聊一聊FPGA低功耗設(shè)計(jì)的那些事兒

　　以下是筆者一些關(guān)于FPGA功耗估計(jì)和如何進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)的知識(shí)：

　　1. 功耗分析

　　整個(gè)FPGA設(shè)計(jì)的總功耗由三部分功耗組成：1. 芯片靜態(tài)功耗；2. 設(shè)計(jì)靜態(tài)功耗；3. 設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)功耗。

　　芯片靜態(tài)功耗：FPGA在上電后還未配置時(shí)，主要由晶體管的泄露電流所消耗的功耗

　　設(shè)計(jì)靜態(tài)功耗：當(dāng)FPGA配置完成后，當(dāng)設(shè)計(jì)還未啟動(dòng)時(shí)，需要維持I/O的靜態(tài)電流，時(shí)鐘管理和其它部分電路的靜態(tài)功耗

　　設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)功耗：FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)正常啟動(dòng)后，設(shè)計(jì)的功耗；這部分功耗的多少主要取決于芯片所用電平，以及FPGA內(nèi)部邏輯和布線資源的占用

　　顯而易見(jiàn)，前兩部分的功耗取決于FPGA芯片及硬件設(shè)計(jì)本身，很難有較大的改善?？梢詢?yōu)化是第3部分功耗：設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)功耗，而且這部分功耗占總功耗的90%左右，因此所以降低設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)功耗是降低整個(gè)系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵因素。上面也提到過(guò)功耗較大會(huì)使FPGA發(fā)熱量升高，那有沒(méi)有一個(gè)定量的分析呢？答案當(dāng)然是有，如下式：

　　Tjmax > θJA * PD + TA

　　其中Tjmax表示FPGA芯片的最高結(jié)溫（maximum junction temperature）；θJA表示FPGA與周圍大氣環(huán)境的結(jié)區(qū)熱阻抗（Junction to ambient thermal resistance），單位是°C/W；PD表示FPGA總功耗（power dissipation），單位是W；TA表示周圍環(huán)境溫度。

　　以XC7K410T-2FFG900I系列芯片為例，θJA = 8.2°C/W，在TA = 55°C的環(huán)境中，想要結(jié)溫Tjmax不超過(guò)100°C的情況下，可以推算FPGA的總功耗：PD （Tjmax – TA）/θJA=（100 - 55）/8.2=5.488W，之前估算的20W與之相差太遠(yuǎn)，因此優(yōu)化是必不可少的：

　　1） 降低θJA：熱阻抗取決于芯片與環(huán)境的熱傳導(dǎo)效率，可通過(guò)加散熱片或者風(fēng)扇減小熱阻抗

　　圖1

　　2） 減小PD：通過(guò)優(yōu)化FPGA設(shè)計(jì)，降低總功耗，這也是本文重點(diǎn)講解的部分。

　　2. 功耗估計(jì)

　　在講解低功耗設(shè)計(jì)之前，介紹一下xilinx的功耗估計(jì)工具XPE（Xilinx Power Estimator），XPE主要是在項(xiàng)目初期，處于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，RTL代碼并未完善階段功耗估計(jì)時(shí)使用，它是一個(gè)基于EXCEL的工具，如圖2所示，功能做的十分豐富。

　　圖2

　　在設(shè)計(jì)完成綜合實(shí)現(xiàn)后，則可以使用vivado自帶的功耗分析工具進(jìn)行精確計(jì)算功耗。打開(kāi)綜合實(shí)現(xiàn)后的設(shè)計(jì)，點(diǎn)擊report power即可得到功耗分析的結(jié)果，如圖3，4所示。

　　圖3

　　圖4

　　3. 低功耗設(shè)計(jì)

　　關(guān)于FPGA低功耗設(shè)計(jì)，可從兩方面著手：1） 算法優(yōu)化；2） FPGA資源使用效率優(yōu)化。

　　1） 算法優(yōu)化

　　算法優(yōu)化可分為兩個(gè)層次說(shuō)明：實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法

　　首先肯定需要設(shè)計(jì)一種最優(yōu)化的算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，使資源占用達(dá)到最少，當(dāng)然功耗也能降到最低，但是還需要保證性能，是FPGA設(shè)計(jì)在面積和速度上都能兼顧。比如在選擇采用流水線結(jié)構(gòu)還是狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，流水線結(jié)構(gòu)同一時(shí)間所有的狀態(tài)都在持續(xù)工作，而狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)只有一個(gè)狀態(tài)是使能的，顯而易見(jiàn)流水線結(jié)構(gòu)的功耗更多，但其數(shù)據(jù)吞吐率和系統(tǒng)性能更優(yōu)，因此需要合理選其一，使系統(tǒng)能在面積和速度之間得到平衡；

