FPGA的低功耗設(shè)計(jì)

　芯片對(duì)功耗的苛刻要求源于產(chǎn)品對(duì)功耗的要求。集成電路的迅速發(fā)展以及人們對(duì)消費(fèi)類電子產(chǎn)品——特別是便攜式（移動(dòng)）電子產(chǎn)品——的需求日新月異，使得設(shè)計(jì)者對(duì)電池供電的系統(tǒng)已不能只考慮優(yōu)化速度和面積，而必須注意越來越重要的第三個(gè)方面——功耗，這樣才能延長電池的壽命和電子產(chǎn)品的運(yùn)行時(shí)間。很多設(shè)計(jì)抉擇可以影響系統(tǒng)的功耗，包括從器件選擇到基于使用頻率的狀態(tài)機(jī)值的選擇等。

1 FPGA功耗的基本概念

（1） 功耗的組成

　　功耗一般由兩部分組成：靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。靜態(tài)功耗主要是晶體管的漏電流引起，由源極到漏極的漏電流以及柵極到襯底的漏電流組成；動(dòng)態(tài)功耗主要由電容充放電引起，其主要的影響參數(shù)是電壓、節(jié)點(diǎn)電容和工作頻率，可以用式（1）表示[1]。

（2） 靜態(tài)功耗

　　靜態(tài)功耗主要是由漏電流引起。漏電流是芯片上電時(shí)，無論處于工作狀態(tài)還是處于靜止?fàn)顟B(tài)，都一直存在的電流，來源于晶體管的三個(gè)極，如圖1所示。它分為兩部分，一部分來自源極到漏極的泄漏電流ISD，另一部分來自柵極到襯底的泄漏電流IG。漏電流與晶體管的溝道長度和柵氧化物的厚度成反比[2]。

圖1 靜態(tài)功耗的組成

　　源極到漏極的泄漏電流是泄漏的主要原因。MOS管在關(guān)斷的時(shí)候，溝道阻抗非常大，但是只要芯片供電就必然會(huì)存在從源極到漏極的泄漏電流。隨著半導(dǎo)體工藝更加先進(jìn)，晶體管尺寸不斷減小，溝道長度也逐漸減小，使得溝道阻抗變小，從而泄漏電流變得越來越大，而且源極到漏極的漏電流隨溫度增加呈指數(shù)增長。

（3） 動(dòng)態(tài)功耗

　　動(dòng)態(tài)功耗主要由電容充放電引起，它與3個(gè)參數(shù)有關(guān)：節(jié)點(diǎn)電容、工作頻率和內(nèi)核電壓，它們與功耗成正比例關(guān)系。如式（1）所示，節(jié)點(diǎn)電容越大，工作頻率越高，內(nèi)核電壓越大，其動(dòng)態(tài)功耗也就越高。而在 FPGA中動(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。在一般的設(shè)計(jì)中，動(dòng)態(tài)功耗占據(jù)了整個(gè)系統(tǒng)功耗的90%以上，所以降低動(dòng)態(tài)功耗是降低整個(gè)系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵因素。

（4） 降低功耗帶來的好處

① 低功耗的器件可以實(shí)現(xiàn)更低成本的電源供電系統(tǒng)。另外，更簡單的電源系統(tǒng)意味著更少的元件和更小的PCB面積，同樣可以降低成本[3]。
② 更低的功耗引起的結(jié)溫更小，因此可以防止熱失控，可以少用或不用散熱器，如散熱風(fēng)扇、散熱片等。
③ 降低功耗可以降低結(jié)溫，而結(jié)溫的降低可以提高系統(tǒng)的可靠性。另外，較小的風(fēng)扇或不使用風(fēng)扇可以降低EMI[3]。
④ 延長器件的使用壽命。器件的工作溫度每降低10 ℃，使用壽命延長1倍。
所以對(duì)于FPGA而言，降低功耗的根本在于直接提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能和質(zhì)量，并減小了體積，降低了成本，對(duì)產(chǎn)品有著非常大的促進(jìn)作用。

（5） 如何降低FPGA功耗

　　FPGA主要的功耗是由靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗組成，降低FPGA的功耗就是降低靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。

