- FPGA的功耗概念分析與低功耗設(shè)計研究

③ 設(shè)計中所有吸收功耗的信號當(dāng)中，時鐘是罪魁禍?zhǔn)住ｋm然時鐘可能運(yùn)行在 100 MHz，但從該時鐘派生出的信號卻通常運(yùn)行在主時鐘頻率的較小分量（通常為 12%～15%）。此外，時鐘的扇出一般也比較高。這兩個因素顯示，為了降低功耗，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真研究時鐘。 首先，如果設(shè)計的某個部分可以處于非活動狀態(tài)，則可以考慮禁止時鐘樹翻轉(zhuǎn)，而不是使用時鐘使能。時鐘使能將阻止寄存器不必要的翻轉(zhuǎn)，但時鐘樹仍然會翻轉(zhuǎn)，消耗功率[4]。其次，隔離時鐘以使用最少數(shù)量的信號區(qū)。不使用的時鐘樹信號區(qū)不會翻轉(zhuǎn)，從而減輕該時鐘網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。合理的布局可以在不影響實(shí)際設(shè)計的情況下達(dá)到此目標(biāo)。

④ 根據(jù)預(yù)測的下一狀態(tài)條件列舉狀態(tài)機(jī)，并選擇常態(tài)之間轉(zhuǎn)換位較少的狀態(tài)值，這樣就能盡可能減少狀態(tài)機(jī)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換量（頻率）。確定常態(tài)轉(zhuǎn)換和選擇適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)值，是降低功耗且對設(shè)計影響較小的一種簡單方法。編碼形式越簡單（如1位有效編碼或格雷碼），使用的解碼邏輯也會越少[5]。

⑤ 要計算覆蓋整個產(chǎn)品生命周期或預(yù)期電池工作時間內(nèi)所有狀態(tài)下的功耗,要考慮上電、待機(jī)、空閑、動態(tài)和斷電等多種狀態(tài)，要計算最壞情況下的靜態(tài)功耗。

在所有降低功耗的措施中，選擇合適的低功耗器件起決定性的作用，帶來的效果是立竿見影的，而且無需花費(fèi)大量的時間、精力和成本采取額外的措施。所以，選擇一款低功耗的FPGA器件有助于提高產(chǎn)品性能，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品的可靠性。下面介紹Actel公司的低功耗FPGA——IGLOO。

2 低功耗FPGA——IGLOO

Actel公司的IGLOO源于ProASIC3系列，保持了ProASIC3原有的所有特性：單芯片、高安全性、高可靠性、高性能、低功耗、低成本等，并對低功耗的特性作了加強(qiáng)。IGLOO器件采用 Flash*Freeze技術(shù)，能夠輕易地進(jìn)入和退出超低功耗模式，該模式下的功耗僅 5 μW，同時可保存 SRAM和寄存器中的數(shù)據(jù)。Flash*Freeze技術(shù)通過 I/O和時鐘管理簡化了功率管理，并無需關(guān)斷電壓、I/O或系統(tǒng)層面的時鐘，進(jìn)入和退出 Flash*Freeze模式所需的時間少于1 μs。 Actel IGLOO系列以 Flash可重編程技術(shù)為基礎(chǔ)，支持安全的系統(tǒng)內(nèi)可編程功能，因此能在制造的最終階段或應(yīng)用現(xiàn)場快速且容易地進(jìn)行升級或設(shè)計更新[6]。

IGLOO能夠做到如此低的功耗，主要是由以下幾個原因決定。
（1） 獨(dú)特的Flash開關(guān)
IGLOO采用了低功耗的Flash開關(guān)，如圖2所示。Flash開關(guān)只需要2個晶體管，而SRAM的開關(guān)至少需要4個以上的晶體管。更少的晶體管具有更小的容性負(fù)載、更小的漏電流，從而具有更低的功耗。另外，F(xiàn)lash技術(shù)的開關(guān)具有非易失性的特點(diǎn)，使得IGLOO無需配置芯片，從而較SRAM的FPGA少了上電的啟動電流和配置電流。一般SRAM的FPGA啟動電流都需要幾百mA甚至幾A，配置電流也需要幾十mA，不適合用于電池供電的系統(tǒng)[6]。

圖2 Flash開關(guān)和SRAM開關(guān)的對比

（2） 更低的內(nèi)核電壓
IGLOO的內(nèi)核可以支持1.2 V或1.5 V供電，1.2 V的內(nèi)核電壓比1.5 V的內(nèi)核電壓可以節(jié)省36%的動態(tài)功耗?？捎墒剑?）推導(dǎo)出來，動態(tài)功耗與內(nèi)核電壓的平方成正比，所以1.2 V的IGLOO系統(tǒng)比1.5 V內(nèi)核電壓的系統(tǒng)可以節(jié)省更多的功耗。

（3） 低功耗的Flash*Freeze模式
IGLOO具有一種獨(dú)特的Flash*Freeze模式。在這種模式下可以讓FPGA進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在這種模式下最低的功耗可達(dá)2 μW（IGLOO的Nano系列），并且能夠保存RAM和寄存器的狀態(tài)。進(jìn)入和退出這種模式只需要通過FPGA的Flash*Freeze引腳控制即可，進(jìn)入和退出只需要1 μs，非常方便。

（4） 具有低功耗布局布線工具
Actel提供免費(fèi)的開發(fā)環(huán)境——Libero，并充分考慮了低功耗的設(shè)計，在軟件中增加了功耗驅(qū)動的布局布線。在該方式的驅(qū)動下，軟件自動以最低功耗的方式來布局并走線，類似于PCB繪制時的布局與走線。其中影響最大的是時鐘的走線，因為在大部分的設(shè)計中時鐘對功耗起了關(guān)鍵性的影響。經(jīng)過功耗驅(qū)動的布局布線以后，時鐘走線變得更有規(guī)則，連線也盡量短，從而大大降低了功耗，通過該方式最多可以節(jié)省30%的功耗。

另外，在Libero軟件內(nèi)部集成的Modelsim仿真軟件中，提供了功率估算工具。它用于分析實(shí)際器件利用率，并結(jié)合實(shí)際的適配后仿真數(shù)據(jù)，給出實(shí)際功耗數(shù)據(jù)，可以在完全不接觸芯片的情況下分析設(shè)計改變對總功耗的影響。

3 小結(jié)

通過上面的分析,了解了FPGA功率損耗的相關(guān)原理和影響功耗的相關(guān)因素。設(shè)計者通過優(yōu)化自己的設(shè)計和注意某些具體情況,可以在FPGA設(shè)計中實(shí)現(xiàn)低功耗。通過一款具體的FPGA產(chǎn)品了解其低功耗的解決方式，為設(shè)計提供了指導(dǎo)。FPGA均可在相應(yīng)的操作環(huán)境下進(jìn)行仿真，從而了解功耗的具體使用情況，針對相應(yīng)的情況進(jìn)行修改。另外，還可采用優(yōu)化的算法來減少多余和無意義的開關(guān)活動，來實(shí)現(xiàn)低功耗的解決方案。