Altera、最大30A供給のデジタルDC-DCコンバータを発表

2015年3月12日マイナビニュース

●4チップで最大12OAまで出力が可能なデジタルDC-DCコンバータ
米Alteraは米国時間の3月11日、単体で30A、4チップで最大120Aまでの出力が可能なデジタル制御DC-DCコンバータである「EM1130」を発表した。このEM1130に関する説明会が都内で開催されたので、その内容をお届けしたい(Photo01)。

まずは簡単に背景を紹介。Alteraは2013年5月に、電源ICなどを手がけていたアナログ半導体ベンダーのEnpirionを買収、同社の製品ラインアップを自社製品に取り込んだ。その後、同社は自社のFPGA向けの電源ソリューションを拡充しており、今回発表されたEM1130はその最新のもの、ということになる。基本、Enpirionは同社のすべてのFPGAに対するソリューションとなっており(Photo02)、これに向けてさまざまな製品がすでにリリースされている。

さて、今回のEM1130はハイエンドのPowerSoCに属する製品で、Arria 10やStratix 10に向けたDC-DCコンバータである(Photo03)。Photo03にもあるように、EM1130自身は非常に小さいパッケージに納められており、実装面積の削減に効果的である(Photo04～06)。

さて、ではなぜArria/Stratix向けに新製品を出したのか? という理由がこちらである(Photo07)。これらのFPGAを使って、例えばLTEの基地局とかバックボーン向けのアプリケーションを作成するといったケースでは、多数のLEを利用したりInterLakenの様な高速リンクを多数接続したりといった事が考えられる。当然これは膨大な消費電力にそのまま直結するから、これを安定供給できるようにするための電源回路をシステムデザイナーは用意しなければならない。この問題に対するAlteraの回答がEM1130というわけだ。

そのEM1130であるが、構造はこんな具合だ(Photo08)。個別の特徴は後述するとして、4.5V～14.5Vの入力電源に対して0.7V～5Vの範囲で、0.5%未満の精度と10mVp-p未満のリップルを保ち、90%近い効率を実現するという、かなり効率の良い製品となっている。

まずEfficiecyであるが、もちろん電圧や出力電流値、スイッチング速度によって効率に多少の差はあるものの、競合製品と比較して3～6%の効率改善が可能としている(Photo09)。例えば30A出力のケースでは出力電圧が1Vとすると30Wほどになるが、ここで3～6%というのは1～2Wの節約になる訳で、必要とされるFPGAの数が多いデータセンターなどではトータルすると数百～数千Wの節約に繋がり、これは運用コストの削減にもなるとする。

ちなみにスイッチング速度は、システムの負荷変動状況を見ながら、変動が少ない場合にはスイッチング速度を下げて安定した供給を行い、逆に変動が多い場合はスイッチング速度を上げて応答性を上げるといったAdaptive Compensationの機能も搭載されているという。またこの機能を利用することで、例えば外部に接続したコンデンサが劣化してきた場合でも、その特性をある程度まで補償することが可能になるそうだ。

その実装面積の話がこちら(Photo10)。EM1130では必要となる周辺回路をすべて内部に統合しているため、必要となる周辺部品を最小限に抑えられる。このため、同じボード面積であれば、より多くの機能を搭載できるようになると説明した。

●電圧変更機能により、システムトータルでの電力消費量の低減を実現
そのEM1130であるが、動作パラメータなどをPMBusなどを経由して外部から制御できるようになっている。このためのGUIも用意されており、これを使ってテストとか動作パラメータの設定、あるいは後述する複数のEM1130の協調動作の設定なども可能とされる。EM1130そのものは8つのプリセットを保持可能で、このプリセット値をGUI経由で設定/変更できる仕組みだ。

次が電圧変動周り(Photo12)であるが、昨今のハイエンドFPGAは動作周波数・消費電力共に汎用プロセッサ並みになってきており、これに伴い電源品質も高いものが求められている。EM1130はこうした目的に十分見合う品質を提供できる、としており副次的な効用として、電源応答の速度が高速なので、チップ周辺に必要となるパスコンの数や容量を減らすことも可能となり、実装面積とBOMの両方も削減できるとしている。

また先にちょっと触れたが、EM1130自身を組み合わせて最大120Aまでの出力が可能となっている(Photo13)。この場合、EM1130そのものは全部独立して動作する(どれか1つのEM1130の中のコントローラが、他の3つのEM1130を制御するわけではない)が、Current Share Busを経由して協調動作を行うことになるという話であった。またこの際に、どう協調動作するか(Single Phaseで動作するのか、Multi-Phaseで動作するのか。あるいはMulti-Phaseだとどんな形になるのか)といったパラメータは、Photo11で出てきたGUIで設定できるとの事だった。

またちょっと目新しいのが、SmartVIDによる電圧変更である(Photo14)。FPGAもいわゆる半導体だから、定格電圧そのものは決まっているが、実際の動作電圧は定格電圧の範囲の中である程度変化する。

定格ぎりぎりで動くものもあれば、ずっと低い電圧で動作するものもあるわけで、この「実際の電圧」にあわせて電圧を変化させられる機能である。最大で40%程度の電力削減が可能というのは、消費電力が電圧の2乗で効いてくる事を考えればそれほど不思議ではない。

ただ残念ながらこのSmartVIDは、FPGAの起動時に一度設定されるだけで、動作状況に応じて動的に電圧を変化させる機能は持っていない。これはEM1130が対応しているPMBus 1.2にそもそもそうした機能が無いからで、動的な電圧変化に対応したPMBus 1.3準拠になったらそうした機能が入ることになると思うが、それは次世代の製品で、という話であった。今のところ(Arria 10の内部のCortex-Aプロセッサとかはともかく)FPGA Fabricそのものはダイナミックに電圧を変化させる機能を持っていないから、そこまでの機能は不要という事なのだろう。ただいずれはFPGAもPower GatingやClock Gatingを本格的に使うことになるだろうし、動作周波数もダイナミックに変わる事が予想されるから、その世代では動的な電圧変化に対応するようになると思われる。

ここまではEM1130はFPGA向けと説明してきており、実際Primary TargetはAlteraのFPGAなのだが、実際にはそれ以外の用途向けにも提供をしているとか。実際に、FPGA以外のデバイス向けに利用されている顧客もあるそうで(Photo15)、こうした用途にむけて拡販を進めてゆきたいとの事だった。

このPhoto15の様な構成では、EM1130の稼働状況をPMBusあるいはI2Cを経由してモニタリングが可能であり、これを利用してシステム全体の管理が可能となるという説明もあった(Photo16)。ちなみに現時点ではまだ価格などは発表されていない。