　靜態(tài)功耗除了與工藝有關(guān)外，與溫度也有很大的關(guān)系。一方面需要半導(dǎo)體公司采用先進(jìn)的低功耗工藝來設(shè)計(jì)芯片，降低泄漏電流（即選擇低功耗的器件）；另一方面可以通過降低溫度、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)來降低靜態(tài)功耗。

　　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。

① 選擇適當(dāng)?shù)?I/O標(biāo)準(zhǔn)可以節(jié)省功耗。I/O功耗主要來自器件輸出引腳連接的外部負(fù)載電容、阻抗模式輸出驅(qū)動(dòng)電路以及外部匹配網(wǎng)絡(luò)的充放電電流。可選擇較低的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度或較低的電壓標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)系統(tǒng)速度要求使用高功率 I/O標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可設(shè)置缺省狀態(tài)以降低功耗。有的I/O標(biāo)準(zhǔn)需要使用上拉電阻才能正常工作，因此如果該 I/O的缺省狀態(tài)為高電平而不是低電平，就可以節(jié)省通過該終結(jié)電阻的直流功耗。
② 當(dāng)總線上的數(shù)據(jù)與寄存器相關(guān)時(shí)，經(jīng)常使用片選或時(shí)鐘使能邏輯來控制寄存器的使能，盡早對(duì)該邏輯進(jìn)行“數(shù)據(jù)使能”，以阻止數(shù)據(jù)總線與時(shí)鐘使能寄存器組合邏輯之間不必要的轉(zhuǎn)換。另一種選擇是在電路板上，而不是芯片上，進(jìn)行這種“數(shù)據(jù)使能”，以盡可能減小處理器時(shí)鐘周期。也就是使用 CPLD從處理器卸載簡單任務(wù)，以便使其更長時(shí)間地處于待機(jī)模式[4]。
③ 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)鐘樹仍然會(huì)翻轉(zhuǎn)，消耗功率[4]。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。合理的布局可以在不影響實(shí)際設(shè)計(jì)的情況下達(dá)到此目標(biāo)。
④ 根據(jù)預(yù)測的下一狀態(tài)條件列舉狀態(tài)機(jī)，并選擇常態(tài)之間轉(zhuǎn)換位較少的狀態(tài)值，這樣就能盡可能減少狀態(tài)機(jī)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換量（頻率）。確定常態(tài)轉(zhuǎn)換和選擇適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)值，是降低功耗且對(duì)設(shè)計(jì)影響較小的一種簡單方法。編碼形式越簡單（如1位有效編碼或格雷碼），使用的解碼邏輯也會(huì)越少[5]。
⑤ 要計(jì)算覆蓋整個(gè)產(chǎn)品生命周期或預(yù)期電池工作時(shí)間內(nèi)所有狀態(tài)下的功耗,要考慮上電、待機(jī)、空閑、動(dòng)態(tài)和斷電等多種狀態(tài)，要計(jì)算最壞情況下的靜態(tài)功耗。

　　在所有降低功耗的措施中，選擇合適的低功耗器件起決定性的作用，帶來的效果是立竿見影的，而且無需花費(fèi)大量的時(shí)間、精力和成本采取額外的措施。所以，選擇一款低功耗的FPGA器件有助于提高產(chǎn)品性能，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品的可靠性。下面介紹Actel公司的低功耗FPGA—— IGLOO。

2 低功耗FPGA——IGLOO

　　Actel公司的IGLOO源于ProASIC3系列，保持了ProASIC3原有的所有特性：單芯片、高安全性、高可靠性、高性能、低功耗、低成本等，并對(duì)低功耗的特性作了加強(qiáng)。IGLOO器件采用 Flash*Freeze技術(shù)，能夠輕易地進(jìn)入和退出超低功耗模式，該模式下的功耗僅 5 μW，同時(shí)可保存 SRAM和寄存器中的數(shù)據(jù)。Flash*Freeze技術(shù)通過 I/O和時(shí)鐘管理簡化了功率管理，并無需關(guān)斷電壓、I/O或系統(tǒng)層面的時(shí)鐘，進(jìn)入和退出 Flash*Freeze模式所需的時(shí)間少于1 μs。 Actel IGLOO系列以 Flash可重編程技術(shù)為基礎(chǔ)，支持安全的系統(tǒng)內(nèi)可編程功能，因此能在制造的最終階段或應(yīng)用現(xiàn)場快速且容易地進(jìn)行升級(jí)或設(shè)計(jì)更新[6]。

