FPGA跟隨工藝提升的步伐從不曾歇停，融合創(chuàng)新的速度也不斷加快，顯現(xiàn)出愈加明顯的競爭優(yōu)勢，也迎來了廣泛的市場空間。隨著FPGA不斷成為系統(tǒng)核心，其不但成為系統(tǒng)性能的主推手，也成為電源設計的主要推動力量。如今的設計者們都期望能夠開發(fā)低功耗設計，而大部分FPGA功耗都與FPGA設計人員的實現(xiàn)選擇有關，這會影響系統(tǒng)的開關頻率、輸出負載、供電電壓、互聯(lián)數(shù)量以及邏輯和互聯(lián)模塊的結構，這些選擇反過來也會影響電源設計人員的選擇以及系統(tǒng)設計的綜合考慮，影響最終系統(tǒng)的功耗和性能。因而，在設計時就考慮滿足基于FPGA的設計對電源的要求和約束，對于系統(tǒng)的整體性能提升日趨重要。相應的，電源管理已日益成為FPGA戰(zhàn)略性的競爭優(yōu)勢。

FPGA 需量身定制電源IC

然而，為功能越來越多、性能越來越高、工藝越來越先進的FPGA提供優(yōu)化的電源IC殊非易事，畢竟如今的FPGA對電源IC的要求已然“今非昔比”。

Altera公司電源業(yè)務部市場總監(jiān)Mark Davidson就此表示，F(xiàn)PGA和SoC集成度更高，系統(tǒng)級性能已前所未有，相應地也需更高性能的電源與之匹配，這需要電源IC滿足嚴格的FPGA電源軌要求、滿足系統(tǒng)功耗和散熱預算限制，同時又能構建魯棒而又可靠的系統(tǒng)、符合預算要求按時完成其項目。

而與此相對應的是FPGA更高復雜性和更多不確定性的影響。“影響電源設計的兩個關鍵FPGA規(guī)范是電壓和電流要求。”Altera技術專家 Robert Cravotta表示，“因所需要的電源軌越來越多，F(xiàn)PGA電壓要求越來越復雜。以前，內核和I/O單元需要兩個電源軌，還有可能采用第三個用于其他功能，而現(xiàn)在的高端FPGA會需要數(shù)十個外部驅動的電源軌。除了需要越來越多的電源軌之外，當今的FPGA工作電壓要低于以前的產(chǎn)品代，這對于降低功耗和提高集成度很重要，但是由于電源必須維持要求越來越嚴格的電壓容限，因此這也提高了復雜度。并且，隨著FPGA的密度越來越高，外設/功能/IP模塊的數(shù)量越來越多。雖然FPGA的供電電壓是恒定的，但是，這些電壓的工作電流卻不是，隨FPGA邏輯的實現(xiàn)方式而波動。因而，在FPGA上實現(xiàn)系統(tǒng)帶來了很多不確定性，會在很大程度上影響電源設計。”

Robert Cravotta進一步補充道，這類不確定性會特別影響FPGA系統(tǒng)，部分原因在于使用FPGA的一個關鍵特性是設計人員能夠建立任意的處理資源，與軟件編程處理器相比能以更少的時間、更低的功耗來解決問題。因此，雖然軟件編程處理器有很多能夠同時工作的處理資源，而FPGA提供了機會來建立特殊的、優(yōu)化的定制處理資源，所以需要定制電源IC。

看來定制電源IC已勢在必行。然而要注意的是，除了要量身定制電源IC之外，更先進的開發(fā)方法也是不可或缺的。Robert Cravotta提到，在開發(fā)過程中，盡管可以使用各種開發(fā)工具，但最好能夠在設計早期階段，考慮電源系統(tǒng)的最差情況，而不是最佳情況，因在硬件設計完成之后、測量功耗之前，動態(tài)負載需求還有很大的不確定性，會在靜態(tài)低電流狀態(tài)和全速工作狀態(tài)之間波動。實踐證明，采用并行工程(CE)為使用FPGA器件的開發(fā)團隊提供了一種方法，可更方便快速地找到并提取出處理性能、材料表(BOM)成本和能效的最佳平衡點。

