Mesurer la consommation d'énergie dans les appareils FPGA

Ces dernières années, plein d'outils ont vu le jour pour aider à concevoir et vérifier les systèmes électroniques. Cependant, il reste un manque concernant les outils pour estimer combien de puissance un design va consommer sur des technologies spécifiques. C'est super important pour les ingénieurs qui bossent sur des projets où la consommation d'énergie est un gros enjeu. Cet article parle d'une nouvelle méthode pour mesurer et prédire la consommation d'énergie dans les dispositifs FPGA, en se concentrant particulièrement sur un modèle spécifique connu sous le nom de Lattice iCE40.

#Contexte

FPGA signifie Field Programmable Gate Array ; c'est un type de matériel que les ingénieurs peuvent configurer pour effectuer des tâches spécifiques. Comprendre combien de puissance ces dispositifs consomment est essentiel pour faire des choix de design éclairés, surtout dans des conceptions qui exigent une faible consommation. La plupart des outils existants pour mesurer la puissance sont soit propriétaires, soit ne donnent pas assez de détails pour des technologies spécifiques, ce qui complique la tâche des développeurs.

#Mesure de la consommation d'énergie

Pour mesurer la consommation d'énergie avec précision, les ingénieurs examinent généralement différents aspects, y compris les composants internes du design, comment il est utilisé, et comment il interagit avec d'autres pièces de matériel. Traditionnellement, les ingénieurs utilisaient une combinaison de mesures matérielles et d'outils fournis par les vendeurs. Cependant, ces outils peuvent varier énormément en précision, ce qui rend les résultats peu fiables.

#La nécessité de micro-benchmarks

Les micro-benchmarks sont de petits tests qui peuvent être exécutés sur des pièces spécifiques de matériel pour recueillir des informations sur leur comportement. Ils sont essentiels pour comprendre comment un dispositif va se comporter dans différentes conditions. Le but est de créer un processus qui facilite et rend plus efficace la génération de ces benchmarks.

#Création de micro-benchmarks

Au lieu d'écrire manuellement des micro-benchmarks, un outil a été développé pour les créer automatiquement. Cet outil génère du code Verilog, qui est un type de langage de description matériel utilisé pour programmer des FPGAs. L'outil peut créer différentes variations des benchmarks, ce qui permet aux utilisateurs de rapidement mettre en place des tests pour analyser comment les changements dans le design impactent la consommation d'énergie.

#Approches de test

Une fois les micro-benchmarks prêts, différentes méthodes peuvent être utilisées pour stimuler le circuit et mesurer la consommation d'énergie. Les méthodes incluent :

1. Testbenches Verilog : Ceux-ci simulent le comportement du design pour voir comment il réagit. Cette simulation n'est pas exacte, car elle ne prend pas en compte les délais dans le matériel physique.

2. Testbenches de microcontrôleur : Cette approche utilise un microcontrôleur pour envoyer des signaux au FPGA et mesurer combien de puissance est utilisée. Ce setup est connecté à un ordinateur pour faciliter le suivi et la collecte de données.

3. Tests basés sur LFSR : Un registre à décalage à retour linéaire (LFSR) génère des entrées aléatoires pour tester le design. Cette méthode ajoute du hasard et aide à s'assurer que les tests ne deviennent pas prévisibles.

#Configuration matérielle

Pour effectuer les mesures, un setup spécifique a été conçu. Une carte de mesure USB avec un convertisseur analogique-numérique (ADC) est utilisée pour collecter des données. Cependant, les tests initiaux ont révélé que la précision des mesures n'était pas suffisante pour des dispositifs à faible consommation comme le FPGA iCE40.

Pour améliorer la précision, un amplificateur opérationnel a été intégré dans le setup. Ce composant amplifie les petits signaux produits pendant les tests, permettant de meilleures mesures.

#Amplificateur de détection de courant

Un appareil spécifique appelé INA293B5 a été choisi comme amplificateur de détection de courant. Ce type de dispositif est excellent pour mesurer les petites différences de tension qui se produisent lorsque le courant traverse une résistance. Cela permet d'avoir une vision plus claire de combien de puissance est consommée par le FPGA durant les tests.

#Défis de mesure

Le FPGA Lattice iCE40UP5k est remarquable pour avoir des cellules logiques limitées comparé à ses concurrents. Cela entraîne une très faible consommation d'énergie globale, rendant difficile une mesure précise. Dans de nombreux cas, la consommation d'énergie durant certains tests était trop basse pour fournir des résultats fiables.

Pour contrer ce problème, un setup de mesure plus avancé a été créé, utilisant un circuit intégré dédié (IC) pour atteindre une meilleure précision. Ce setup permet des mesures plus simples des différences de tension, menant à une collecte de données améliorée.

#Résultats des tests

Différents designs et setups de test ont été utilisés pour recueillir des résultats du FPGA. Un des designs les plus simples testés était le LUT4, qui est un composant basique dans les dispositifs FPGA. Les données ont montré que la puissance consommée ne changeait pas au fur et à mesure que le nombre de LUTs augmentait, indiquant que d'autres facteurs pourraient influencer la puissance de manière plus significative que prévu.

Après ces tests, un oscillateur en anneau a été créé pour mesurer la consommation d'énergie en utilisant différentes portes logiques. L'objectif était de capturer comment les changements dans le design impactaient la consommation d'énergie.

#Simulation logicielle

Avant de faire des tests physiques, les simulations peuvent aider à prédire comment un design va se comporter. L'outil open-source Icarus Verilog peut simuler des designs pour que les ingénieurs puissent les affiner avant les tests physiques. C'est particulièrement utile pour les circuits à commutation rapide, comme l'oscillateur en anneau, qui peuvent endommager le matériel si mal gérés.

#Conclusion

Avec les préoccupations croissantes sur la consommation d'énergie dans les dispositifs électroniques, des outils de mesure efficaces sont plus importants que jamais. En utilisant des micro-benchmarks, de nouvelles méthodes pour tester et mesurer la consommation d'énergie peuvent aider les développeurs à concevoir de meilleurs systèmes plus efficaces. Ce travail en cours vise à combler le fossé dans les outils open-source pour l'estimation de la puissance, encourageant finalement plus d'ingénieurs à se concentrer sur des conceptions à faible consommation.

Les efforts dans le développement d'outils de génération de micro-benchmarks automatisés et d'amélioration des setups de mesure visent à fournir une compréhension plus complète du comportement de la puissance dans les FPGAs. Les travaux futurs se concentreront sur l'affinement de ces méthodes et garantir que des données fiables et précises puissent être obtenues de manière cohérente.