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1 引言 芯片對功耗的苛刻要求源于產品對功耗的要求。集成電路的迅速發展以及人們對消費類電子產品——特別是便攜式（移動）電子產品——的需求日新月異，使得設計者對電池供電的系統已不能只考慮優化速度和面積，而必須注意越來越重要的第三個方面——功耗，這樣才能延長電池的壽命和電子產品的運行時間。很多設計抉擇可以影響系統的功耗，包括從器件選擇到基于使用頻率的狀態機值的選擇等。 2 FPGA功耗的基本概念 （1） 功耗的組成 功耗一般由兩部分組成：靜態功耗和動態功耗。靜態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；動態功耗主要由電容充放電引起，其主要的影響參數是電壓、節點電容和工作頻率，可以用式（1）表示。 （2） 靜態功耗 靜態功耗主要是由漏電流引起。漏電流是芯片上電時，無論處于工作狀態還是處于靜止狀態，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。 圖1 靜態功耗的組成 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。隨著半導體工藝更加先進，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增長。 （3） 動態功耗 動態功耗主要由電容充放電引起，它與3個參數有關：節點電容、工作頻率和內核電壓，它們與功耗成正比例關系。如式（1）所示，節點電容越大，工作頻率越高，內核電壓越大，其動態功耗也就越高。而在FPGA中動態功耗主要體現為存儲器、內部邏輯、時鐘、I/O消耗的功耗。在一般的設計中，動態功耗占據了整個系統功耗的90%以上，所以降低動態功耗是降低整個系統功耗的關鍵因素。 （4） 降低功耗帶來的好處 ① 低功耗的器件可以實現更低成本的電源供電系統。另外，更簡單的電源系統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，如散熱風扇、散熱片等。 ③ 降低功耗可以降低結溫，而結溫的降低可以提高系統的可靠性。另外，較小的風扇或不使用風扇可以降低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的性能和質量，并減小了體積，降低了成本，對產品有著非常大的促進作用。 （5） 如何降低FPGA功耗 FPGA主要的功耗是由靜態功耗和動態功耗組成，降低FPGA的功耗就是降低靜態功耗和動態功耗。 靜態功耗除了與工藝有關外，與溫度也有很大的關系。一方面需要半導體公司采用先進的低功耗工藝來設計芯片，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、結構化的設計來降低靜態功耗。 FPGA動態功耗主要體現為存儲器、內部邏輯、時鐘、I/O消耗的功耗。 ① 選擇適當的 I/O標準可以節省功耗。I/O功耗主要來自器件輸出引腳連接的外部負載電容、阻抗模式輸出驅動電路以及外部匹配網絡的充放電電流。可選擇較低的驅動強度或較低的電壓標準。當系統速度要求使用高功率 I/O標準時，可設置缺省狀態以降低功耗。有的I/O標準需要使用上拉電阻才能正常工作，因此如果該 I/O的缺省狀態為高電平而不是低電平，就可以節省通過該終結電阻的直流功耗。 ② 當總線上的數據與寄存器相關時，經常使用片選或時鐘使能邏輯來控制寄存器的使能，盡早對該邏輯進行“數據使能”，以阻止數據總線與時鐘使能寄存器組合邏輯之間不必要的轉換。另一種選擇是在電路板上，而不是芯片上，進行這種“數據使能”，以盡可能減小處理器時鐘周期。也就是使用 CPLD從處理器卸載簡單任務，以便使其更長時間地處于待機模式。 ③ 設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，應當認真研究時鐘。 首先，如果設計的某個部分可以處于非活動狀態，則可以考慮禁止時鐘樹翻轉，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，但時鐘樹仍然會翻轉，消耗功率。其次，隔離時鐘以使用最少數量的信號區。不使用的時鐘樹信號區不會翻轉，從而減輕該時鐘網絡的負載。