM
ブ ロ ッ ク RAM (BRAM) が多数使用 さ れ る デザ イ ンでは、消費電力を大 き く 削減で き る 可能性があ り ます。Vivado
では、 さ ま ざ ま な最適化手法を使用 し て イ ネーブルを生成 し 、 消費電力を削減 し ます。 power_opt_design を使用
し て も BRAM のゲーテ ィ ン グがそれほど適用 さ れていない場合は、 次の よ う な原因が考え ら れます。
°
BRAM が主に FIFO18E1/FIFO36E1 イ ン ス タ ン スであ る。 こ れ ら の イ ン ス タ ン スはツールで最適化で き ません。
°
推論ま たは イ ン ス タ ン シエー ト さ れた メ モ リ が、A ポー ト と B ポー ト に別の ク ロ ッ ク を使用 し た完全なデ ュ
アル ポー ト (TDP) モー ド であ り 、 power_opt_design で最適化で き ない。
°
BRAM 自体ま たは BRAM に供給 さ れ る ア ド レ ス/ ラ イ ト イ ネーブル フ リ ッ プ フ ロ ッ プに非同期 リ セ ッ ト が
使用 さ れてい る 。
Vivado 消費電力解析機能での試行
Vivado の [Report Power] ダ イ ア ロ グ ボ ッ ク ス で設定を変更 し て解析を実行 し 、 消費電力への影響を確認で き ます。
•
環境 : 温度パ ラ メ ー タ ー、 プ ロ セ ス、 ま たは電圧を設定 し ます。
•
デザ イ ンのア ク テ ィ ビ テ ィ : デザ イ ンに含まれ る ネ ッ ト ま たは イ ン ス タ ン ス のア ク テ ィ ビ テ ィ を調整 し ます。 1
つま たは複数のア イ テ ム を同時に変更 し ます。 次 も 変更で き ます。
°
ク ロ ッ ク ド メ イ ン : ス イ ッ チン グ周波数を調整 し ます。
°
グルー ロ ジ ッ ク : ダ イ ナ ミ ッ ク ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を調整 し ます。
°
I/O : ス タ テ ィ ッ ク ア ク テ ィ ビ テ ィ お よ びダ イ ナ ミ ッ ク ア ク テ ィ ビ テ ィ の確率を調整 し ます。 負荷容量や近
端ボー ド 終端な ど、 デバ イ ス出力に接続 さ れてい る 外部コ ン ポーネ ン ト のパ ラ メ ー タ ー も 調整で き ます。
°
信号 : デー タ 信号のダ イ ナ ミ ッ ク ア ク テ ィ ビ テ ィ レー ト を調整 し ます。制御信号では、 ス タ テ ィ ッ ク 確率を
変更 し て ク ロ ッ ク イ ネーブル、 セ ッ ト 、 ま たは リ セ ッ ト の複数の想定下で消費電力を評価で き ます。
°
特定のブ ロ ッ ク : ダ イ ナ ミ ッ ク ア ク テ ィ ビ テ ィ 確率に加え、ブ ロ ッ ク RAM のポー ト イ ネーブルま たは ラ イ
ト イ ネーブルな ど の制御信号のア ク テ ィ ビ テ ィ も 調整で き ます。
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デザイ ン レベル
Xilinx Power Estimator (XPE) での試行
XPE では、 複数の ソ ー ス に よ り 開発 さ れたモジ ュ ールの Vivado 消費電力解析結果を イ ン ポー ト し 、 こ れ ら の IP ブ
ロ ッ ク をデバ イ ス に イ ンプ リ メ ン ト し た と き の総消費電力を確認で き ます。 ま た、 ネ ッ ト リ ス ト を変更 し な く てはい
けない状況を評価 し 、 実際に コ ー ド を変更せずに消費電力への影響を評価で き ます。 XPE では各 ロ ジ ッ ク エ レ メ ン
ト ま たは信号を個別に変更す る こ と はで き ないので、 デザ イ ンの コ ア ロ ジ ッ ク での精度は Vivado 消費電力解析 よ り
