一、前言

在基于FPGA和 SoC器件的產(chǎn)品設(shè)計過程中，從器件選擇到系統(tǒng)級電源設(shè)計、散熱設(shè)計，電源功率估算對于設(shè)計方案確定至關(guān)重要；早期進行極端情況下的功耗分析，可以幫助用戶產(chǎn)品避免進入系統(tǒng)電源、散熱設(shè)計過度或設(shè)計不足的陷阱。從Xilinx Power Estimator (XPE)工具問世以來，一直都是領(lǐng)先的FPGA 電源估算工具；但是隨著 FPGA、MPSoC 以及Versal ACAP 器件的邏輯容量、復雜性不斷增加，XPE工具面臨如下一些挑戰(zhàn)：

A. 只支持Windows操作系統(tǒng)；

B. XPE工具使用Microsoft Excel和宏來計算功率，Microsoft安全更新可能導致宏或ActiveX控件在Excel中停止工作；

C. FPGA器件的邏輯容量、復雜性增加，功耗估算需要復雜的決策和計算，Excel中宏的運行速度慢；

為應對上述挑戰(zhàn)，需要對電源估算工具功能進行升級，支持大型復雜器件架構(gòu)，提高功耗估算的運行速度，支持更多操作系統(tǒng)。

二、PDM工具介紹

Power Design Manager (PDM) 是 AMD 的全新一代電源估算平臺，旨在為 Versal? 和 Kria? SOM 產(chǎn)品帶來精確、一致的電源估算性能。PDM有如下特性:

A. 為 Versal 器件帶來了更高的速度和穩(wěn)定性；

B. 支持 Versal AI Core 系列、Prime 系列、Premium 系列、AI Edge 系列和 HBM 系列；

C. 支持 Kria K26 SOM 和Kria KV260 入門套件；

D. 面向硬件特定電氣和熱約束的全新 Export XDC 向?qū)В糜?Vivado? ML 版本電源設(shè)計和熱預算管理；

E. 支持 Windows 及 Linux 操作系統(tǒng)；

F. 支持XPE遷移到PDM；

PDM的首次公開發(fā)布是在2022.2年，在2023.1版本中，PDM可以使用統(tǒng)一安裝程序進行單獨安裝，不需要安裝完整的Vivado工具，PDM是一個獨立的工具，不依賴Vivado。

PDM最新版本是2023.1.2，有單獨的安裝軟件包，可以獨立下載安裝，不需要license。

XPE將繼續(xù)支持 Versal 產(chǎn)品系列之前的所有產(chǎn)品系列，新的器件將僅在PDM中得到支持，例如，Versal HBM、Versal Edge。

三、PDM設(shè)計步驟

PDM支持兩種設(shè)計流程：手工流程和導入流程。手工流程要求工程師手動輸入各種參數(shù)，如時鐘頻率、翻轉(zhuǎn)率、各類資源使用量以及使用模式等。導入模式可直接導入.xpe文件用于功耗評估,與XPE工具導入.xpe文件操作類似；.xpe文件可以是XPE工具導出文件，也可以是Vivado IDE生成的.xpe文件。

手工流程設(shè)計方法如下：

1. 建立工程

2. 器件選擇

選擇器件型號與實際使用器件一致；VCCINT電壓越高，功耗越高；Static Power為 Low的器件，靜態(tài)功耗低；如果按照最嚴苛情況功率估算，Process設(shè)置為Maximum。

導入流程設(shè)計方法如下：

使用現(xiàn)有的.xpe文件，或者從Vivado中導出.xpe文件，下圖是Vivado中導出.xpe文件的操作示意圖。

點擊下圖位置中的import.xpe按鈕，選擇.xpe文件目錄進行導入。

導入成功后，進入下面界面。

四、功耗評估實例

工作環(huán)境參數(shù)設(shè)置

工作環(huán)境參數(shù)設(shè)置非常重要，動態(tài)功率隨結(jié)溫呈指數(shù)增長。在工作環(huán)境信息框中，設(shè)置產(chǎn)品的工作環(huán)境溫度、目標結(jié)溫或者effective Theta JA參數(shù)，通過熱模擬或?qū)嶋H系統(tǒng)測量可以獲取有效的effective Theta JA參數(shù)。PDM會根據(jù)設(shè)置的參數(shù)計算出結(jié)溫和功耗，計算的結(jié)溫超過器件溫度等級限制或者計算的功耗超過設(shè)置的功耗值，PDM會發(fā)出警報。

