HardCopy II 군용 온도 범위 지원
이 글에서는 알테라의 HardCopy II 군용 온도 범위 동작 지원과 이에 관련된 배경 정보를 설명한다. 그리고 또한 군용 온도 범위 동작으로 HardCopy II 디바이스를 어떻게 활용할 수 있는지와 HardCopy II 데이터시트 사양에 관련된 동작의 한계에 대해서 알아본다.
자료제공│알테라 코리아
알테라는 군용 애플리케이션을 위해 향상된 상용 규격품(COTS) 디바이스를 제공하기 위한 취지의 일환으로 HardCopy II 디바이스 제품군의 온도 범위를 군용 온도 범위(-55℃~125℃)로 작동할 수 있도록 확장했다. 이렇게 함으로써 군용 프로그램이 상용으로 출시된 HardCopy II 스트럭처드 ASIC을 이용해서 새로운 기술을 활용하고 규모의 경제를 달성하는 것이 가능하게 되었다.
HardCopy II 스트럭처드 ASIC은 우수한 신뢰성 특성으로 넓은 온도 범위에 걸쳐서 작동할 수 있는 매우 견고한 디바이스이다. 이 글에서는 알테라의 Hard-Copy II 군용 온도 범위 동작 지원과 이에 관련된 배경 정보를 설명한다. 그리고 또한 군용 온도 범위 동작으로 HardCopy II 디바이스를 어떻게 활용할 수 있는지와 HardCopy II 데이터시트 사양에 관련된 동작의 한계에 대해서 설명한다.
군용 온도 지원
군용 온도 동작은 온도에 따라서 증가될 수 있는 fMAX의 변동을 보정하기 위해서 산업 온도 동작에 비해서 추가적인 타이밍 마진을 필요로 한다. Stratix II FPGA 프로토타입 디바이스는 산업용 I4 부품을 이용해 디자인을 컴파일하고 Quartus II 소프트웨어에서 온도 범위를 -55℃~125℃로 설정함으로써 증가된 타이밍 마진을 달성할 수 있다. Quartus II 소프트웨어는 저속 코너를 위한 125℃와 고속 코너를 위한 -55℃로 각기 별도의 타이밍 모델을 제공한다.
HardCopy II 자매 디바이스를 위해서는 새로운 "M" 부품번호를 도입해서 설계 프로스세스를 간소화하고 있다. "M" 부품번호의 HardCopy II 자매 디바이스를 선택하면(표 1참조) Quartus II 소프트웨어가 -55℃ 및 125℃를 위해 적합한 타이밍 모델을 이용해서 군용 온도 범위 동작의 제약이 충족되도록 한다.
소프트웨어 지원
HardCopy II 디바이스의 군용 온도 지원은 Quartus II 소프트웨어 버전 7.2부터 제공된다. 군용 온도 범위 지원 설계 플로우는 상용 및 산업용 디바이스를 위한 것과 동일하다. 이 소프트웨어의 HardCopy II Advisor의 안내에 따라서 플로우를 진행함으로써 디자인을 알테라의 Hardcopy 설계 센터로 제출할 수 있도록 준비할 수 있다. 이와 함께 Stratix II FPGA 프로토타입을 위한 설계일 때는 TB-086: "Stratix II 군용 온도 범위 지원"에서 설명한 가이드라인을 참조할 수 있다.
산업용 I4 속도 등급 디바이스를 선택하고 최저 및 최고 동작 온도 조건을 각각 -55℃ 및 125℃로 설정한다. 이전을 위한 HardCopy II 자매 디바이스를 선택할 때는 표 1에서 열거한 바와 같이 "M" 부품번호의 HardCopy II 디바이스를 선택한다. 그러면 디폴트 동작 온도 조건이 -55℃ 및 125℃로 설정된다.
2개의 대형의 Stratix II FPGA 디바이스인 EP2S130과 EP2S180은 군용 온도 범위 동작을 지원하지 않는다는 점에 유의해야 한다. 하지만 이들 디바이스를 군용 온도 범위로 동작하는 HardCopy II 자매 디바이스로 이전할 수 있다. 이 두 Stratix II 디바이스를 위해서는 위에서 설명한 것처럼 산업용 I4 속도 등급을 선택한다.
동작 온도 조건은 디폴트로 -40℃~100℃의 산업용 온도 범위이다. Hard-Copy II 자매 디바이스로 이전할 때는 "M" 부품번호의 디바이스를 선택한다. 그러면 디폴트 동작 온도 범위가 -55℃~125℃로 설정된다.
