Cyclone® IV FPGA

Cyclone® IV FPGA ファミリーは、市場で最も低いコストと消費電力の実現において、今はさまざまなトランシーバーとともに、Cyclone® FPGA シリーズのリーダーシップを拡大します。コスト重視の量産アプリケーションに最適なCyclone® IV FPGA は、コストを抑えながら、高まる帯域幅要件に対応します。

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Cyclone® IV FPGA

Cyclone® IV GX FPGA

アーキテクチャーは、最大 150K の垂直に配置されたロジックエレメント (LE) を構成します。

Cyclone® IV E FPGA

E- アーキテクチャーは、最大 115K の垂直に配置された LE を構成します。

利点

システムコストを低減

Cyclone® IV FPGA はすべて 2 種類の電源電圧のみで動作可能で、電源供給のネットワークを簡略化し、ボードのコスト、スペース、開発時間を節約します。Cyclone® IV GX FPGA の場合、コストの節約はさらに広がります。 Cyclone® IV FPGA の低消費電力アーキテクチャーにトランシーバーを搭載し、ボード設計を簡素化および統合したことによって実現されています。さらに、柔軟なトランシーバーのクロック・アーキテクチャーはトランシーバー・リソースをフルに使用しているときも、複数のプロトコルを実現します。Cyclone® IV GX FPGA の統合および柔軟性により、より小規模で低コストのデバイスでの開発が可能になり、システム全体のコストを抑えることができます。

消費電力を低減

最適化された 60nm 低消費電力プロセスで構築されたCyclone® IV E FPGA は、前世代の Cyclone® III FPGA が持つ低消費電力のリーダーシップを拡大します。 この最新世代のデバイスは、コア電圧を下げることによって、前世代のデバイスと比べ、トータル消費電力を 25% 低減します。 Cyclone® IV GX トランシーバー FPGA では、PCI Express* からギガビット・イーサネットへのブリッジを 1.5 W 以下の消費電力で実現できます。

インテルの Cyclone® IV FPGA は、低消費電力を実現するために最適化されているため、熱管理の要求を緩和します。その結果、ポータブル・アプリケーションにおいて冷却システムコストの排除または削減し、バッテリー寿命の延長を実現します。

Cyclone® IV FPGA の消費電力

Cyclone® IV FPGA ファミリーは、消費電力効率の高い FPGA の供給におけるインテルのリーダーシップを証明します。 向上したアーキテクチャー、高度な半導体プロセス・テクノロジー、消費電力管理ツールにより、Cyclone® IV FPGA 消費電力は、Cyclone® III FPGA と比べ最大 25% まで削減しています。同等の性能を持つ FPGA の中で最も低い消費電力を実現しています。

以下の図に、Cyclone® IV E デバイスを 85 ℃のジャンクション温度で動作させた場合のスタティック消費電力を示します。 最小の Cyclone® IV EP4CE6 デバイスのスタティック消費電力は、85℃でわずか 38mW 、最大の Cyclone® IV EP4CE115 デバイスの場合、 85℃でわずか 163mW です。

低消費電力の利点

プログラマブル・ロジック・デバイスの消費電力の低減により、多くのアプリケーションでさまざまな利点が得られます。ただし、プログラマブル・ロジック・デバイスの低消費電力は、システム消費電力の 1 側面でしかありません。 以下の図は、Cyclone® IV GX FPGA ファミリーが、FPGA の消費電力を平均 30% 削減していることを示しています。

シリコンおよびアーキテクチャーの最適化

サブミクロン半導体プロセスでは、消費電力低減のための対策を講じない場合、スタティック消費電力が大幅に増大する可能性があります。 サブミクロン・プロセス・テクノロジーでスタティック消費電力が増加する原因は、主にサブスレッショルド・リークなどのリーク電流の増加にあります。

インテルは、Cyclone® IV FPGA のスタティック消費電力を削減するため、重要な取り組みを行ってきました。ハンドセット・コンポーネントの主要半導体メーカーで伝統的に使用されている低消費電力 (LP) プロセス・テクノロジーを採用することによって、インテルは低スタティック消費電力のリーク電流を最小限に抑えました。この高性能プロセスとアーキテクチャーの最適化によって達成した小型化により、Cyclone® IV FPGA のダイナミックおよびスタティック消費電力が最小限に抑えられます。インテルが Cyclone® IV FPGA で採用しているプロセスおよびアーキテクチャー機能拡張には、Low-K 低誘電体、可変のチャネル長および酸化膜厚、複数のトランジスター閾値電圧の使用などが含まれます。

正確な消費電力の見積もりおよび解析

インテルは、最も正確かつ完全な消費電力の管理設計ツールを使用して、設計コンセプトから実装まで消費電力の推定と分析をサポートします。インテルは 125 ℃およびワーストケースのシリコン条件における低コスト FPGA ファミリーの消費電力の見積もり値をツールスイートで提供する唯一のプログラマブル・ロジック・ベンダーです。インテルは以下の消費電力見積もりおよび解析リソースを提供します。

