FPGA功耗模型建立與熱點分析

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1、萬方數(shù)據(jù)FPGAPowerModelingandHotspotAnalysisAthesissubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinIntegratedCircuitEngineeringByTongYanaSupervisor:CaiJuepingProfessorZhangHuaSeniorEngineerNovember2015萬方數(shù)據(jù)西安電子科技大學(xué)學(xué)位論文獨創(chuàng)性（或創(chuàng)新性）聲明秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和優(yōu)良的科

2、學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同事對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文若有不實之處，本人承擔(dān)一切法律責(zé)任。本人簽名：日期：西安電子科技大學(xué)關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)屬于西安電子科技

3、大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱、借閱論文；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。同時本人保證，結(jié)合學(xué)位論文研究成果完成的論文、發(fā)明專利等成果，署名單位為西安電子科技大學(xué)。保密的學(xué)位論文在年解密后適用本授權(quán)書。本人簽名：導(dǎo)師簽名：日期：日期：萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)摘要摘要集成電路在規(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

4、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(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.對每個基本單元進(jìn)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(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

5、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(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(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(jìn)一步

6、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(xì)介紹了對具體功能電路進(jìn)行熱分析的步驟；2.采用HotSpot平臺對功能電路進(jìn)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(jié)果出發(fā)，研究了在HotSpot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(shè)計的指導(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

7、于FPGA內(nèi)部資I萬方數(shù)據(jù)西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文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(jié)合，從而為FPGA的可靠性分析提供有力依據(jù)。關(guān)鍵詞：FPGA，功耗模型，熱點分析II萬方數(shù)據(jù)ABSTRACTABSTRACTBecauseoftherapiddevelopmentofIntegratedcircuitinitsscale,speedandtechnology,ICiscurrentlyfacingunprecedentedchallenges—reliabilityproblemcausedbyIC’spoweran

8、dheat.AsoneofIC’sprimarybranches,FPGAiswidelyusedinthefieldofaerospacewhich