圖1：FPGA供電解決方案的未來發(fā)展趨勢

Enpirion電源全面提升系統(tǒng)功效

量身定制說起來容易做起來難。Altera的Enpirion電源產(chǎn)品中國區(qū)高級業(yè)務經(jīng)理張偉超提到，一般大型電源公司的電源IC會有很多不同的應用領域，他們不會也不可能把全部的精力投入到FPGA領域。而且，只有了解FPGA，才能設計更好的電源IC，為系統(tǒng)性能提升服務。

在這種情形下，是自救還是它救?Altera的選擇可謂“對癥下藥”，即通過收購電源企業(yè)來量身定制電源IC，在去年5月份即收購了Enpirion電源公司。Mark Davidson表示：“收購Enpirion，比與電源企業(yè)合作會帶來更多的好處，因為我們在成為一個公司后，圍繞著‘讓FPGA系統(tǒng)變得更好’的核心，可全面整合電源、FPGA系統(tǒng)工程以及電路板布局、信號完整性技術，共同開發(fā)出一個更好的解決方案，不斷優(yōu)化電源IC在FPGA方面的應用。”

而收購之后的成效也是立竿見影，Altera已開發(fā)了一系列使用方便、高效、全面的電源解決方案，適合Altera全系列FPGA——從低功耗、低成本MAX系列直至全功能、大功率Stratix系列。去年年底，Altera展示了最新的FPGA、SoC及Enpirion電源解決方案，包括PowerSoC DC-DC降壓轉換器、PWM DC-DC控制器和電源系統(tǒng)、DC-DC開關調節(jié)器、線性調節(jié)器、DDR存儲器匹配(VTT)、保護和管理等6種產(chǎn)品。

Enpirion電源解決方案可說是“身懷絕技”。張偉超介紹說，Enpirion電源解決方案系列在高頻集成電路設計、磁體工程、電源封裝和結構以及DC-DC系統(tǒng)工程4個關鍵領域關注創(chuàng)新，為系統(tǒng)帶來顯著優(yōu)勢：一是實現(xiàn)了低噪聲性能、低波紋和快速瞬變響應，提升了FPGA性能;二是通過高效的拓撲和數(shù)字控制接口降低了系統(tǒng)功耗;三是采用先進的硅片、磁體和封裝設計提高了功率密度，實現(xiàn)了最小的外形封裝，節(jié)省了20%-50%的PCB空間。四是提高了系統(tǒng)可靠性，包括大于45,000年的MTBF和高度的集成。五是可加快上市，通過提供經(jīng)過全面驗證的布板和設計文件，縮短了數(shù)星期的設計時間，節(jié)省了數(shù)千美元的開發(fā)成本。

圖2：EM1130與Altera的Arria10 FPGA配合，為系統(tǒng)帶來顯著的尺寸與性能優(yōu)化。

在不久的將來Altera在其Enpirion電源解決方案中新增的一款30amp PowerSoC DC-DC降壓轉換器EM1130更是“身手不凡”。這款被Altera全球業(yè)務開發(fā)總監(jiān)Patrick Wadden視作“里程碑”式的產(chǎn)品，是集成數(shù)字DC-DC降壓轉換器系列的第一款產(chǎn)品，可為Altera的第10代FPGA提供電源管理功能，特別是Arria 10和Stratix 10 FPGA內核以及收發(fā)器電源軌。Patrick Wadden介紹說，EM1130實現(xiàn)了“五宗最”：即最小的引腳布局，面積不到其他可選解決方案的一半;同類效率最高，比其他可選解決方案高出3-6%，遠程測量精度提高了30~50%;領先的電源性能，超越了下一代嵌入式系統(tǒng)的關鍵電源規(guī)范，如波紋、瞬變和精度等;集成PowerSoC和數(shù)字可編程能力以及可配置能力，解決方案靈活且便利;支持智能系統(tǒng)管理，實現(xiàn)全面的系統(tǒng)監(jiān)控。

