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(mén)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

1. 電流

2. 時(shí)間（或頻率）

3. 易失性FPGA

4. 非易失性FPGA

5. 易失性FPGA的上電浪涌電流

6. 系統(tǒng)供電電壓

7. 靜態(tài)

8. 與頻率相關(guān)的動(dòng)態(tài)電源

9. 易失性FGPA的配置電源

  在處理晶體管電流泄漏方面，F(xiàn)PGA廠商采取的另一個(gè)措施是建立兩級(jí)閾值電壓(VT) 單元。這種被稱為多VT(Multi-VT)的技術(shù)旨在盡可能少地采用大泄漏低VT器件，并盡可能多地采用低泄漏高VT器件，以便減少總體設(shè)計(jì)泄漏。過(guò)去，多VT 技術(shù)用于ASIC 和 ASSP產(chǎn)品，現(xiàn)在則開(kāi)始為FPGA供應(yīng)商所采用。

尺寸至關(guān)重要

  在IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域，鑒于成本和眾多其它原因，盡可能地減小芯片尺寸一直是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)；現(xiàn)在功耗又成為另一個(gè)目標(biāo)。芯片越小，靜態(tài)電源消耗越低。在滿足應(yīng)用的功能性及其它要求的前提下，選擇盡可能小的芯片便更易于達(dá)到功耗目標(biāo)。

    在選擇FPGA時(shí)，還有一個(gè)因素也十分重要，就是必須盡可能對(duì) RAM、PLL和I/O 技術(shù)等資源的使用進(jìn)行優(yōu)化。在FPGA架構(gòu)的選擇中，還應(yīng)該考慮到FPGA的所有低功耗模式，以及其它動(dòng)態(tài)資源(如PLL、RC 振蕩器和 I/O組)的節(jié)能能力。例如，假設(shè)較低的參考電壓可節(jié)省系統(tǒng)功率，則選擇同時(shí)支持1.2V LVCMOS 和/或 1.5V LVCMOS標(biāo)準(zhǔn)的I/O產(chǎn)品，就可以既節(jié)省功耗又在必要時(shí)獲得更高的I/O電壓。

時(shí)鐘

   FPGA的動(dòng)態(tài)電源主要消耗在邏輯資源和互連結(jié)構(gòu)等電容性元件的充放電活動(dòng)。某個(gè)資源元件i的動(dòng)態(tài)功耗可以利用下式建模：這里fi為開(kāi)關(guān)頻率， Ci為電容性負(fù)載，Vi為該資源的電壓擺幅。充分考慮動(dòng)態(tài)功率方程中的每一項(xiàng)，便可以降低功耗。例如，在時(shí)鐘域可以決定設(shè)計(jì)的哪些部分需要快速時(shí)鐘或較慢時(shí)鐘。開(kāi)關(guān)頻率fi是動(dòng)態(tài)功率方程的成分之一。由快速時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的邏輯相比由慢速時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的邏輯，開(kāi)關(guān)更頻繁。設(shè)計(jì)人員知道邏輯的哪些部分需要快速時(shí)鐘，而哪些部分又可以運(yùn)行在較慢速度之下，因此可以按照時(shí)鐘所控制的功能予以劃分，從而節(jié)省功率。

    一項(xiàng)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)功耗還隨布局布線而有很大變化。例如，如果兩個(gè)相連的功能性實(shí)體彼此靠得很近，兩者間的布線長(zhǎng)度可能縮短，因此會(huì)減小網(wǎng)絡(luò)的電容性負(fù)載，致使功率降低。如今的FPGA開(kāi)發(fā)軟件通常支持功率驅(qū)動(dòng)布線 (Power Driven Layout)，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能，并能夠降低25%或更多的總體動(dòng)態(tài)功耗(實(shí)際數(shù)字取決于設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘和網(wǎng)絡(luò)數(shù)目)。