　　IGLOO能夠做到如此低的功耗，主要是由以下幾個(gè)原因決定。

（1） 獨(dú)特的Flash開關(guān)

　　IGLOO采用了低功耗的Flash開關(guān)，如圖2所示。 Flash開關(guān)只需要2個(gè)晶體管，而SRAM的開關(guān)至少需要4個(gè)以上的晶體管。更少的晶體管具有更小的容性負(fù)載、更小的漏電流，從而具有更低的功耗。另外，F(xiàn)lash技術(shù)的開關(guān)具有非易失性的特點(diǎn)，使得IGLOO無需配置芯片，從而較SRAM的FPGA少了上電的啟動(dòng)電流和配置電流。一般SRAM的 FPGA啟動(dòng)電流都需要幾百mA甚至幾A，配置電流也需要幾十mA，不適合用于電池供電的系統(tǒng)[6]。

圖2 Flash開關(guān)和SRAM開關(guān)的對(duì)比

（2） 更低的內(nèi)核電壓

　　IGLOO的內(nèi)核可以支持1.2 V或1.5 V供電，1.2 V的內(nèi)核電壓比1.5 V的內(nèi)核電壓可以節(jié)省36%的動(dòng)態(tài)功耗?？捎墒剑?）推導(dǎo)出來，動(dòng)態(tài)功耗與內(nèi)核電壓的平方成正比，所以1.2 V的IGLOO系統(tǒng)比1.5 V內(nèi)核電壓的系統(tǒng)可以節(jié)省更多的功耗。

（3） 低功耗的Flash*Freeze模式

　　IGLOO具有一種獨(dú)特的Flash*Freeze模式。在這種模式下可以讓FPGA進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在這種模式下最低的功耗可達(dá) 2 μW（IGLOO的Nano系列），并且能夠保存RAM和寄存器的狀態(tài)。進(jìn)入和退出這種模式只需要通過FPGA的Flash*Freeze引腳控制即可，進(jìn)入和退出只需要1 μs，非常方便。

（4） 具有低功耗布局布線工具

　　Actel提供免費(fèi)的開發(fā)環(huán)境——Libero，并充分考慮了低功耗的設(shè)計(jì)，在軟件中增加了功耗驅(qū)動(dòng)的布局布線。在該方式的驅(qū)動(dòng)下，軟件自動(dòng)以最低功耗的方式來布局并走線，類似于PCB繪制時(shí)的布局與走線。其中影響最大的是時(shí)鐘的走線，因?yàn)樵诖蟛糠值脑O(shè)計(jì)中時(shí)鐘對(duì)功耗起了關(guān)鍵性的影響。經(jīng)過功耗驅(qū)動(dòng)的布局布線以后，時(shí)鐘走線變得更有規(guī)則，連線也盡量短，從而大大降低了功耗，通過該方式最多可以節(jié)省30%的功耗。

　　另外，在Libero軟件內(nèi)部集成的Modelsim仿真軟件中，提供了功率估算工具。它用于分析實(shí)際器件利用率，并結(jié)合實(shí)際的適配后仿真數(shù)據(jù)，給出實(shí)際功耗數(shù)據(jù)，可以在完全不接觸芯片的情況下分析設(shè)計(jì)改變對(duì)總功耗的影響。

3 小結(jié)

　　通過上面的分析,了解了FPGA功率損耗的相關(guān)原理和影響功耗的相關(guān)因素。設(shè)計(jì)者通過優(yōu)化自己的設(shè)計(jì)和注意某些具體情況,可以在FPGA設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)低功耗。通過一款具體的FPGA產(chǎn)品了解其低功耗的解決方式，為設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。FPGA均可在相應(yīng)的操作環(huán)境下進(jìn)行仿真，從而了解功耗的具體使用情況，針對(duì)相應(yīng)的情況進(jìn)行修改。另外，還可采用優(yōu)化的算法來減少多余和無意義的開關(guān)活動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)低功耗的解決方案。