時鐘設(shè)置

選中界面中左側(cè)clock選項，再選中界面中右側(cè)上方 creat clock 按鈕，使用clock config wizard進行添加clk 設(shè)置操作，設(shè)置完成后，點擊ok，生成clk_test、clk_out29兩個時鐘網(wǎng)絡(luò)。

選中界面中右側(cè)上方Edit clock 按鈕，使用edit clock wizard，可以對已經(jīng)生成的時鐘網(wǎng)絡(luò)進行編輯，可以從這里刪除不需要的時鐘網(wǎng)絡(luò)。完成時鐘配置后，可以觀察到相關(guān)的電源的功耗。

PS系統(tǒng)功耗計算

PS系統(tǒng)的功率估算分為LPD、FPD、PMC 3個區(qū)域，分別點擊PMC、LPD、FPD、MIO Config按鈕，設(shè)置參數(shù)，MIO 部分的功耗計入LPD區(qū)域。完成PS系統(tǒng)配置后，可以觀察到相關(guān)的電源的功耗。

PMC區(qū)域：

LPD 區(qū)域：

FPD區(qū)域：

MIO Config：

AI Engine功耗計算

AI Engine（AIE）在Versal ai Core系列和一些Versal ai Edge、Versal Premium 器件中使用。計算功耗時，需要提供Al Engine陣列的時鐘頻率、 AIE數(shù)量、數(shù)據(jù)類型、Vector Load信息。可以使用import流程，導入Vitis軟件平臺生成的.xpe文件，為Al Engine功耗估計提供準確的信息。

.xpe文件導入后，將生成所有配置，與手動輸入模式相比，可以更準確地估計功率。AIE的時鐘在-3速度等級的器件中，最高可以支持1300MHZ，設(shè)置值超出所選器件AIE支持的時鐘速率，PDM會報警提示， AIE功耗計算界面還提供PL和NoC接口的數(shù)量及其對應的功耗信息。完成AIE配置后，可以觀察到相關(guān)的電源的功耗。

AI Engine-ML 功耗計算

AI Engine-ML (AIE-ML) 在Versal ai Edge系列和一些Versal ai Core器件中使用，AIE-ML基于AlE進行優(yōu)化，支持BFloat 數(shù)據(jù)類型，功耗估算設(shè)置與AIE類似。

NOC/DDRMC /HBMMC功耗計算

Network-On-Chip(NOC)是versal器件中的連接硬塊，它用更窄的高速網(wǎng)絡(luò)提供PMC、DDRMC、HBM、CPM、PL、Al Engine和PS之間的連接，并為其接口的模塊提供配置功能。支持直接手動輸入和.xpe文件導入兩種方式配置，手動輸入點擊界面下方的Noc按鈕，在界面信息中直接輸入配置信息，.xpe文件導入時，選擇界面上方的import Noc.xpe按鈕，.xpe文件由Vivado軟件生成。

通過DDRMC wizard進行DDRMC設(shè)置，點擊界面上方的Create DDRMC 按鈕進入配置界面，在DDRMC wizard中完成參數(shù)設(shè)置后，參數(shù)會保存到DDRMC的信息欄中。

High Bandwidth Memory (HBM)在Versal HBM系列器件中使用，點擊界面上方的HBMMC Wizard 按鈕進入配置界面，在HBMMC Wizard中完成參數(shù)設(shè)置后，參數(shù)會保存到HBMMC的信息欄中。

完成NOC/DDRMC /HBMMC配置后，可以觀察到各自相關(guān)的電源的功耗。

參照上述方法，進入Logic、Block RAM 、UltraRAM 、DSP 、I/O、GTY、GTYP、GTM、Hard IP Blocks各個界面進行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完成后，PDM會計算出對應的功耗。

五、結(jié)語

PDM是下一代功率估算工具，比上一代XPE功率估算工具更快，更準確，PDM有一個更穩(wěn)定、更易于使用的界面。本文簡單介紹使用PDM進行Versal 器件功耗評估的流程和方法，PDM工具詳細的使用方法，參照UG1556。

審核編輯：劉清