FPGA設計關于功耗專業(yè)的術語解析

一、常用術語

? 器件靜態(tài)功耗Device Static Power: 器件靜態(tài)功耗是指晶體管連接所有電壓軌道的漏電流以及電路正常工作，后期配置的功耗。通常是通過一個白片位流下載進器件中來測量靜態(tài)功耗。靜態(tài)功耗是一個和工藝，電壓，溫度相關的函數(shù)，代表了器件的穩(wěn)定狀態(tài)，固有的泄露。

?設計功耗 Design Power: 設計功耗由輸入數(shù)據(jù)模式以及設計內部的翻轉產(chǎn)生，是一種動態(tài)功耗，功耗是瞬時的并且在每一個時鐘周期中都會變化，功耗值取決于電壓大小，使用的邏輯資源和布線資源，也包括了I/O端口，時鐘管理器以及其他需要功耗電路的靜態(tài)電流，但不包括芯片外的器件功耗。

?總的片上功耗 Total On-Chip Power: 總的片上功耗是器件內部的功耗，等同于器件的靜態(tài)功耗加上設計功耗，也稱為熱功耗。

? 片外功耗Off-Chip Power: 片外功耗是電流從電源通過器件，然后從I/O出去在芯片外部組件產(chǎn)生的功耗。器件自身提供的電流通常被外部組件如I/O端口，LED或其他芯片的I/O緩沖器，因此，不會提高器件的節(jié)點溫度。

注意：負的片外功耗表示電源是來源于外部，用于器件內部的功耗

? 片上功耗Power-On Current: 當電源第一次為設備供電時，有瞬時電流發(fā)生。該電流會因供電電壓不同存在差異，取決于器件結構以及電源值向額定值變化的能力。電流也取決于器件工作的條件，如溫度，不同供電的順序。由于器件體系結構增強也會引導恰當?shù)墓╇婍樞?，該電流產(chǎn)生的功耗通常低于正常工作的電流。

?環(huán)境溫度 Ambient Temperature (°C): 環(huán)境溫度是器件在正常運行條件下的周圍的空氣溫度。

?空氣的有效熱阻 Effective Thermal Resistance to Air (ΘJA (°C/W)): 空氣的有效熱阻也稱為Theta-JA或TJA. 是定義功耗從器件硅到環(huán)境中（器件達到結點溫度）的系數(shù)。包含了所有的因素，硅片從各個方向到周圍空氣，加上其他材料間，例如封裝，PCB，以及其他的熱源和空氣流。典型的包含了熱阻抗和相互依賴路徑中會產(chǎn)生熱量消散到環(huán)境中。

器件特點Device Characterization

? 先進期Advance: 先進器件設計有基于仿真結果或以前長期產(chǎn)品測試結果的數(shù)據(jù)，在一年的產(chǎn)品周期內數(shù)據(jù)都是可靠的。設計的功耗模型數(shù)據(jù)是相對穩(wěn)定以及靠譜的，盡管有一些過度報告發(fā)生。先進數(shù)據(jù)的準確性是比預備期數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)低。

?預備期 Preliminary: 預備期器件設計是基于早期生產(chǎn)硅時期的。幾乎在器件fabric中的大多數(shù)模塊特征已確定，相比于先進期數(shù)據(jù)，這一時期的功耗報告準確性是有改善的。

? 生產(chǎn)期Production:在一個特殊器件系列中，如果足夠的生產(chǎn)硅能夠準確描述大量生產(chǎn)后的功耗關系，那么生產(chǎn)期器件設計會被發(fā)布。任何功耗評估的準確性都是來自于模型的輸入信息，Report power流程基于器件特征使用下面的模型

? 先進期Advance: +/-25%

? 預備期Preliminary: +/-20%

? 生產(chǎn)期Production: +/-10%

信號速率Signal Rate：信號速率是信號每秒狀態(tài)改變（高電平到低電平或低電平到高電平）的次數(shù)，xilinx使用單位Mtr/s（百萬次/秒），例如，信號每4個時鐘周期翻轉一次，一個時鐘周期為100MHz(10ns)，那么信號速率為1/(4*10ns)=25Mtr/s.

切換率Toggle Rate：切換率是在給定時鐘輸入后，同步邏輯單元切換的速率，范圍是0-100%，切換率為100%時表示每個時鐘周期輸出變化一次。例如，如果信號每四個時鐘周期（時鐘可以是任何頻率）改變一次，切換率為（1/4）*100%=25%。注意，時鐘線的切換率一直是200%，表示時鐘線每個周期翻轉2次。另外，理想的同步線每個時鐘改變一次，最大的切換率為100%。如果同步線容易有毛刺，用信號速率來指定切換。如果同步單元和時鐘不同步，切換率是無法計算的。

靜態(tài)概率Static Probability：靜態(tài)概率定義了電平的有效范圍為0-1時，組件被高電平（1‘b1）驅動的時長。比如，如果一個信號在一段100ns的時間內，邏輯值為1的時長為40ns，靜態(tài)概率為40/100=0.4，如果為1則表示信號一直維持在邏輯值1，沒有翻轉；如果為0則表示信號一直維持為0，沒有過翻轉。

輸出負載Output Load (pF)：由輸出I/O端口驅動的其他外部電容

結點溫度Junction temperature (°C)：設定一個器件必須達到的溫度，在Vivado中，用戶可以勾選結溫設置框設置可設置的最大溫度

審核編輯：黃飛