FPGA功耗的基本概念及其设计

只看该作者 · 2011-3-18 23:59

（1）
功耗的组成

功耗一般由两部分组成：静态功耗和动态功耗。静态功耗主要是晶体管的漏电流引起，由源极到漏极的漏电流以及栅极到衬底的漏电流组成；动态功耗主要由电容充放电引起，其主要的影响参数是电压、节点电容和工作频率，可以用下式表示：

动态功耗 = 电容×电压2×频率

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（2）静态功耗
静态功耗主要是由漏电流引起。漏电流是芯片上电时，无论处于工作状态还是处于静止状态，都一直存在的电流，来源于晶体管的三个极，如图1所示。它分为两部分，一部分来自源极到漏极的泄漏电流ISD，另一部分来自栅极到衬底的泄漏电流IG。漏电流与晶体管的沟道长度和栅氧化物的厚度成反比。

图1 静态功耗的组成
源极到漏极的泄漏电流是泄漏的主要原因。MOS管在关断的时候，沟道阻抗非常大，但是只要芯片供电就必然会存在从源极到漏极的泄漏电流。随着半导体工艺更加先进，晶体管尺寸不断减小，沟道长度也逐渐减小，使得沟道阻抗变小，从而泄漏电流变得越来越大，而且源极到漏极的漏电流随温度增加呈指数增长。

只看该作者 · 2011-3-18 23:59

（3）动态功耗
动态功耗主要由电容充放电引起，它与3个参数有关：节点电容、工作频率和内核电压，它们与功耗成正比例关系。如式（1）所示，节点电容越大，工作频率越高，内核电压越大，其动态功耗也就越高。而在FPGA中动态功耗主要体现为存储器、内部逻辑、时钟、I/O消耗的功耗。在一般的设计中，动态功耗占据了整个系统功耗的90%以上，所以降低动态功耗是降低整个系统功耗的关键因素。

只看该作者 · 2011-3-18 23:59

（4）如何降低FPGA功耗
FPGA主要的功耗是由静态功耗和动态功耗组成，降低FPGA的功耗就是降低静态功耗和动态功耗。
静态功耗除了与工艺有关外，与温度也有很大的关系。一方面需要半导体公司采用先进的低功耗工艺来设计芯片，降低泄漏电流（即选择低功耗的器件）；另一方面可以通过降低温度、结构化的设计来降低静态功耗。
FPGA动态功耗主要体现为存储器、内部逻辑、时钟、I/O消耗的功耗。

只看该作者 · 2011-3-19 00:00

FPGA动态功耗主要体现为存储器、内部逻辑、时钟、I/O消耗的功耗。
① 选择适当的 I/O标准可以节省功耗。I/O功耗主要来自器件输出引脚连接的外部负载电容、阻抗模式输出驱动电路以及外部匹配网络的充放电电流。可选择较低的驱动强度或较低的电压标准。当系统速度要求使用高功率 I/O标准时，可设置缺省状态以降低功耗。有的I/O标准需要使用上拉电阻才能正常工作，因此如果该 I/O的缺省状态为高电平而不是低电平，就可以节省通过该终结电阻的直流功耗。
② 当总线上的数据与寄存器相关时，经常使用片选或时钟使能逻辑来控制寄存器的使能，尽早对该逻辑进行“数据使能”，以阻止数据总线与时钟使能寄存器组合逻辑之间不必要的转换。另一种选择是在电路板上，而不是芯片上，进行这种“数据使能”，以尽可能减小处理器时钟周期。也就是使用 CPLD从处理器卸载简单任务，以便使其更长时间地处于待机模式[4]。
③ 设计中所有吸收功耗的信号当中，时钟是罪魁祸首。虽然时钟可能运行在 100 MHz，但从该时钟派生出的信号却通常运行在主时钟频率的较小分量（通常为 12%～15%）。此外，时钟的扇出一般也比较高。这两个因素显示，为了降低功耗，应当认真研究时钟。首先，如果设计的某个部分可以处于非活动状态，则可以考虑禁止时钟树翻转，而不是使用时钟使能。时钟使能将阻止寄存器不必要的翻转，但时钟树仍然会翻转，消耗功率[4]。其次，隔离时钟以使用最少数量的信号区。不使用的时钟树信号区不会翻转，从而减轻该时钟网络的负载。合理的布局可以在不影响实际设计的情况下达到此目标。
④ 根据预测的下一状态条件列举状态机，并选择常态之间转换位较少的状态值，这样就能尽可能减少状态机网络的转换量（频率）。确定常态转换和选择适当的状态值，是降低功耗且对设计影响较小的一种简单方法。编码形式越简单（如1位有效编码或格雷码），使用的解码逻辑也会越少[5]。

只看该作者 · 2011-3-19 00:00

恰当的元件
　　
并不是所有元件都具有相同的静止功耗。根据普遍规则，器件工艺技术尺寸越小，泄漏功耗越大。但并不是所有工艺技术都一样。例如，对于 90 nm 技术来说，Virtex-4 器件与其他 90 nm FPGA 技术之间在静止功耗方面存在显著差异，然而，在静止功耗随工艺技术缩小而增加的同时，动态功耗却随之减小，这是由于较小的工艺有着更低的电压和电容。考虑好哪种功耗对你的设计影响更大——待机（静止）功耗还是动态功耗。
　　
除通用切片逻辑单元外，所有Xilinx器件都具有专门逻辑。其形式有块 RAM、18×18 乘法器、DSP48 块、SRL16s，以及其他逻辑。这不仅在于专门逻辑具有更高的性能，还在于它们具有更低的密度，因而对于相同的操作可以消耗较少的功率。评估您的器件选项时，请考虑专门逻辑的类型和数量。
　　
选择适当的 I/O 标准也可以节省功耗。这些都是简单的决定，如选择最低的驱动强度或较低的电压标准。当系统速度要求使用高功率 I/O 标准时，计划一个缺省状态以降低功耗。有的 I/O 标准（如 GTL/+）需要使用一个上拉电阻才能正常工作。因此如果该 I/O 的缺省状态为高电平而不是低电平，就可以节省通过该终接电阻的直流功耗。对于 GTL+，将50Ω终接电阻的适当缺省状态设置为 1.5V，可使每个 I/O 节省功耗 30 mA。