細(xì)細(xì)講解FPGA功耗，降低功耗有何好處?

功耗，這是電子設(shè)計人員必須考慮的問題。在考慮功耗的時候，主要在于考慮如何去降低系統(tǒng)或者器件的功耗。為增進(jìn)大家對功耗的認(rèn)識，本文將對FPGA的功耗組成，以及降低功耗帶來的好處。如果你對功耗具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、FPGA功耗

FPGA 器件屬于專用集成電路中的一種半定制電路，是可編程的邏輯列陣，能夠有效的解決原有的器件門電路數(shù)較少的問題。FPGA 的基本結(jié)構(gòu)包括可編程輸入輸出單元，可配置邏輯塊，數(shù)字時鐘管理模塊，嵌入式塊RAM，布線資源，內(nèi)嵌專用硬核，底層內(nèi)嵌功能單元。由于FPGA具有布線資源豐富，可重復(fù)編程和集成度高，投資較低的特點，在數(shù)字電路設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。FPGA的設(shè)計流程包括算法設(shè)計、代碼仿真以及設(shè)計、板機(jī)調(diào)試，設(shè)計者以及實際需求建立算法架構(gòu)，利用EDA建立設(shè)計方案或HD編寫設(shè)計代碼，通過代碼仿真保證設(shè)計方案符合實際要求，最后進(jìn)行板級調(diào)試，利用配置電路將相關(guān)文件下載至FPGA芯片中，驗證實際運行效果。

FPGA的功耗一般由兩部分組成：靜態(tài)功耗和動態(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)點電容和工作頻率。

其中，靜態(tài)功耗主要是由漏電流引起。漏電流是芯片上電時，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。

源極到漏極的泄漏電流是泄漏的主要原因。MOS管在關(guān)斷的時候，溝道阻抗非常大，但是只要芯片供電就必然會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。

動態(tài)功耗是指邏輯門開關(guān)活動時的功率消耗，在這段時間內(nèi)，電路的輸入輸出電容完成充電和放電，形成瞬間的軌到地的直通通路。與靜態(tài)功耗相比，通常有許多方法可降低動態(tài)功耗。

采用正確的結(jié)構(gòu)對于設(shè)計是非常重要的，最新的FPGA是90nm的1.2 V器件，與先前產(chǎn)品相比可降低靜態(tài)和動態(tài)功耗，且FPGA制造商采用不同的設(shè)計技術(shù)進(jìn)一步降低了功耗，平衡了成本和性能。這些90nm器件都改變了門和擴(kuò)散長度，優(yōu)化了所需晶體管的開關(guān)速率，采用低K值電介質(zhì)工藝，不僅提高了性能還降低了寄生電容。結(jié)構(gòu)的改變，如增強(qiáng)的邏輯單元內(nèi)部互連，可實現(xiàn)更強(qiáng)大的功能，而無需更多的功耗。StraTIx II更大的改變是采用了六輸入查找表(LUT)架構(gòu)，能夠通過更有效的資源利用，實現(xiàn)更快速、低功耗的設(shè)計。

除常規(guī)的可重配置邏輯外，F(xiàn)PGA正不斷集成更多的專用電路。最先進(jìn)的PLD就集成了專門的乘法器、DSP模塊、可變?nèi)萘縍AM模塊以及閃存等，這些專用電路為FPGA提供了更加高效的功能?？傮w上看，采用這些模塊節(jié)約了常規(guī)邏輯資源并增加了系統(tǒng)執(zhí)行的速度，同時可以減少系統(tǒng)功耗。因此更高的邏輯效率也意味著能夠?qū)崿F(xiàn)更小的器件設(shè)計，并進(jìn)一步降低靜態(tài)功耗和系統(tǒng)成本。

二、降低功耗帶來的好處

① 低功耗的器件可以實現(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。

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。

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。

所以對于FPGA而言，降低功耗的根本在于直接提高了整個系統(tǒng)的性能和質(zhì)量，并減小了體積，降低了成本，對產(chǎn)品有著非常大的促進(jìn)作用。

以上便是此次小編帶來的“功耗“相關(guān)內(nèi)容，通過本文，希望大家對FPGA功耗以及降低功耗帶來的好處具備一定的了解。如果你喜歡本文，不妨持續(xù)關(guān)注我們網(wǎng)站哦，小編將于后期帶來更多精彩內(nèi)容。最后，十分感謝大家的閱讀，have a nice day!