目前許多終端市場對可編程邏輯器件設計的低功耗要求越來越苛刻。工程師們在設計如路由器、交換機、基站及存儲服務器等通信產品時,需要密度更大、性能更好的FPGA,但滿足功耗要求已成為非常緊迫的任務。而在消費電子領域,OEM希望采用FPGA的設計能夠實現與ASIC相匹敵的低功耗。

盡管基于90nm工藝的FPGA的功耗已低于先前的130nm產品,但它仍然是整個系統(tǒng)功耗的主要載體。此外,如今的終端產品設計大多要求在緊湊的空間內完成,沒有更多的空間留給氣流和大的散熱器,因此熱管理、功率管理繼續(xù)成為FPGA設計的一個重要課題。

采用FPGA進行低功耗設計并不是一件容易的事,盡管有許多方法可以降低功耗。FPGA的類型、IP核、系統(tǒng)設計、軟件算法、功耗分析工具及個人設計方法都會對產品功耗產生影

響。值得注意的是,如果使用不當,有些方法反而會增加功耗,因此必須根據實際情況選擇適當的設計方法。

FPGA的功耗高度依賴于用戶的設計,沒有哪種單一的方法能夠實現這種功耗的降低,如同其它多數事物一樣,降低功耗的設計就是一種協(xié)調和平衡藝術,在進行低功耗器件的設計時,人們必須仔細權衡性能、易用性、成本、密度以及功率等諸多指標。

FPGA設計的總功耗包括靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗兩個部分。其中,靜態(tài)功耗是指邏輯門沒有開關活動時的功率消耗,主要由泄漏電流造成的,隨溫度和工藝的不同而不同。靜態(tài)功耗主要取決于所選的FPGA產品。

動態(tài)功耗是指邏輯門開關活動時的功率消耗,在這段時間內,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。

系統(tǒng)結構、IP和I/O

采用正確的結構對于設計是非常重要的,最新的FPGA是90nm的1.2 V器件,與先前產品相比可降低靜態(tài)和動態(tài)功耗,且FPGA制造商采用不同的設計技術進一步降低了功耗,平衡了成本和性能。這些90nm器件都改變了門和擴散長度,優(yōu)化了所需晶體管的開關速率,采用低K值電介質工藝,不僅提高了性能還降低了寄生電容。結構的改變,如增強的邏輯單元內部互連,可實現更強大的功能,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,能夠通過更有效的資源利用,實現更快速、低功耗的設計。

除常規(guī)的可重配置邏輯外,FPGA正不斷集成更多的專用電路。最先進的PLD就集成了專門的乘法器、DSP模塊、可變容量RAM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。總體上看,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實現更小的器件設計,并進一步降低靜態(tài)功耗和系統(tǒng)成本。

不同供應商所提供的IP內核對于低功耗所起的作用各有側重。選擇正確的內核對高效設計至關重要,有的產品將注意力集中在空間、性能和功耗的平衡上。某些供應商提供的IP內核具有多種配置(如Altera的Nios II嵌入式處理器內核采用快速、標準和經濟等三種版本),用戶可根據自己的設計進行選擇。例如,如果一個處理器在同一個存儲分區(qū)中進行多個不同調用,則采用帶板載緩存的Nios II/f就比從片外存儲器訪問數據的解決方案節(jié)約更多功耗。
如果用戶能夠從多種I/O標準中進行選擇,則低壓和無端接(non-terminated)標準通常利于降低功耗,任何電壓的降低都會對功耗產生平方的效果。靜態(tài)功耗對于接口標準特別重要,當I/O緩沖器驅動一個高電平信號時,該I/O為外部端接電阻提供電壓源;而當其驅動低電平信號時,芯片所消耗的功率則來自外部電壓。差分I/O標準(如典型值為350 mV的低開關電壓LVDS)可提供更低的功耗、更佳的噪聲邊緣、更小的電磁干擾以及更佳的整體性能。