合理的布局可以在不影響實際設計的情況下達到此目標。 ④ 根據預測的下一狀態條件列舉狀態機，并選擇常態之間轉換位較少的狀態值，這樣就能盡可能減少狀態機網絡的轉換量（頻率）。確定常態轉換和選擇適當的狀態值，是降低功耗且對設計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越少。 ⑤ 要計算覆蓋整個產品生命周期或預期電池工作時間內所有狀態下的功耗,要考慮上電、待機、空閑、動態和斷電等多種狀態，要計算最壞情況下的靜態功耗。 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，而且無需花費大量的時間、精力和成本采取額外的措施。所以，選擇一款低功耗的FPGA器件有助于提高產品性能，降低產品成本，提高產品的可靠性。下面介紹Actel公司的低功耗FPGA——IGLOO。 3 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，并對低功耗的特性作了加強。 IGLOO器件采用 Flash*Freeze技術，能夠輕易地進入和退出超低功耗模式，該模式下的功耗僅 5 μW，同時可保存 SRAM和寄存器中的數據。Flash*Freeze技術通過 I/O和時鐘管理簡化了功率管理，并無需關斷電壓、I/O或系統層面的時鐘，進入和退出 Flash*Freeze模式所需的時間少于1 μs。 Actel IGLOO系列以 Flash可重編程技術為基礎，支持安全的系統內可編程功能，因此能在制造的最終階段或應用現場快速且容易地進行升級或設計更新。 IGLOO能夠做到如此低的功耗，主要是由以下幾個原因決定。 （1） 獨特的Flash開關 IGLOO采用了低功耗的Flash開關，如圖2所示。Flash開關只需要2個晶體管，而SRAM的開關至少需要4個以上的晶體管。更少的晶體管具有更小的容性負載、更小的漏電流，從而具有更低的功耗。另外，Flash技術的開關具有非易失性的特點，使得IGLOO無需配置芯片，從而較SRAM的FPGA少了上電的啟動電流和配置電流。一般SRAM的FPGA啟動電流都需要幾百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。 圖2 Flash開關和SRAM開關的對比 （2） 更低的內核電壓 IGLOO的內核可以支持1.2 V或1.5 V供電，1.2 V的內核電壓比1.5 V的內核電壓可以節省36%的動態功耗。可由式（1）推導出來，動態功耗與內核電壓的平方成正比，所以1.2 V的IGLOO系統比1.5 V內核電壓的系統可以節省更多的功耗。 （3） 低功耗的Flash*Freeze模式 IGLOO具有一種獨特的Flash*Freeze模式。在這種模式下可以讓FPGA進入睡眠狀態。在這種模式下最低的功耗可達2 μW（IGLOO的Nano系列），并且能夠保存RAM和寄存器的狀態。進入和退出這種模式只需要通過FPGA的Flash*Freeze引腳控制即可，進入和退出只需要1 μs，非常方便。 （4） 具有低功耗布局布線工具 Actel提供免費的開發環境——Libero，并充分考慮了低功耗的設計，在軟件中增加了功耗驅動的布局布線。在該方式的驅動下，軟件自動以最低功耗的方式來布局并走線，類似于PCB繪制時的布局與走線。其中影響最大的是時鐘的走線，因為在大部分的設計中時鐘對功耗起了關鍵性的影響。經過功耗驅動的布局布線以后，時鐘走線變得更有規則，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省30%的功耗。 另外，在Libero軟件內部集成的Modelsim仿真軟件中，提供了功率估算工具。它用于分析實際器件利用率，并結合實際的適配后仿真數據，給出實際功耗數據，可以在完全不接觸芯片的情況下分析設計改變對總功耗的影響。 4 小結 通過上面的分析,了解了FPGA功率損耗的相關原理和影響功耗的相關因素。設計者通過優化自己的設計和注意某些具體情況,可以在FPGA設計中實現低功耗。通過一款具體的FPGA產品了解其低功耗的解決方式，為設計提供了指導。FPGA均可在相應的操作環境下進行仿真，從而了解功耗的具體使用情況，針對相應的情況進行修改。另外，還可采用優化的算法來減少多余和無意義的開關活動，來實現低功耗的解決方案。 |
