解析FPGA低功耗設(shè)計

　　在項目設(shè)計初期，基于硬件電源模塊的設(shè)計考慮，對FPGA設(shè)計中的功耗估計是必不可少的。筆者經(jīng)歷過一個項目，整個系統(tǒng)的功耗達到了100w,而單片FPGA的功耗估計得到為20w左右，有點過高了，功耗過高則會造成發(fā)熱量增大，溫度高最常見的問題就是系統(tǒng)重啟，另外對FPGA內(nèi)部的時序也不利，導(dǎo)致可靠性下降。其它硬件電路的功耗是固定的，只有FPGA的功耗有優(yōu)化的余地，因此硬件團隊則極力要求筆者所在的FPGA團隊盡量多做些低功耗設(shè)計。筆者項目經(jīng)歷尚淺，還是第一次正視功耗這碼事兒，由于項目時間比較緊，而且xilinx方面也比較重視這個項目，因此當時有Xilinx的工程師過來對我們做了些培訓(xùn)，并且專門請了美國總部的專家過來與我們協(xié)同進行設(shè)計功耗估計，還是比較給力的。

　　以下是筆者在這比較短的時間內(nèi)學(xué)習(xí)到的一些關(guān)于功耗估計和如何進行低功耗設(shè)計的知識。

　　1.功耗分析

　　整個FPGA設(shè)計的總功耗由三部分功耗組成：1. 芯片靜態(tài)功耗;2. 設(shè)計靜態(tài)功耗;3. 設(shè)計動態(tài)功耗。

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

　　● 設(shè)計靜態(tài)功耗：當FPGA配置完成后，當設(shè)計還未啟動時，需要維持I/O的靜態(tài)電流，時鐘管理和其它部分電路的靜態(tài)功耗。

　　● 設(shè)計動態(tài)功耗：FPGA內(nèi)設(shè)計正常啟動后，設(shè)計的功耗;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，前兩部分的功耗取決于FPGA芯片及硬件設(shè)計本身，很難有較大的改善。可以優(yōu)化是第3部分功耗：設(shè)計動態(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)計動態(tài)功耗是降低整個系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵因素。上面也提到過功耗較大會使FPGA發(fā)熱量升高，那有沒有一個定量的分析呢?答案當然是有，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，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，可通過加散熱片或者風(fēng)扇減小熱阻抗

　　圖1

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

　　2.功耗估計

　　在講解低功耗設(shè)計之前，介紹一下xilinx的功耗估計工具XPE(Xilinx Power Estimator)，XPE主要是在項目初期，處于系統(tǒng)設(shè)計，RTL代碼并未完善階段功耗估計時使用。大家可以在xilinx官網(wǎng)上下載到：http://www.xilinx.com/power,它是一個基于EXCEL的工具，如圖2所示，功能做的十分豐富，感嘆EXCEL也未免太強大了吧。

　　圖2

　　在設(shè)計完成綜合實現(xiàn)后，則可以使用vivado自帶的功耗分析工具進行精確計算功耗。打開綜合實現(xiàn)后的設(shè)計，點擊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

　　關(guān)于FPGA低功耗設(shè)計，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)化可分為兩個層次說明：實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法

　　首先肯定需要設(shè)計一種最優(yōu)化的算法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，設(shè)計一種最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，使資源占用達到最少，當然功耗也能降到最低，但是還需要保證性能，是FPGA設(shè)計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)機結(jié)構(gòu)時，流水線結(jié)構(gòu)同一時間所有的狀態(tài)都在持續(xù)工作，而狀態(tài)機結(jié)構(gòu)只有一個狀態(tài)是使能的，顯而易見流水線結(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;

　　另一個層面是具體的實現(xiàn)方法，設(shè)計中所有吸收功耗的信號當中，時鐘是罪魁禍首。雖然時鐘可能運行在 100 MHz,但從該時鐘派生出的信號卻通常運行在主時鐘頻率的較小分量(通常為 12%~15%)。此外，時鐘的扇出一般也比較高。這兩個因素顯示，為了降低功耗，應(yīng)當認真研究時鐘。 首先，如果設(shè)計的某個部分可以處于非活動狀態(tài)，則可以考慮禁止時鐘樹翻轉(zhuǎn)，而不是使用時鐘使能。時鐘使能將阻止寄存器不必要的翻轉(zhuǎn)，但時鐘樹仍然會翻轉(zhuǎn)，消耗功率。其次，隔離時鐘以使用最少數(shù)量的信號區(qū)。不使用的時鐘樹信號區(qū)不會翻轉(zhuǎn)，從而減輕該時鐘網(wǎng)絡(luò)的負載。

　　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，可以優(yōu)化功耗的方法。FPGA動態(tài)功耗主要體現(xiàn)為存儲器、內(nèi)部邏輯、時鐘、I/O消耗的功耗。

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

　　如圖5中實例，雖然BRAM只使用了7%,但是其功耗0.601W占了總設(shè)計的42%,因此優(yōu)化BRAM的功耗能有效地減小FPGA的動態(tài)功耗。

　　圖5