FPGA設(shè)計中的功率計算技巧

隨著工藝技術(shù)的越來越前沿化， FPGA器件擁有更多的邏輯、存儲器和特殊功能，如存儲器接口、 DSP塊和多種高速SERDES信道，這些發(fā)展不斷地對系統(tǒng)功率要求提出挑戰(zhàn)。由此，設(shè)計師也許會想要拖一座冰山到電路板上，但這樣一來IT人員就會面臨一團亂麻的境地了。顯然冰山是一個不切實際的玩笑，以下是一種可行的方案：使用工具來精確計算功率要求。

功率計算的關(guān)鍵是兩方面:靜態(tài)和動態(tài)功率。 盡管FPGA廠商承諾將提供切實可用的低功耗器件，但由于工藝技術(shù)從130納米縮小到90納米、65納米或更加小的線條，晶體管固有的漏電加劇了，靜態(tài)功耗也增加了。此外，使用FPGA時極高的系統(tǒng)性能要求使得動態(tài)功耗上升，動態(tài)功耗是頻率和開關(guān)節(jié)點的函數(shù)。那設(shè)計者如何才能準確地確定器件的功耗，同時考慮與這個問題有關(guān)的所有重要因素，有效地作出必要的設(shè)計權(quán)衡，建立一個滿足所有性能要求的可靠系統(tǒng)呢？

功耗計算對于ＦＰＧＡ設(shè)計十分重要是基于兩點考慮：系統(tǒng)電源的大小和散熱。眾所周知，系統(tǒng)中的所有器件都需要一個良好、清潔、精確和可靠的電源，且能有效地運作。精確地計算功耗就能有的放矢地確定電源大小，電源過大將增加成本。散熱裝置對系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要。所有器件都已列出了其對器件結(jié)溫容忍度的界限。超過這些界限，將可能導致運行效率低下，或者更糟糕的是導致系統(tǒng)永久地損壞。當然，也可以采用一些技術(shù)來緩解散熱問題，如對系統(tǒng)增加散熱片或氣流，從而有效地降低運行溫度。那么，在系統(tǒng)建立之前，設(shè)計師怎樣才能夠準確地估計功耗和設(shè)備的熱耗？這相當于在談?wù)撘粋€先有雞還是先有蛋的問題！幸運的是，有一個專為這項任務(wù)而設(shè)計的功耗計算器。

準確評估功耗去建立一個熱模型的一些基本要素如下：

1 。器件的各種要素： FPGA（使用的和未使用的部分） 、封裝、工作頻率、活動因素和速度等級。
2 。環(huán)境因素：散熱片、氣流、電路板尺寸和環(huán)境溫度。
3 。可用性要素：設(shè)計過程中在任何時間的建模能力，導入實際的運行數(shù)據(jù)，方便地做“假設(shè)”的完整環(huán)境的評估。

由于功率計算器必須在整個設(shè)計過程中都是可用的，能始終在這個工具中對器件作出選擇很重要，同樣，用戶對不同的封裝、器件、密度、速度等級和溫度范圍進行選擇也是很重要的。熱特性還使用戶隨時了解他的設(shè)計是在一個明確、安全的運行環(huán)境中進行。

功率計算器還提供了非常明確的單獨工作區(qū)域，以按鈕的形式對器件的每個結(jié)構(gòu)、資源、可用的元件進行操作。針對可用性的要求，該工具會顯示每個電源的電流和功率，以及每個元件和所有元件的功耗總和。這樣給出了每個元件對整體功耗影響的完整了解，并允許用戶決定如何將設(shè)計進行最好的優(yōu)化，以減少總功耗。

表格的羅列展示是很有價值，圖形也相當有用。圖2展示了一組由功率計算器自動生成的圖形。圖表顯示了下列信息：

功率與電壓（或電壓―――典型和最壞的情況）
功率與環(huán)境溫度―――典型和最壞的情況
功率與頻率―――典型和最壞的情況
這些圖表為設(shè)計一個可靠系統(tǒng)提供了很有用的信息。

環(huán)境變量也必須是易于設(shè)置和修改的。圖3展示了高級的熱特性選擇屏幕，用戶可以輕松地為設(shè)計修改熱特性。由工具或自定模式提供的普通熱模型可用于計算，為任何設(shè)計環(huán)境提供靈活性和精確性也很重要。用戶還可以設(shè)置散熱片和氣流參數(shù)，以及有效的用于計算的Theta-JA。為了能夠?qū)崿F(xiàn)所期望的性能和可靠的結(jié)果，所有這些因素對正確 分析實際系統(tǒng) 環(huán)境、作出必要的設(shè)計選擇來說至關(guān) 重要。

有一個完整的系統(tǒng)級理解和精確的功率模型將能使設(shè)計師作出必要的決擇，從而完成設(shè)計。然后，設(shè)計者可以集中精力于降低功耗，其中包括以下幾個方面：

降低設(shè)備的工作電壓
優(yōu)化時鐘頻率
減少設(shè)計中長的布線
優(yōu)化編碼
優(yōu)化熱模型

依據(jù)設(shè)計中所用器件資源的全部數(shù)據(jù)、所有對建立熱模型至關(guān)重要的環(huán)境變量、以及在設(shè)計過程中自由地使用和修改各點參數(shù)，就可以可靠地實現(xiàn)FPGA設(shè)計，使其滿足系統(tǒng)性能指標。