本文將介紹支援溫度偏差的元件類型，以及如何將其進行多種應用。
溫度偏差是指對特定裝置的支援，在高於正常溫度範圍下進行最大時間的運作。對於支援該功能的元件來說，如果無需持續在最高環境溫度下與/或最大功率下作業，使用者通常可以將最高工作溫度設置為比額定值高10℃。標準擴充元件可以持續在0℃到100℃的溫度範圍內運作超過十年。同樣地，工業級元件(一般用於室外應用)也可在-40℃到100℃的溫度範圍內持續運作超過十年。溫度偏差能支援上述元件在100℃至110℃的溫度範圍內進行短時間的運作。
表1所列元件經測試後即使在高達110℃下作業也能符合Vivado設計套件要求的時序效能水準。除了選擇適當的速度等級外，在Vivado工具內無需進行其他設置或調整。這些元件可以針對特定運作時長支援更廣的工作溫度範圍，且依然能夠確保十年的完整作業壽命。
使用溫度偏差時機力助元件散熱
有多種情況下使用溫度偏差規格都有助於改善散熱設計，以下將介紹三種情況。
室外運作易受環境影響
部署在室外的應用由於外部條件的變化，而出現較大的環境溫度波動。不同季節會有不同的日間高溫，而夜間因為溫度與太陽輻照強度降低，可以在較低溫度下運作。一般情況下，最高作業環境溫度僅出現在每年中少數幾天的幾個小時內，例如夏季最炎熱月份中的午後幾個小時。相關資訊可從多家政府機構網站得知。如加州死亡谷是美國與世界上最炎熱的地方之一，其年溫度資訊如圖1所示：
夏季至冬季的溫度變化達30℃，最炎熱月份的日間溫度變化大於15℃。該資料也顯示，雖然最炎熱時溫度超過47℃，但全年溫度超過43℃的時間不足5%。當使用Versal工業級元件能夠在5%使用壽命的情況下在高達110℃的環境運作，而部署在該環境下的應用，最高安全工作溫度可設計為比環境溫度低4.5℃。對於環境溫度變化更加劇烈的情況而言，允許的溫度偏差也可能達到10℃。
因應臨時設備故障 元件可於升溫時運作
工程師可能需要針對臨時性設備低效運作或散熱風扇故障進行設計，這種情況下局部環境溫度會上升，但不會持續很長時間。在此情況下，溫度偏差可以讓元件在環境溫度升高時持續運作，直到問題解決。部分標準已將此種情況納入考量，如針對電信所設計的Telecordia NEBs GR-63標準，表2便列出部分Telecordia規格，其中需要在比典型工作環境高10℃的溫度下進行有限制的運作。借助溫度偏差規格，散熱工程設計師可以將操作規範的限制納入考量，讓產品在40℃環境溫度或110℃接面溫度(Junction Temperature)下運作。無論設計是否必須遵守特定的操作規範，採用溫度偏差都能提供額外的運作幅度，以因應如風扇故障這種不可預期或鮮少發生的狀況。
短時間內執行高強度運算
在眾多應用中，處理需求與運算需求將隨著元件上的資訊流量大小、類型與對應狀況發生變化。大多數此類應用中峰值功率只出現在極短的時段內。因此，由峰值功耗引起的溫度升高相對稀少。對於需要在短期內執行高強度運算的設計，則可使用溫度偏差來簡化散熱設計。
表3所示各種應用分析場景下，運作功耗如何隨著不同的運算強度發生改變。此外，表3還根據運作功耗算出最大環境溫度下的最大接面溫度。
然而，與上述分析關聯性最高的為每種運作場景下的運算時長。根據研究，運算強度最高的情況不會在應用生命週期內長時間發生。利用這類資訊可以對熱參數進行相應調整，借助溫度偏差提供更簡便、更低成本的散熱設計。
綜合上述分析與結合其他因素可以進一步提供改善。如在汽車功耗分析中，發現最高溫度出現在暴雪天氣。然而，也可假設這種情況不會出現最高環境溫度。對此進行深入分析，甚至能發現更高的運作幅度。此外，在汽車運作的室外環境下，部分應用場景不會保持最高環境溫度(如夜間行駛或是冬季行駛)，綜合考慮功耗與外部作業條件後，可以發現元件接面溫度出現預計最大值的情況相對少見。
使用溫度偏差調整預估功耗
在確定最高工作溫度僅發生在元件偏差限值範圍內後，應根據此判斷進行功耗調整預估與散熱設計分析。
早期功耗預估應在未使用溫度偏差時進行，但有一種情況例外：最高工作溫度應調整至預期最高接面溫度。在完整使用溫度偏差時，最高接面溫度應為110℃。為此，使用者只需要在XPE中「接面溫度」欄位選擇圖4 在溫度偏差範圍內可執行有效功耗預估「使用者改寫(User Override)」，就可以指定調整後的最高接面溫度(圖2)。
總功耗將根據指定的接面溫度進行調整。若XPE中的總功耗欄位變成黃色是因為該數值不在正常工作範圍內。但只要最高接面溫度不超過溫度偏差的限值範圍，就能執行有效的功耗預估(圖3)。
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在特定溫度偏差下的功耗預估十分可靠，那麼「Total On-chip Power」值就能透過廠商如賽靈思(Xillinx)元件所提供的熱模型執行熱模擬。若熱模擬可確認接面溫度維持在最大預計偏差額定值下，並有足夠的散熱幅度，該散熱設計即已完成。
溫度偏差能夠在眾多設計中用於提高元件的作業溫度上限，達到簡化散熱設計的目的。透過簡單的設計分析即可判斷是否能執行溫度偏差，若可行，則可直接進行功耗調整與熱分析以確保元件的正常作業溫度。針對無法準確判斷是否能使用溫度偏差的設計，上述有利的功能也能為其提供額外的散熱幅度；而能夠完整使用溫度偏差的散熱設計便可獲得提高運作速度、降低成本與散熱設計難度等眾多優勢。
(本文由賽靈思提供)
