如何使用Power Design Manager(PDM)進(jìn)行功耗評(píng)估？

一、前言

在基于FPGA和 SoC器件的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，從器件選擇到系統(tǒng)級(jí)電源設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)，電源功率估算對(duì)于設(shè)計(jì)方案確定至關(guān)重要；早期進(jìn)行極端情況下的功耗分析，可以幫助用戶產(chǎn)品避免進(jìn)入系統(tǒng)電源、散熱設(shè)計(jì)過度或設(shè)計(jì)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(fù)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(jì)算功率，Microsoft安全更新可能導(dǎo)致宏或ActiveX控件在Excel中停止工作；

C. FPGA器件的邏輯容量、復(fù)雜性增加，功耗估算需要復(fù)雜的決策和計(jì)算，Excel中宏的運(yùn)行速度慢；

為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，需要對(duì)電源估算工具功能進(jìn)行升級(jí)，支持大型復(fù)雜器件架構(gòu)，提高功耗估算的運(yùn)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(tái)，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)?，用?Vivado? ML 版本電源設(shè)計(jì)和熱預(yù)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(jìn)行單獨(dú)安裝，不需要安裝完整的Vivado工具，PDM是一個(gè)獨(dú)立的工具，不依賴Vivado。

PDM最新版本是2023.1.2，有單獨(dú)的安裝軟件包，可以獨(dú)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(jì)步驟

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

手工流程設(shè)計(jì)方法如下：

1. 建立工程

2. 器件選擇

選擇器件型號(hào)與實(shí)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(yán)苛情況功率估算，Process設(shè)置為Maximum。

導(dǎo)入流程設(shè)計(jì)方法如下：

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

點(diǎn)擊下圖位置中的import.xpe按鈕，選擇.xpe文件目錄進(jìn)行導(dǎo)入。

導(dǎo)入成功后，進(jìn)入下面界面。

四、功耗評(píng)估實(shí)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(dòng)態(tài)功率隨結(jié)溫呈指數(shù)增長(zhǎng)。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(biāo)結(jié)溫或者effective Theta JA參數(shù)，通過熱模擬或?qū)嶋H系統(tǒng)測(cè)量可以獲取有效的effective Theta JA參數(shù)。PDM會(huì)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)計(jì)算出結(jié)溫和功耗，計(jì)算的結(jié)溫超過器件溫度等級(jí)限制或者計(jì)算的功耗超過設(shè)置的功耗值，PDM會(huì)發(fā)出警報(bào)。

時(shí)鐘設(shè)置

選中界面中左側(cè)clock選項(xiàng)，再選中界面中右側(cè)上方 creat clock 按鈕，使用clock config wizard進(jìn)行添加clk 設(shè)置操作，設(shè)置完成后，點(diǎn)擊ok，生成clk_test、clk_out29兩個(gè)時(shí)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(duì)已經(jīng)生成的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編輯，可以從這里刪除不需要的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。完成時(shí)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(jì)算

PS系統(tǒng)的功率估算分為L(zhǎng)PD、FPD、PMC 3個(gè)區(qū)域，分別點(diǎn)擊PMC、LPD、FPD、MIO Config按鈕，設(shè)置參數(shù)，MIO 部分的功耗計(jì)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(jì)算

AI Engine（AIE）在Versal ai Core系列和一些Versal ai Edge、Versal Premium 器件中使用。計(jì)算功耗時(shí)，需要提供Al Engine陣列的時(shí)鐘頻率、 AIE數(shù)量、數(shù)據(jù)類型、Vector Load信息?？梢允褂胕mport流程，導(dǎo)入Vitis軟件平臺(tái)生成的.xpe文件，為Al Engine功耗估計(jì)提供準(zhǔn)確的信息。

.xpe文件導(dǎo)入后，將生成所有配置，與手動(dòng)輸入模式相比，可以更準(zhǔn)確地估計(jì)功率。AIE的時(shí)鐘在-3速度等級(jí)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(shí)鐘速率，PDM會(huì)報(bào)警提示， AIE功耗計(jì)算界面還提供PL和NoC接口的數(shù)量及其對(duì)應(yīng)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(jì)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(jìn)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(jì)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(dòng)輸入和.xpe文件導(dǎo)入兩種方式配置，手動(dòng)輸入點(diǎn)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(dǎo)入時(shí)，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(jìn)行DDRMC設(shè)置，點(diǎn)擊界面上方的Create DDRMC 按鈕進(jìn)入配置界面，在DDRMC wizard中完成參數(shù)設(shè)置后，參數(shù)會(huì)保存到DDRMC的信息欄中。

High Bandwidth Memory (HBM)在Versal HBM系列器件中使用，點(diǎn)擊界面上方的HBMMC Wizard 按鈕進(jìn)入配置界面，在HBMMC Wizard中完成參數(shù)設(shè)置后，參數(shù)會(huì)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(jìn)入Logic、Block RAM 、UltraRAM 、DSP 、I/O、GTY、GTYP、GTM、Hard IP Blocks各個(gè)界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完成后，PDM會(huì)計(jì)算出對(duì)應(yīng)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(zhǔn)確，PDM有一個(gè)更穩(wěn)定、更易于使用的界面。本文簡(jiǎn)單介紹使用PDM進(jìn)行Versal 器件功耗評(píng)估的流程和方法，PDM工具詳細(xì)的使用方法，參照UG1556。

審核編輯：劉清