も 低 く な り ます。
XPE では、 次 も 試す こ と がで き ます。
•
リ ソ ース使用量
リ ソ ース数を減 ら し てみます。ロ ジ ッ ク の一部を ス ラ イ ス ロ ジ ッ ク か ら ブ ロ ッ ク RAM や DSP な ど の専用ブ ロ ッ
ク にマ ッ プ し 直 し た り 、 ま たその逆を実行 し てみます。
•
リ ソ ース コ ン フ ィ ギ ュ レーシ ョ ン
デザ イ ンの I/O、 ブ ロ ッ ク RAM、 ク ロ ッ ク ジ ェ ネ レー タ ー、 お よ びその他の リ ソ ース に別の コ ン フ ィ ギ ュ レー
シ ョ ン設定を使用 し てみます。
RTL コ ー ド の変更
消費電力を削減す る ために RTL コ ー ド を変更す る 必要があ る 場合は、 パ イ プ ラ イ ン を追加 し た り 、 キ ャ リ ー チ ェ ー
ンや XOR フ ァ ン ク シ ョ ン な ど の ア ク テ ィ ビ テ ィ の高い ロ ジ ッ ク で リ タ イ ミ ン グ を実行 し てみた り で き ま す。 キ ャ
リ ー チ ェ ーン を含む長いパ スは、 低速の ク ロ ッ ク ド メ イ ンにあ る こ と が多いですが、 グ リ ッ チが増え、 デザ イ ンの
消費電力が増加する 原因 と な り ます。 多 く の場合、 こ れ ら のパ ス を リ タ イ ミ ン グ ま たはパ イ プ ラ イ ン処理す る と 有益
です。
手順 4 : 変更を反映 し 、 消費電力を確認
時間、 パフ ォーマン ス、 お よ び リ ソ ース制約での最適な変更を決定 し た ら 、 こ れ ら を反映 さ せます。 一度に試すオプ
シ ョ ンや変更が多すぎ る と 、競合や相互作用が発生す る 可能性があ る ため、結果が最適にな ら ない可能性があ り ます。
時間があ る 場合は一度に試すオプシ ョ ン を限定 し て、 ほかの変更を加え る 前に消費電力お よ びその他の制約への影響
を評価する 方法が最適です。
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付録 A
その他の リ ソ ース
ザイ リ ン ク ス リ ソ ース
ア ンサー、 資料、 ダ ウ ン ロ ー ド 、 フ ォー ラ ム な ど のサポー ト リ ソ ースは、 次のザ イ リ ン ク ス サポー ト サ イ ト を参照
し て く だ さ い。
http://japan.xilinx.com/support
ザ イ リ ン ク ス資料で使用 さ れ る 用語集は、 次を参照 し て く だ さ い。
http://japan.xilinx.com/company/terms.htm
ソ リ ュ ーシ ョ ン セ ン タ ー
デバ イ ス、 ツール、 IP のサポー ト については、 ザ イ リ ン ク ス ソ リ ュ ーシ ョ ン セ ン タ ーを参照 し て く だ さ い。 ト ピ ッ
ク には、 デザ イ ン ア シ ス タ ン ト 、 ア ド バ イ ザ リ 、 ト ラ ブルシ ュ ー ト ヒ ン ト な ど が含まれます。
参考資料
•
Vivado™ Design Suite 2012.4 資料ページ :
http://japan.xilinx.com/support/documentation/dt_vivado_vivado2012-4.htm
•
『Vivado Design Suite Tcl コ マ ン ド リ フ ァ レ ン ス ガ イ ド 』 (UG835) を参照
•
『Vivado Design Suite ユーザー ガ イ ド : 制約の使用』 (UG903) を参照
•
『Xilinx Power Estimator ユーザー ガ イ ド 』 (UG440)
消費電力解析および最適化
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