　　另一個(gè)層面是具體的實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)中所有吸收功耗的信號(hào)當(dāng)中，時(shí)鐘是罪魁禍?zhǔn)?。雖然時(shí)鐘可能運(yùn)行在 100 MHz，但從該時(shí)鐘派生出的信號(hào)卻通常運(yùn)行在主時(shí)鐘頻率的較小分量（通常為 12%～15%）。此外，時(shí)鐘的扇出一般也比較高。這兩個(gè)因素顯示，為了降低功耗，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真研究時(shí)鐘。 首先，如果設(shè)計(jì)的某個(gè)部分可以處于非活動(dòng)狀態(tài)，則可以考慮禁止時(shí)鐘樹(shù)翻轉(zhuǎn)，而不是使用時(shí)鐘使能。時(shí)鐘使能將阻止寄存器不必要的翻轉(zhuǎn)，但時(shí)鐘樹(shù)仍然會(huì)翻轉(zhuǎn)，消耗功率。其次，隔離時(shí)鐘以使用最少數(shù)量的信號(hào)區(qū)。不使用的時(shí)鐘樹(shù)信號(hào)區(qū)不會(huì)翻轉(zhuǎn)，從而減輕該時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。

　　2） 資源使用效率優(yōu)化

　　資源使用效率優(yōu)化是介紹一些在使用FPGA內(nèi)部的一些資源如BRAM，DSP48E1時(shí)，可以優(yōu)化功耗的方法。FPGA動(dòng)態(tài)功耗主要體現(xiàn)為存儲(chǔ)器、內(nèi)部邏輯、時(shí)鐘、I/O消耗的功耗。

　　其中存儲(chǔ)器是功耗大戶，如xilinx FPGA中的存儲(chǔ)器單元Block RAM，因此在這邊主要介紹對(duì)BRAM的一些功耗優(yōu)化方法。

　　如圖5中實(shí)例，雖然BRAM只使用了7%，但是其功耗0.601W占了總設(shè)計(jì)的42%，因此優(yōu)化BRAM的功耗能有效地減小FPGA的動(dòng)態(tài)功耗。

　　圖5

　　下面介紹一下優(yōu)化BRAM功耗的方法：

　　a） 使用“NO CHANGE”模式：在BRAM配置成True Dual Port時(shí)，需要選擇端口的操作模式：“Write First”，“Read First” or “NO CHANGE”，避免讀操作和寫(xiě)操作產(chǎn)生沖突，如圖6所示；其中“NO CHANGE”表示BRAM不添加額外的邏輯防止讀寫(xiě)沖突，因此能減少功耗，但是設(shè)計(jì)者需要保證程序運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生讀寫(xiě)沖突。

　　圖6

　　圖5中的功耗是設(shè)置成“Write First”時(shí)的，圖7中是設(shè)置成“NO CHANGE”后的功耗，BRAM的功耗從0.614W降到了0.599W，因?yàn)橹皇褂昧?%的BRAM，如果設(shè)計(jì)中使用了大量的BRAM，效果能更加明顯。

　　圖7

　　b） 控制“EN”信號(hào)：BRAM的端口中有clock enable信號(hào)，如圖8所示，在端口設(shè)置中可以將其使能，模塊例化時(shí)將其與讀/寫(xiě)信號(hào)連接在一起，如此優(yōu)化可以使BRAM在沒(méi)有讀/寫(xiě)操作時(shí)停止工作，節(jié)省不必要的功耗。

　　圖8

　　如圖9所示為控制“EN”信號(hào)優(yōu)化后的功耗情況，BRAM功耗降到了0.589W

　　圖9

　　c） 拼深度：當(dāng)設(shè)計(jì)中使用了大量的存儲(chǔ)器時(shí)，需要多塊BRAM拼接而成，如需要深度32K，寬度32-bit，32K*32Bit的存儲(chǔ)量，但是單塊BRAM如何配置是個(gè)問(wèn)題？7 series FPGA中是36Kb 的BRAM，其中一般使用32Kb容量，因此可以配置成32K*1-bit或者1K*32-bit，多塊BRAM拼接時(shí)，前者是“拼寬度”（見(jiàn)圖10），后者是“拼深度”（見(jiàn)圖11）。兩種結(jié)構(gòu)在工作時(shí)，“拼寬度”結(jié)構(gòu)所有的BRAM需要同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作；而“拼深度”結(jié)構(gòu)只需要其中一塊BRAM進(jìn)行讀寫(xiě)，因此在需要低功耗的情況下采用“拼深度”結(jié)構(gòu)，

　　注：“拼深度”結(jié)構(gòu)需要額外的數(shù)據(jù)選擇邏輯，增加了邏輯層數(shù)，為了降低功耗即犧牲了面積又犧牲了性能。

　　圖10

　　圖11