FPGA低功耗设计

至芯陈老师

　FPGA的功耗高度依赖于用户的设计，没有哪种单一的方法能够实现这种功耗的降低。目前许多终端市场对可编程逻辑器件设计的低功耗要求越来越苛刻。在消费电子领域，OEM希望采用FPGA的设计能够实现与ASIC相匹敌的低功耗。

　　尽管基于90nm工艺的FPGA的功耗已低于先前的130nm产品，但它仍然是整个系统功耗的主要载体。此外，如今的终端产品设计大多要求在紧凑的空间内完成，没有更多的空间留给气流和大的散热器，因此热管理、功率管理继续成为FPGA设计的一个重要课题。

　　采用FPGA进行低功耗设计并不是一件容易的事，尽管有许多方法可以降低功耗。FPGA的类型、IP核、系统设计、软件算法、功耗分析工具及个人设计方法都会对产品功耗产生影响。值得注意的是，如果使用不当，有些方法反而会增加功耗，因此必须根据实际情况选择适当的设计方法。

　　FPGA设计的总功耗包括静态功耗和动态功耗两个部分。其中，静态功耗是指逻辑门没有开关活动时的功率消耗，主要由泄漏电流造成的，随温度和工艺的不同而不同。静态功耗主要取决于所选的FPGA产品。

　　动态功耗是指逻辑门开关活动时的功率消耗，在这段时间内，电路的输入输出电容完成充电和放电，形成瞬间的轨到地的直通通路。与静态功耗相比，通常有许多方法可降低动态功耗。

　　采用正确的结构对于设计是非常重要的，最新的FPGA是90nm的1.2 V器件，与先前产品相比可降低静态和动态功耗，且FPGA制造商采用不同的设计技术进一步降低了功耗，平衡了成本和性能。这些90nm器件都改变了门和扩散长度，优化了所需晶体管的开关速率，采用低K值电介质工艺，不仅提高了性能还降低了寄生电容。结构的改变，如增强的逻辑单元内部互连，可实现更强大的功能，而无需更多的功耗。StraTIx II更大的改变是采用了六输入查找表(LUT)架构，能够通过更有效的资源利用，实现更快速、低功耗的设计。

　　除常规的可重配置逻辑外，FPGA正不断集成更多的专用电路。最先进的PLD就集成了专门的乘法器、DSP模块、可变容量RAM模块以及闪存等，这些专用电路为FPGA提供了更加高效的功能。总体上看，采用这些模块节约了常规逻辑资源并增加了系统执行的速度，同时可以减少系统功耗。因此更高的逻辑效率也意味着能够实现更小的器件设计，并进一步降低静态功耗和系统成本。

　　不同供应商所提供的IP内核对于低功耗所起的作用各有侧重。选择正确的内核对高效设计至关重要，有的产品将注意力集中在空间、性能和功耗的平衡上。某些供应商提供的IP内核具有多种配置(如Altera的Nios II嵌入式处理器内核采用快速、标准和经济等三种版本)，用户可根据自己的设计进行选择。例如，如果一个处理器在同一个存储分区中进行多个不同调用，则采用带板载缓存的Nios II/f就比从片外存储器访问数据的解决方案节约更多功耗。

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