優(yōu)化FPGA功耗的設(shè)計(jì)技術(shù)

無(wú)論從微觀到宏觀、從延長(zhǎng)電池壽命到減少全球變暖的溫室效應(yīng)等等，各種不同因素都在迅速推動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員關(guān)注節(jié)能問(wèn)題。一項(xiàng)有關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮事項(xiàng)的最新調(diào)查指出，大部分工程師已把功耗排在首位，或者是將其緊跟在性能、密度和成本之后。

在功耗方面，FPGA帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只要能夠透徹充分的了解這些挑戰(zhàn)，以及應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)所需的新技術(shù)、新方法和新工具，就能夠發(fā)揮基于FPGA的便攜式系統(tǒng)的部署優(yōu)勢(shì)。隨著業(yè)界越來(lái)越多地采用FPGA，為更廣泛的應(yīng)用產(chǎn)品提供靈活性并加快其上市速度，這點(diǎn)便顯得愈加重要。

評(píng)估某個(gè)FPGA架構(gòu)是否適用于現(xiàn)今的功率敏感應(yīng)用，必須深入研究功率方程。要做到這一點(diǎn)，我們可以在投入可行設(shè)計(jì)解決方案(劃分、時(shí)鐘和功率門控、電壓分軌等等)前， 對(duì)FPGA的功率特性及其影響進(jìn)行分析，并使用優(yōu)化工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)

根據(jù)所選FPGA技術(shù)類型的不同，電源可以看成是由靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、上電(或浪涌)、配置以及不同低功耗模式等成分組成。

靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電源是所有IC設(shè)計(jì)人員都熟知的問(wèn)題。靜態(tài)電源源于以下幾種形式的泄漏電流：亞閾值泄漏、結(jié)泄漏、柵致漏極泄漏(GIDL)和柵極泄漏。動(dòng)態(tài)電源則指器件工作期間的電源，與所用功能性資源(邏輯區(qū)塊、時(shí)鐘樹(shù)、嵌入式RAM、PLL等) 、I/O上的負(fù)載和阻抗終端、時(shí)鐘頻率、數(shù)據(jù)模式以及到達(dá)動(dòng)態(tài)特性、信號(hào)活動(dòng)或觸發(fā)率，以及信號(hào)靜態(tài)概率等因素有關(guān)。

在設(shè)計(jì)易失性SRAM FPGA解決方案時(shí)，除靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電源之外，設(shè)計(jì)人員還必須考慮到其它三種電源成分。在系統(tǒng)與器件功能性上電期間，浪涌電源和配置電源可能會(huì)意義重大，就如同睡眠(靜態(tài))模式下所需的電源一般。除此之外，由于SRAM FPGA是易失性的，它們必須通過(guò)一個(gè)外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(通常保存在PROM中)來(lái)啟動(dòng)，這增加了系統(tǒng)的額外功耗和啟動(dòng)延時(shí)。

雖然SRAM FPGA供應(yīng)商不斷努力降低產(chǎn)品功耗，但市面上的這些器件仍然耗能過(guò)高，從而極大增加了總體的系統(tǒng)功耗，尤其是將幾個(gè)FPGA安裝于單個(gè)電路板上，或者是不同電路板的FPGA共用一個(gè)電源時(shí)。對(duì)于需要頻繁開(kāi)/關(guān)的系統(tǒng)，這種影響則更大，所以估算電池壽命時(shí)必須將之考慮在內(nèi)。因此，在為基于SRAM的可編程器件確定電源大小或選擇電池時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員務(wù)必要考慮到配置和浪涌電源。另一方面，真正的FLASH FPGA是非易失性的，不會(huì)產(chǎn)生浪涌或配置電流，而且總體靜態(tài)功耗較低，這樣一來(lái)，設(shè)計(jì)任務(wù)就比較簡(jiǎn)單，功耗亦大大減小(圖1)。

圖1：易失性SRAM FPGA與非易失性真正 FLASH FPGA的電流曲線比較