Power Consumption Characterization and Modeling of Embedded Memories in Xilinx Virtex 400E FPGA

To increase their flexibility, latest FPGA devices integrate processors, arithmetics elements and memories; but these programmable circuits have a significant power consuming, which grows up at each process generation. Then it is necessary to develop reliable high-level power consumption models in order to estimate and reduce the power budget as soon as possible in the design flow. Among the FPGA modeling methods, none has integrated the embedded memory yet. We propose here a power model of embedded memory for the Xilinx Virtex 400E based on physical measurements combined with algorithmic and architectural parameters. This simple model is validated in comparison to Xilinx's estimation tool XPOWER and an example of memory architecture design illustrates the interest of such an approach

Caractérisation automatisée de la consommation de puissance des processeurs pour l'estimation au niveau système

RÉSUMÉ De nos jours, la consommation de puissance est une contrainte clé et une métrique de performance essentielle lors du design des systèmes numériques. La dissipation de chaleur excessive sur les circuits intégrés diminue relativement leurs performances. Également, plus que jamais, nous avons le besoin d’augmenter le temps de vie des batteries de nouvelles électroniques portables. Avec les techniques de design classiques, RTL « Register Transfer Level », une estimation de puissance précise est possible seulement aux dernières étapes du processus de développement. Pour remédier à cette problématique, on a récemment proposé dans la littérature de hausser le niveau d’abstraction de la conception de systèmes embarqués à l’aide de la méthodologie de niveau système « Electronic System Level » (ESL). Dans cette perspective, ce travail propose une méthodologie capable de caractériser automatiquement la consommation de puissance des processeurs configurable de type « soft-processors » et de générer un modèle efficace pour l’estimation de l’énergie consommée au niveau système. À l'aide de ce modèle, une étude comparative entre trois techniques d’estimation est donc présentée. Les résultats de cinq programmes tests montrent une estimation de puissance huit mille fois plus rapide que les techniques d’estimation conventionnelles et une erreur moyenne de seulement ±3.98 % pour le processeur LEON3 et de ±10.70 % pour le processeur Microblaze.----------ABSTRACT Nowadays, power consumption is a key constraint and a digital system design essential metric of performance. Excessive heat dissipation of integrated circuits relatively decreases the performance of the system. Also, more than ever, we need to increase the battery lifetime of new portable electronics. With classical design techniques as RTL « Register Transfer Level », precise power estimation is only possible in the final stages of the development process. To solve this problem, the literature recently proposed to raise the abstraction level of embedded systems design, using ESL « Electronic System Level » methodology. In this context, this project proposes a methodology to automatically characterize configurable soft-processors power consumption and generate an effective power model for energy consumption estimation at system level. Using this model, a comparative study between three estimation techniques is also presented. The results of five benchmarks show that our power estimation is eight thousand times faster than conventional estimation techniques and an average error of only ±3.98 % for the LEON3 processor and ±10.70 % for the Microblaze processor