軟件利用FPGA的結構來降低功耗還有賴于所使用的軟件工具。用戶可以從眾多綜合工具經銷商那里

進行選擇,那些能夠使用專用模塊電路并智能地設計邏輯功能的綜合工具,將有助于用戶降低動態(tài)功耗。此外,根據自己的設計,用戶可以嘗試以面積驅動來替代時序驅動的綜合,以降低邏輯電平。不同綜合工具的選項有所差別,因此應當了解哪個“開關”或“按鈕”是必需的。同樣重要的還有布局與布線工具,一旦用戶選擇了某種特殊的FPGA,他就必須采用該供應商的布局布線工具。由于互連會潛在地增加功耗,因而仔細進行布局規(guī)劃和設計尤為重要。即便設計不需要很快完成,設計者也希望盡可能地加快進度。諸如Altera LogicLock之類的工具所增加的設計功能可使用戶在器件定制區(qū)域內進行邏輯分組布局,因而一旦用戶找到一種高效布局,就能很快改編為他用。

設計方法

為使設計消耗最小的動態(tài)功耗,可采用優(yōu)化的算法來降低多余和無意義的開關活動,例如具有許多不同狀態(tài)的狀態(tài)機。一個二進制編碼的狀態(tài)機將通過觸發(fā)器產生多個比特并形成組合邏輯,采用格雷碼或One-hot編碼可降低從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的開關次數。同時工程師在實現降低功耗的目標時,需要平衡格雷碼所需的額外組合邏輯,或One-hot編碼所需的附加觸發(fā)器。

數據保護和操作數隔離是另一種降低功耗的技術。在這種技術中只要沒有輸出,數據路徑算子的輸入都會保持穩(wěn)定。輸入的開關行為會波及其它電路,因此即使在忽略輸出的情況下也能消耗功率,例如某個集成了基本算術邏輯單元(ALU)的設計。通過保持輸入的穩(wěn)定性(停止開關),開關動作的數量就能得到減少。這種方法為每個模塊的輸入端提供了保護邏輯(觸發(fā)器和/或門電路),減少了開關動作,從而降低了系統(tǒng)整體的功耗。

在時鐘網絡上減少開關動作也可大幅降低功耗。多數可提供獨立全局時鐘的FPGA是分割為幾部分的,若一個設計間歇地采用部分邏輯,就可關掉其時鐘以節(jié)省功耗。最新FPGA中的PLL可禁止時鐘網絡并支持時鐘轉換,因此既可關掉時鐘也可轉換為更低頻率的時鐘。更小的邏輯部分能夠潛在地使用本地/局域時鐘來替代全局時鐘,因此不必使用不相稱的大型時鐘網絡。

對易受干擾的設計而言,減少意外的邏輯干擾可大幅降低動態(tài)功耗。意外干擾是在組合邏輯輸出時產生的暫時性邏輯轉換。減少這種效應的一個方法是重新考慮時序設計,以平衡時序關鍵路徑和非關鍵路徑間的延遲。用戶可在軟件工具的幫助下應用這種方法,例如某軟件可通過組合邏輯移動寄存器的位置,以實現平衡時序。另外一種方法是引入流水線結構,以減少組合邏輯深度,流水線還有助于增加速度。第二種方法對無意外干擾設計的效果不明顯,相反還可能增加功耗。

功率分析工具

方便快捷的精確功率估算工具,不僅有助于設計工程師對功率進行定量評估,同時也有助于加快產品設計進度。如果在初期功率評估工具和數據表中沒有實際數據,設計工程師就不能在設計階段走得更遠。獲取初期評估數據工具,可使設計人員在設計開始之前就進行功率估算。此外作為設計規(guī)劃,工程師可將布局和布線設計加載到更精確的功率評估持續(xù)當中,從而得到一個更精準的功耗描述。最好的評估工具可使仿真文件無縫集成到電源工具中,因而能夠獲得開關功率的精確描述;若不能進行仿真,則該工具也能自動給出FPGA設計的評估參數。