데이터시트 사양의 한계
그러면 HardCopy II 디바이스를 군용 온도 범위로 작동할 때 HardCopy II 데이터시트 사양의 한계에 대해 살펴보자. 특성화 결과를 보면 HardCopy II 디바이스를 군용 온도 범위로 작동할 때 아래에서 설명하고 있는 사항들을 제외하고 데이터시트 사양의 산업용 등급 및 관련 정정표로 제한된다는 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라 일반적으로 Stratix II 군용 온도 동작의 한계가 HardCopy II 군용 온도 동작에 적용된다.
*125℃에서 최악 사례 대기 전력이 100℃의 최악 사례 대기 전력의 대략 1.8배이므로 철저한 전력 분석 및 열 관리가 필요하다. 군용 온도 정지 전력을 위해서는 HardCopy II PowerPlay Early Power Estimator나 PowerPlay Power Analyzer 버전 7.2 이상을 이용해야 한다.
*지연 동기화 루프(DLL) 주파수 범위는 표 2에 열거된 최소 DLL 주파수로 제한된다.
*비교정 온칩 종단(OCT)은 직렬 저항을 위해 ±40%로 제한된다.
*핫 소케팅 DC 한계는 350㎂로 상승된다.
*I/O FMAX는 모든 I/O 표준에 대해서 산업용 사양보다 15% 낮다.
<다음 데이터시트 개정판에는 Hard-Copy II의 I/O FMAX의 산업용 사양이 포함될 계획이다. HardCopy II 산업용 I/O FMAX 사양은 Stratix II C5 사양과 동일하므로 현재로서는 Stratix II 데이터시트를 참조할 수 있다.>
*LVDS I/O 2.5V 최소 VOCM은 1.1V이고, 최소 VOD는 240mV이다.
*위상 동기화 루프(PLL) 스위치오버는 0℃와 100℃ 사이에 이루어진다.
PLL 설정
버전 7.2부터는 Quartus II 소프트웨어가 PLL을 위해서 군용 온도 범위 동작을 완벽하게 지원한다. PLL이 군용 온도 범위로 적절히 동작하도록 컴파일러가 특정한 제한으로 PLL 설정을 구현한다.
altpll MegaWizard 역시 군용 온도 범위 동작을 지원한다. Stratix II FPGA 프로토타입을 위한 맞춤화 altpll 메가함수를 작성할 때는 3페이지의 "Use Military Temperature Range Devices Only(군용 온도 범위 디바이스만 이용" 박스에 체크를 표시함으로써 군용 온도 범위 동작을 지정할 수 있다. HardCopy II 자매 디바이스를 위한 맞춤화 altpll 메가함수를 작성할 때는 "M" 부품번호의 디바이스를 선택하면 군용 온도 범위 동작이 디폴트이다.
참고로 다음은 군용 온도 범위 동작의 PLL 설정 한계이다.
*M 카운터는 3에서 19 사이여야 한다.
- M = 3이나 4이면 ICP가 36㎂ 이상이어야 한다.
- M = 5나 6이면 ICP가 52㎂ 이상이어야 한다.
- M = 7이면 ICP가 57㎂ 이상이어야 한다.
- M = 8이나 9면 ICP가 72㎂ 이상이어야 한다.
- M = 10이면 ICP가 77㎂ 이상이어야 한다.
- M = 11이나 12면 ICP가 92㎂ 이상이어야 한다.
- M = 13이나 14면 ICP가 110㎂ 이상이어야 한다.
- M = 15면 ICP가 114㎂ 이상이어야 한다.
- M = 16이면 ICP가 127㎂ 이상이어야 한다.
- M = 17이면 ICP가 131㎂ 이상이어야 한다.
- M = 18이나 19면 ICP가 144㎂ 이상이어야 한다.
*위상 주파수 검출기(PFD) 입력 주파수는 25MHz 이상이어야 하고 PLL 대역폭의 8배보다 높아야 한다.
- PFD 입력 주파수는 PLL 입력 주파수(fIN)를 N 카운터로 나눈 것이다.
일반적으로 이러한 PLL 한계는 다음과 같이 영향을 미친다.
*이용 가능한 입력/출력 주파수 조합을 낮춘다(제한적인 M 카운터 선택폭 때문에).
*PLL 대역폭 범위를 낮춘다(제한적인 차지 펌프 전류 선택폭 때문에).
- 대역폭이 낮을수록 달성하기가 더 어렵다.
결론
이러한 가이드라인은 생산 실리콘 샘플을 대상으로 군용 온도 범위(125℃ 및 -55℃)로 HardCopy II 디바이스의 추가적인 특성화를 실시해서 결정된 것이다. 특성화를 통해서 디자인이 군용 온도로 적절히 동작하는 것으로 나타나는 한편, 100℃로 산업용 등급 디바이스의 군용 온도 범위 동작에 대한 생산 테스트가 이루어진다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 11월호>