FPGA'lerde BRAM gerilimi düşürülmesinin güç kazanımı, hata oranı ve sıcaklığın etkileri yönünden araştırılması

Yüksek performans, düşük güç tüketimi, tasarım esnekliği sağlaması, basit ve yeniden yapılandırılabilir tasarım özellikleriyle, FPGA'ler gömülü sistemler, savunma ve uzay uygulamaları için donanım hızlandırıcı olarak sıklıkla tercih edilmektedir. FPGA tabanlı tasarımlarda, çalışma voltajı düşürülmesi, enerji verimliliğini arttırmak için çok etkili bir tekniktir. Nominal çalışma voltajından daha düşük gerilimlerde çalıştırılan bu sistemler için, güç tüketimini azaltırken güvenilirlik için hata oluşmasını önlemek de çok önemlidir. Bu amaçla, minimum çalışma geriliminin (Vmin) yani hataların oluşmaya başladığı en düşük gerilim seviyesinin tespit edilmesi bu sistemlerde kritik öneme sahiptir. Çalışma geriliminin düşürülmesi konusundaki önceki araştırmalarda, FPGA'ler içerisindeki BRAM belleklerinin, üretici tarafından belirtilen nominal voltajın %39 altına kadar güvenli bir şekilde çalıştırılmasının mümkün olduğu gösterilmiştir. Bu çalışmada, silikon sıcaklığının hatasız çalışılabilen minimum besleme gerilimi olan Vmin üzerinde çok etkili olduğu gösterilmiştir. Yapılan ölçümlerde, silikon sıcaklığı arttıkça daha fazla güç kazanımı elde edebilmek için BRAM'lerin çalışma gerilimlerini artan sıcaklığa bağlı olarak azaltmanın, güvenilir çalışmayı bozmadığı görülmüştür. Bu davranışı gözlemleyebilmek için çalışma voltajı düşürülmesi işlemi -30 ℃ ve + 82 ℃ silikon sıcaklığı arasındaki sıcaklık değerlerinde analiz edilmiştir. Yapılan analizlerde, FPGA BRAM'ler için hatasız çalışılabilen minimum besleme gerilimi olan Vmin değerinin bu sıcaklık aralığında sıcaklığa bağlı olarak değiştiği ve bu sayede yüksek sıcaklıklarda %9 daha fazla güç tasarrufu yapılabileceği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, çalışma voltajı düşürülmesi uygulamalarında güç tüketimini daha çok azaltırken güvenilir çalışmayı da bozmamak için FPGA'in silikon sıcaklığını okuyan, bu sıcaklıkta hatasız çalışılabilen en düşük besleme gerilimini belirleyen ve FPGA BRAM'lerin besleme gerilimini bu değere ayarlayan bir yöntem önerilmiştir. Bu yöntem sayesinde, sadece % 0.04 ek kaynak kullanımıyla enerji tüketiminde % 40'a varan kazanç elde edilmiştir.