一、前言

在基于FPGA和 SoC器件的產品設計過程中，從器件選擇到系統級電源設計、散熱設計，電源功率估算對于設計方案確定至關重要；早期進行極端情況下的功耗分析，可以幫助用戶產品避免進入系統電源、散熱設計過度或設計不足的陷阱。從Xilinx Power Estimator (XPE)工具問世以來，一直都是領先的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：

A. 只支持Windows操作系統；

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，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，提高功耗估算的運行速度，支持更多操作系統。

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 向導，用于 Vivado? ML 版本電源設計和熱預算管理；

E. 支持 Windows 及 Linux 操作系統；

F. 支持XPE遷移到PDM；

PDM的首次公開發布是在2022.2年，在2023.1版本中，PDM可以使用統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將繼續支持 Versal 產品系列之前的所有產品系列，新的器件將僅在PDM中得到支持，例如，Versal HBM、Versal Edge。

三、PDM設計步驟

PDM支持兩種設計流程：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，如時鐘頻率、翻轉率、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，靜態功耗低；如果按照最嚴苛情況功率估算，Process設置為Maximum。

導入流程設計方法如下：

使用現有的.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

工作環境參數設置

工作環境參數設置非常重要，動態功率隨結溫呈指數增長。在工作環境信息框中，設置產品的工作環境溫度、目標結溫或者effective Theta JA參數，通過熱模擬或實際系統測量可以獲取有效的effective Theta JA參數。PDM會根據設置的參數計算出結溫和功耗，計算的結溫超過器件溫度等級限制或者計算的功耗超過設置的功耗值，PDM會發出警報。

時鐘設置

選中界面中左側clock選項，再選中界面中右側上方 creat clock 按鈕，使用clock config wizard進行添加clk 設置操作，設置完成后，點擊ok，生成clk_test、clk_out29兩個時鐘網絡。

選中界面中右側上方Edit clock 按鈕，使用edit clock wizard，可以對已經生成的時鐘網絡進行編輯，可以從這里刪除不需要的時鐘網絡。完成時鐘配置后，可以觀察到相關的電源的功耗。

PS系統功耗計算

PS系統的功率估算分為LPD、FPD、PMC 3個區域，分別點擊PMC、LPD、FPD、MIO Config按鈕，設置參數，MIO 部分的功耗計入LPD區域。完成PS系統配置后，可以觀察到相關的電源的功耗。

PMC區域：

LPD 區域：

FPD區域：

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數量、數據類型、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接口的數量及其對應的功耗信息。完成AIE配置后，可以觀察到相關的電源的功耗。

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進行優化，支持BFloat 數據類型，功耗估算設置與AIE類似。

NOC/DDRMC /HBMMC功耗計算

Network-On-Chip(NOC)是versal器件中的連接硬塊，它用更窄的高速網絡提供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中完成參數設置后，參數會保存到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中完成參數設置后，參數會保存到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各個界面進行參數設置，設置完成后，PDM會計算出對應的功耗。

五、結語

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