這些讓人“眼前一亮”的特性，充分表明在收購Enpirion之后，Altera帶來的新型電源管理IC的高功效，真正實現(xiàn)了針對FPGA的需求優(yōu)化電源管理，充分發(fā)揮FPGA系統(tǒng)性能。Mark Davidson表示，采用Enpirion電源解決方案，客戶可在盡可能最小的電路板上完成設計，同時還能最大程度地提高性能和降低功耗，加快產(chǎn)品上市、削減材料成本以及增強系統(tǒng)可靠性。

電源IC重塑市場新價值

圍繞著“讓FPGA系統(tǒng)變得更好”的核心，Altera實現(xiàn)了更易設計、更高性能、更低功耗的電源IC方案，理所當然在市場上受到了追棒。

目前采用Altera電源產(chǎn)品的客戶在不斷增多，Altera也在積極拓展中國市場，在過去一年中已與數(shù)十家新的中國客戶進行了一些業(yè)務商談。特別值得一提的是，以華為，中興和烽火為代表的國內領先通信企業(yè)已經(jīng)選擇了Altera的電源IC。

作為全球通信市場的領導者，客戶需要開發(fā)新一代的RRU來保持它在無線市場的競爭力，但是在他們用定制化的ASIC實現(xiàn)4.5G 系統(tǒng)的優(yōu)化特性之前，必須盡快解決諸多挑戰(zhàn)。“Altera的解決方案可幫助他們從根本上解決這些挑戰(zhàn)。除了對系統(tǒng)功耗的優(yōu)化之外，電源SoC也能幫助發(fā)現(xiàn)和定位以減少他們的板子尺寸，以提升在輕負載和重負載下的效率，最重要的是可滿足他們世界級的可靠性要求。” Mark Davidson指出，“他們之所以選擇我們，其背后最重要的原因之一就是，我們的模塊是行業(yè)內已經(jīng)量產(chǎn)很長時間，大規(guī)模生產(chǎn)的先進的性能和穩(wěn)固的可靠性都已經(jīng)過驗證，并被市場上眾多知名品牌客戶所認可。”

Altera的電源IC除在通信、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)、新能源等領域“開花結果”外，Altera也在全力開拓一些新興應用市場。張偉超提到，Altera已與很多無人機、工業(yè)打印機、印鈔機等應用領域的行業(yè)領先公司在洽談合作，其中很多公司都是隱型的行業(yè)冠軍，產(chǎn)品銷至全球。他們對Enpirion有興趣的原因就在于希望擁有一個好用、易用、性能突出的電源產(chǎn)品，并借助Altera的整體技術實力幫助他們更快地推出更有競爭力的產(chǎn)品。

值得關注的是，Enpirion電源IC雖為FPGA而“熠熠生輝”，但也能為其它主芯片IC而“灼灼其華”。張偉超特地提到，除了為FPGA系統(tǒng)提供整體POL電源解決方案之外，我們也在系統(tǒng)板上的其它主芯片提供電源，如DDR存儲器、微處理器，Serdes以及許多其他數(shù)字或者模擬芯片供電等。我們已經(jīng)有很多成功的參考設計，目前也在和更多的公司接觸，有一些合作廠家非常認同Enpirion方案帶給他們的價值，因為可以幫助他們更好的解決目前遇到的種種電源設計難題，可以使他們的參考設計方案更加的簡潔高效并能更快地贏得市場份額。

Altera攜FPGA和Enpirion電源IC并進也將一起重塑更高的市場新價值。對于未來，Altera的電源解決方案有著非常清晰的目標和更長遠的戰(zhàn)略規(guī)劃。張偉超表示，未來Altera主要關注三個關鍵電源產(chǎn)品開發(fā)領域：加強傳統(tǒng)領先低輸入電壓軌小尺寸解決方案、拓寬寬輸入(12V總線)電壓軌解決方案以及重點研發(fā)高電流輸出數(shù)字電源解決方案，并將不斷加強在電源方面的技術創(chuàng)新，包括更高的集成度(集成電感以及LDMOS)、更快更好地簡化FPGA系統(tǒng)并進一步解決系統(tǒng)功耗難題等，包括考慮將電源模塊進一步集成進FPGA內。在這條智能化集成的道路上，相信Altera會走得更加穩(wěn)健和自信。