【摘要】：集成电路在规模、速度和工艺等方面的飞速发展,使其当前面临着前所未有的挑战——芯片功耗和发热带来的可靠性问题。FPGA作为集成电路的主流产品之一,被广泛用于对可靠性高度敏感的航空航天领域,同样也面临着功耗和发热问题带来的严峻挑战,而且这一挑战在FPGA中更加突出。为了有效解决这一问题,本文针对FPGA的功耗和热点问题进行了研究和探讨。首先,针对FPGA的功耗问题,本文采用了分层策略对FPGA进行功耗模型的建立,从而能够有效评估FPGA内部资源模块相应的功耗数值的大小。功耗模型建立的具体方案如下:1.采用分层策略对FPGA内部资源进行模块划分,得到功耗模型建立的基本单元;2.对每个基本单元进行功耗模型的建立。模型建立的重点在于提取基本单元的功耗与功耗影响因子间的函数关系,本文在提取功耗与功耗影响因子间的函数关系时采用了三种不同算法,分别是线性降维拟合算法、非线性降维拟合算法和回归算法,并分析了这三种算法各自的优缺点以及适用条件,从而在不同基本单元的功耗模型建立时能够有针对性的选择相应的算法,兼顾建模的精度和效率问题;3.基于STM32搭建硬件验证系统,用于功耗模型的验证和修正,提高模型的精确度。其次,针对FPGA的热点问题,本文介绍了一种RC网络热模型,该模型基于热电对偶原理,以热阻类比电路中的电阻,热容类比电容,芯片周围的大气环境类比地,发热功能部件类比电流源,温度差类比电路中两点间的电压,将热学问题巧妙地转化为电学问题进行处理,从而能够准确且快速的计算芯片的温度值,采用温度分布图像表征芯片上各节点处的温度,进一步锁定芯片上可能的热点;基于这一原理,本文提供了基于FPGA芯片实现的两个功能电路,作为热分析的实例,针对这两个实例展开了以下几点工作:1.详细介绍了对具体功能电路进行热分析的步骤;2.采用Hot Spot平台对功能电路进行温度计算和仿真,实现了对芯片裸片及封装组件的静态和动态温度分布情况的仿真分析;3.从仿真结果出发,研究了在Hot Spot中提高热仿真精度的方法;4.指出了热点分析对于功耗优化及低功耗设计的指导作用。最后,本文总结了本研究的内容,本研究提出的功耗模型经硬件验证系统验证,其精度小于10%,模型既可用于FPGA系统的总功耗评估,又可用于FPGA内部资源模块的独立功耗评估,因而能够很好地与FPGA的热点分析结合,从而为FPGA的可靠性分析提供有力依据。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN791
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2543703
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