Cyclone® IV FPGA

システムコストを低減

Cyclone® IV FPGA の全デバイスは 2 種類の電源電圧のみで駆動することができるため、電源供給のネットワークを大幅に簡略化します。これにより、設計時間、ボードスペース、コストを削減します。Cyclone® IV GX FPGA がもたらすさらなるコスト削減は、 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 の統合化および柔軟性により、より小規模かつ低コストデバイスでの設計が可能になり、トータルのシステムコストを削減できます。

消費電力を低減

Cyclone® IV E FPGA は消費電力に最適化された 60nm ローパワープロセス技術を使用しており、Cyclone® III FPGA の低消費電力リーダーシップをさらに拡大します。 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。 アーキテクチャーおよびシリコン機能強化、最新の半導体プロセス・テクノロジー、および消費電力管理ツールを融合することにより、Cyclone® IV FPGA は、Cyclone® III FPGA と比較して最大 25% の消費電力の削減を達成しており、 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 85 ℃時のスタティック消費電力はわずか 38 mW、最大の Cyclone® IV EP4CE115 デバイスの 85 ℃時のスタティック消費電力はわずか 163 mW です。

Cyclone® IV E FPGA のティピカルなスタティック消費電力

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。

Cyclone® IV GX FPGA を使用したトータル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とを組み合わせることにより、以下の分野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。

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いました。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、複数のチャネル長および酸化膜厚、複数のトランジスター・スレッショルド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管理設計ツールで、デザインコンセプトから実装に至るまで消費電力の見積もりおよび解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 開発ソフトウェアのパワーモデルは、実際のシリコン測定値との相関が取れています。

インテルは、5,000 以上のさまざまなテスト・コンフィグレーションを使用して Cyclone® シリーズ FPGA 内の各回路構成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 開発ソフトウェアでの消費電力の最適化

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消費電力を低減し、Cyclone® III FPGA と比較して最大で 25% のダイナミック消費電力が削減されます。

インテル® Quartus® Prime 開発ソフトウェアは以下に示すような、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

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 ダイの左側では、4 つのトランシーバー・チャネルで構成されるクワッドを最大 2 つ、8 チャネル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、低コスト FPGA として唯一 PCI Express* x1、x2、x4 ルートポート / エンドポイント・コンフィグレーションの双方をハード IP (intellectual property) ブロックでサポートします。

インテルは、Samtec メカニカルコネクターをベースにした、オプションのドーターカードとホストボード間のインターフェイス (図 1 参照) を定義および標準化するための高速メザニンカード (HSMC) の仕様を制定しました。 この仕様は、ドーターカードとホスト間のインターフェイスの電気的特性と機械的特性の両方の概要を示しています。また、独自の HSMC 搭載のプロトタイプ・ドーターカードを作成することもできます。

図 1．HSMC によるホストボードとドーターカード間の相互接続

詳細

以下に Cyclone® IV FPGA の設計に役立つさまざまなデザインリソースを示します。

• インテルの Cyclone® シリーズのウェブキャスト
• オンライン・トレーニング・コースの受講 (英語):
  • Basics of Programmable Logic (英語)
  • How to Begin a Simple FPGA Design (はじめての FPGA 設計) (英語)
  • Using the Quartus Prime Software: An Introduction (英語)
  • Power Analysis with the Quartus Prime Software (英語)
• インテル® 製品を使用したさまざまなエンド・マーケット・ソリューションを確認してください。

IP を使った設計の開始 － 無償評価が可能

インテルと IP パートナーは、Cyclone® IV FPGA の設計を加速する Intellectual Property (IP) コアおよびリファレンス・デザインを提供します。 IP コアをダウンロードし、購入前にソフトウェアおよびハードウェアで、機能と性能を評価することができます。

• これら IP コアについての詳細は、IP ウェブページを参照してください。

各種アプリケーション向けの、低コストなスモール・フォーム・ファクター

Cyclone® IV ファミリーには、3.125 Gbps トランシーバーを内蔵した Cyclone® IV GX FPGA と Cyclone® IV E FPGA の 2 種類があり、ローパワープロセスで最適に製造されています。Cyclone® IV FPGA は最大 15 万ロジックエレメントを提供し、かつトータル消費電力を最大 30 % 低減します。これらは、以下に挙げる低コストでスモール・フォーム・ファクターのアプリケーションに最適です。