  • Cyclone® IV Early Power Estimator
  • インテル® Quartus® Prime 開発ソフトウェアの電力解析 & 最適化テクノロジー
  • 消費電力管理リソースセンター

Early Power Estimator (EPE) はデザインコンセプト段階で使用し、消費電力アナライザーはデザインの実装段階で使用します。EPE は、デバイスおよびパッケージの選択、動作条件、およびデバイス使用率に基づき、早期の消費電力解析を可能にするスプレッドシート・ベースの解析ツールです。

消費電力アナライザーは、実デザインの配置配線およびロジック・コンフィグレーションを使用するだけでなく、 シミュレーション・データを利用して非常に正確にダイナミック消費電力を見積もることができます。消費電力アナライザーは、正確なデザイン情報を入力することにより、通常 ±10% 精度の見積もり値を提供できます。インテル® Quartus® Prime のパワーモデルは、実際のシリコン測定値と緊密に関連しています。

インテルは、5,000 以上の異なるテスト構成を使用して、インテル® Cyclone® シリーズ FPGA の個々のコンポーネントの消費電力を測定します。それぞれのコンフィグレーションは、特定のモードにおいてFPGAの単一回路構成を測定します。

インテル® Quartus® Prime 開発ソフトウェアによる消費電力最適化

デザイン実装の詳細設定により、性能の向上、エリアの節約、および消費電力の低減を達成できます。従来、性能と面積のトレードオフは、配置配線デザインフローを通して RTL (レジスター転送レベル) 内で自動化されてきました。

インテルはデザインフローへの消費電力最適化機能の導入において業界をリードしています。インテル® Quartus® Prime 開発ソフトウェアの消費電力最適化ツールは自動的に Cyclone® IV FPGA アーキテクチャーの機能を使用して、Cyclone® III FPGA と比べダイナミック消費電力が最大で 25% 削減されます。

インテル® Quartus® Prime 開発ソフトウェアは、FPGA アーキテクチャーを最適に使用して消費電力を最小化する、設計者には見えない多数の自動消費電力最適化機能を備えています。たとえば、インテル® Quartus® Prime 開発ソフトウェアでは以下のことが可能です。

  • 主要機能ブロックの変換
  • より少ない消費電力を実現できるユーザー RAM のマッピング
  • ダイナミック消費電力を削減するためのロジックの再構築
  • ロジック入力を適切に選択し、トグル率の高いネットのキャパシタンスを最小化
  • コアロジック面積の削減および配線の最適化で、配線におけるダイナミック消費電力を削減
  • 配置の変更によってクロック消費電力を削減

Cyclone® IV E のティピカルなスタティック消費電力

Cyclone® IV GX FPGA を使用したシステム消費電力の削減

Cyclone® IV GX FPGA の低消費電力のメリットとさらに向上したデバイスの統合力を組み合わせることにより、以下のさまざまなアプリケーションで大きなシステムレベルのメリットが得られます。

  • ポータブルまたはハンドヘルド・バッテリー駆動装置。
  • スペース制約やその他発熱に厳しい環境。
  • 冷却システムがコストに見合わない価格重視のアプリケーション。

さらに、ユーザーの総合的な負担コストの削減および信頼性の向上が実現可能となります。ホワイトペーパー Decrease Total System Costs with Industry's Lowest Cost, Lowest Power FPGAs (PDF、英語) を参照してください。

機能

Cyclone® IV FPGA は、低消費電力、多機能性、低コストのかつてない組み合わせを提供するインテル® Cyclone® シリーズの特長を継承しています。Cyclone® IV GX FPGA では、最大 3.125Gbps の統合型トランシーバーを搭載しています。

ロジックおよび配線コア・ファブリックは、I/O エレメント (IOE)、フェーズロック・ループ (PLL) で取り囲まれています。GX および E の両デバイスには、ダイの各コーナーに 4 個の汎用 PLL が配置されています。 Cyclone® IV GX FPGA には、ダイの上部、下部、および右側に I/O エレメントがあり、Cyclone® IV E FPGA にはダイの 4 辺に I/O エレメントがあります。 Cyclone® IV GX FPGA のダイの左側には、クワッドごとに 4 個のトランシーバーで構成される 2 個のクワッドに、最大 8 個のトランシーバーを搭載します。 各トランシーバー・クワッドの上部と下部には、トランシーバーまたは FPGA ファブリックで使用できる多目的 PLL (MPLL) があります。

トランシーバーを内蔵

Cyclone® IV GX FPGA は、優れたジッター性能と卓越したシグナル・インテグリティーで知られる実証済み GX トランシーバー・テクノロジーで構築されています。この PCI-SIG 準拠のトランシーバーを内蔵したデバイスは、さまざまなシリアルプロトコルをサポートしています。Cyclone® IV GX FPGA は、ルートポートおよびエンドポイント・コンフィグレーションで PCI Express* x1、x2、x4 のハード IP (知的財産) ブロックも搭載しています。