現代FPGA設計的能源優化方案

引言

　　減少FPGA的功耗可帶來許多好處，如提高可靠性、降低冷卻成本、簡化電源和供電方式、延長便攜系統的電池壽命等。無損于性能的低功耗設計 既需要有高功率效率的FPGA架構，也需要有能駕馭架構組件的良好設計規范。

　　本文將介紹FPGA的功耗、流行的低功耗功能件以及影響功耗的用戶選擇方案，并探討近期的低功耗研究，以洞察高功率效率FPGA的未來趨勢。

　　1 功耗的組成部分

　　FPGA的功耗由兩部分組成：動態功耗和靜態功耗。信號給電容性節點充電時產生動態功耗。這些電容性節點可以是內部邏輯塊、互連架構中的布線導線、外部封裝引腳或由芯片輸出端驅動的板級跡線。FPGA的總動態功耗是所有電容性節點充電產生的組合功耗。

　　靜態功耗與電路活動無關，可以產生于晶體管漏電流，也可以產生于偏置電流。總靜態功耗是各晶體管漏電功耗及FPGA中所有偏置電流之和。動態功耗取決于有源電容一側，因而可隨著晶體管尺寸的縮小而改善。然而，這卻使靜態功耗增加，因為較小的晶體管漏電流反而較大。因此靜態功耗占集成電路總功耗的比例日益增大。

　　如圖1所示，功耗很大程度上取決于電源電壓和溫度。降低FPGA電源電壓可使動態功耗呈二次函數下降，漏電功耗呈指數下降。升高溫度可導致漏電功耗呈指數上升。例如，把溫度從85℃升高至100℃可使漏電功耗增加25%。

圖1 電壓和溫度對功耗的影響

　　2 功耗分解

　　下面分析一下FPGA總功耗的分解情況，以便了解功耗的主要所在。FPGA功耗與設計有關，也就是說取決于器件系列、時鐘頻率、翻轉率和資源利用率。

　　以Xilinx Spartan-3 XC3S1000 FPGA為例，假定時鐘頻率為100MHz，翻轉率為12.5%，而資源利用率則取多種實際設計基準測試的典型值。

　　圖2所示為XC3S1000的活動功耗和待機功耗分解圖。據報告顯示，活動功耗是設計在高溫下活動時的功耗，包括動態和靜態功耗兩部分。待機功耗是設計空閑時的功耗，由額定溫度下的靜態功耗組成。CLB在活動功耗和待機功耗中占最主要部分，這不足為奇，但其他模塊也產生可觀的功耗。I/O和時鐘電路占全部活動功耗的1/3，如果使用高功耗的I/O標準，其功耗還會更高。

圖2 Spartan-3 XC3S1000 FPGA典型功耗分解圖

　　配置電路和時鐘電路占待機功耗近1/2，這在很大程度上是偏置電流所致。因此，要降低芯片的總功耗，就必須采取針對所有主要功耗器件的多種解決方案。