FPGA功耗的詳細介紹讓你實現FPGA的低功耗設計

　　功耗是我們關注的設計焦點之一，優秀的器件設計往往具備低功耗特點。在前兩篇文章中，小編對基于Freez技術的低功耗設計以及FPGA低功耗設計有所介紹。為增進大家對低功耗的了解，以及方便大家更好的實現低功耗設計，本文將對FPGA具備的功耗加以詳細闡述。如果你對低功耗具有興趣，不妨繼續往下閱讀哦。

　　FPGA器件的一個比較特別的現象是其上電瞬間的電流比較大，有的時候甚至大于芯片正常工作的電流，這是因為FPGA內部的邏輯和互連線資源（SRAM工藝）在上電的瞬間處于不確定狀態，發生電流沖突的結果。

　　如果用戶在設計的時候沒有考慮到這個上電瞬間的打電流，電源模塊不能夠提供這么大的電流，芯片在上電過程中就會出現上電曲線不單調的問題，導致器件上電失敗，以至于芯片無法正常工作。一般在器件手冊中會給出這個上電電流值。

　　FPGA在正常工作中，其消耗的總功耗由器件的靜態功耗、動態功耗和IO功耗構成。靜態功耗也叫待機功耗（standbypower），是芯片處于上電狀態，但是內部電路沒有工作（也就是內部電路沒有翻轉）時消耗的功耗;而所謂動態功耗是指由于內部電路翻轉所消耗的功耗;IO功耗是IO翻轉時，對外部負載電容進行充放電所消耗的功耗。

　　如下式：

　　總功耗=靜態功耗+動態功耗+IO功耗

　　芯片的靜態功耗是芯片處于待機狀態下所消耗的功耗，它主要由芯片內部的漏電流產生。在高速的40nm器件中（如straticIV），芯片的漏電流相對來說較大，因此靜態功耗成為主要的電源功耗，也叫漏電功耗（leakagepower）。

　　靜態功耗有一個顯著的特點，就是它隨著器件結溫（junctiontemperature，TJ）的變化而變化較大。TJ越大，功耗越大;TJ越小，功耗越小，如下圖所示。因此，控制芯片的結溫可以有效的控制芯片的靜態功耗。

　　FPGA設計的總功耗包括靜態功耗和動態功耗兩個部分。其中，靜態功耗是指邏輯門沒有開關活動時的功率消耗，主要由泄漏電流造成的，隨溫度和工藝的不同而不同。靜態功耗主要取決于所選的FPGA產品。

　　動態功耗是指邏輯門開關活動時的功率消耗，在這段時間內，電路的輸入輸出電容完成充電和放電，形成瞬間的軌到地的直通通路。與靜態功耗相比，通常有許多方法可降低動態功耗。

　　采用正確的結構對于設計是非常重要的，最新的FPGA是90nm的1.2 V器件，與先前產品相比可降低靜態和動態功耗，且FPGA制造商采用不同的設計技術進一步降低了功耗，平衡了成本和性能。這些90nm器件都改變了門和擴散長度，優化了所需晶體管的開關速率，采用低K值電介質工藝，不僅提高了性能還降低了寄生電容。結構的改變，如增強的邏輯單元內部互連，可實現更強大的功能，而無需更多的功耗。StraTIx II更大的改變是采用了六輸入查找表（LUT）架構，能夠通過更有效的資源利用，實現更快速、低功耗的設計。

　　除常規的可重配置邏輯外，FPGA正不斷集成更多的專用電路。最先進的PLD就集成了專門的乘法器、DSP模塊、可變容量RAM模塊以及閃存等，這些專用電路為FPGA提供了更加高效的功能?？傮w上看，采用這些模塊節約了常規邏輯資源并增加了系統執行的速度，同時可以減少系統功耗。因此更高的邏輯效率也意味著能夠實現更小的器件設計，并進一步降低靜態功耗和系統成本。

　　不同供應商所提供的IP內核對于低功耗所起的作用各有側重。選擇正確的內核對高效設計至關重要，有的產品將注意力集中在空間、性能和功耗的平衡上。某些供應商提供的IP內核具有多種配置（如Altera的Nios II嵌入式處理器內核采用快速、標準和經濟等三種版本），用戶可根據自己的設計進行選擇。例如，如果一個處理器在同一個存儲分區中進行多個不同調用，則采用帶板載緩存的Nios II/f就比從片外存儲器訪問數據的解決方案節約更多功耗。

　　如果用戶能夠從多種I/O標準中進行選擇，則低壓和無端接（non-terminated）標準通常利于降低功耗，任何電壓的降低都會對功耗產生平方的效果。靜態功耗對于接口標準特別重要，當I/O緩沖器驅動一個高電平信號時，該I/O為外部端接電阻提供電壓源;而當其驅動低電平信號時，芯片所消耗的功率則來自外部電壓。差分I/O標準（如典型值為350 mV的低開關電壓LVDS）可提供更低的功耗、更佳的噪聲邊緣、更小的電磁干擾以及更佳的整體性能。