優化FPGA功耗的設計和實現

為設計尋找“完美”FPGA 的重要性日漸升級，其中功耗已成為主要考慮因素。功耗管理在大部分應用中都非常關鍵。某些標準已為單卡或者單個系統設定了功耗上限。鑒于此，設計人員必須在設計過程中更早地對功耗問題加以考慮，一般來說應該從選擇 FPGA 開始。

減少 FPGA 的功耗可以降低供電電壓，簡化電源設計和散熱管理，降低對電源分配面的要求，從而簡化電路板設計。低功耗還可以延長電池壽命，提高系統的可靠性（運行溫度較低的系統壽命更長）。

功耗挑戰
伴隨每一代工藝技術的問世，晶體管的尺寸可依照摩爾定律不斷縮小。但這種現象也會帶來副作用，即每個晶體管內的漏電流會增大，進而導致靜態功耗增大（未工作狀態下 FPGA 消耗的總電流增大）。FPGA 性能的提升會提高時鐘速率，使動態功耗上升。靜態功耗是晶體管漏電流造成的，動態功耗則取決于可編程邏輯和 I/O 的開關頻率。由于每一代 FPGA 的容量都在增大，會使兩種功耗不斷增加。更高的邏輯容量意味著每個器件會有更多漏電流和更多在更高速度下運行的晶體管。

鑒于這些問題的存在，設計人員必須在設計過程中盡早對電源和熱管理問題有更加清楚的認識。給器件加上散熱器并不足以解決這些問題。因此設計人員必須盡量減少設計中的邏輯用量。

首先來看幾點指南，有助于理解在設計過程各個階段應采取何種措施來降低FPGA的功耗。很明顯，在設計過程的初期徹底理解這些問題能帶來最大的收益。

圖 1 說明了包括 FPGA 選擇以及低功耗設計技巧在內的貫穿整個設計過程的不同設計點

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7 系列工藝技術
在選擇 FPGA 的過程中， 應謹慎考慮工藝技術，它能幫助用戶判斷器件的漏電流和性能。賽靈思 7 系列FPGA 采用 28 HPL （28nm 高性能低功耗）工藝，在提高性能的同時可顯著降低功耗（見第 41 期《賽靈思中國通訊》的封面故事）。選擇采用低漏電流的 HPL 工藝制造的器件，可以避免在FPGA 設計中使用復雜且成本高昂的靜態功耗管理方案。

盡管 28 HP 工藝 FPGA 的性能并沒有超越 7 系列的其它 FPGA，但其靜態功耗還不到競爭對手 FPGA 靜態功耗的一半，而且不會造成嚴重的漏電流問題。圖 2 顯示了 7 系列產品的全面降耗情況，整體功耗僅為上一代40nmFPGA 器件的一半。

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設計人員可以在開發階段選擇較大的 FPGA，然后在生產過程中選擇較小的 FPGA。選擇較小的 FPGA 不僅可以降低成本，還能降低系統功耗。

所有 7 系列 FPGA 均采用統一的架構。這種統一架構便于在賽靈思 7 系列的不同 FPGA 器件之間方便地進行向上或向下遷移。如果需要從 Virtex?-6 或者 Spartan?-6 器件遷移至7 系列器件或者在 7 系列器件之間遷移，請參閱“7系列用戶指南”(UG429)。

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賽靈思堆疊硅片互聯技術
對較大的系統來說，設計人員一般會選擇多個 FPGA。這種架構往往需要在各個 FPGA 之間高速傳輸數據，這是一項復雜、困難的工作。選擇采用賽靈思堆疊硅片互聯技術制造的大型 7 系列 FPGA，比如 XC7V1500T 和XC7V2000T 器件，就可以避免這個問題。簡單地說，堆疊硅片互聯技術就是將多片芯片布置在具有成千上萬連接關系的插入式結構中，用以制造統一的大型器件。堆疊硅片互聯技術的優勢之一在于，與采用標準單片電路的類似尺寸的器件相比，可顯著降低靜態功耗。

堆疊硅片互聯技術 (SSI) 還能大幅度降低 I/O 互聯功耗。與在電路板上布置多塊 FPGA 的方法相比，SSI 技術有很大的優勢，其 I/O 互聯功耗比采用 I/O 和收發器構建的等效接口低 100 倍（帶寬/W）。功耗大幅下降是因為所有連接都構建在芯片上，無需功耗將信號驅動到片外，這樣可實現難以置信的高速度和低功耗。

電壓擴展增強選項
賽靈思 7 系列 FPGA 提供重要的電壓擴展選項。

7 系列 FPGA 為 -3L 和 -2L 器件提供擴展 (E) 溫度范圍（0-100 攝氏度）。由于 28 HPL 工藝提供的余量，-2LE 器件可在 1v 或 0.9v 下運行。這些器件被分別命名為 -2L (1.0V) 和 -2L(0.9V)。運行在 1.0V 下的 -2L 器件的速度性能與 -2I 和 -2C 器件相當，但靜態功耗顯著降低。運行在 0.9V 的 -2L 器件性能與 -1I和 -1C 器件相似，但靜態和動態功耗都有所下降。

僅僅將這些器件的電壓降低到0.9V 就可降低靜態功耗約 30%。降低電壓也會降低性能，但賽靈思根據速度和更加嚴格的漏電流規格對這些 -2L(0.9V) 器件進行篩選。這種篩選方法能夠使器件在最劣工藝條件下的功耗比標準速度等級器件的功耗降低 55%。

選擇 -2L 器件，用戶還能進一步降低動態功耗。由于動態功耗與 VCCINT2成正比，VCCINT下降 10% 可帶來功耗20% 的降幅。

功耗估算工具
今天的市場上有豐富的工具可供設計人員選擇，用以在整個開發過程中評估 FPGA 設計的散熱和電源要求。圖 3是FPGA 開發過程中每個階段可供使用的賽靈思工具。

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為降低功耗，用戶必須盡一切可能減少設計中使用的邏輯數量。首先是使用專用的硬件模塊，而不是在 CLB 中實現相同的邏輯。

在設計初期，XPower Estimator(XPE) 電子數據表能夠在初步設計和實施之前對功耗進行早期估測。XPE 可用于架構評估和器件選擇，幫助確定應用所需的合適的電源和散熱管理組件。

PlanAheadTM 軟件則用于估測設計電源在 RTL 級的分配情況。設計人員可以使用約束條件或者 GUI 來設定器件的運行環境、I/O 屬性和默認活躍度。PlanAhead 軟件隨即讀取 HDL 代碼，估算所需的設計資源，并對每種資源的運行狀態進行統計分析，得出功耗估算報告。由于能夠掌握有關設計意圖的更加詳細的信息，因此 RTL功耗估計器的準確性優于 XPE 電子數據表，但不及Xpower Analyzer 得出的后期布局布線分析結果準確。

Xpower Analyzer (XPA) 是一種專門用于分析布局布線設計功耗的工具。它采用全面綜合的GUI，可以對特定運行條件下的功耗和發熱量信息進行詳盡的分析。

用戶可以在兩種不同視圖間切換，用以確認各種類型模塊（時鐘樹、邏輯、信號、IO 模塊、 BRAM 等硬 IP核或 DSP 模塊）的功耗或設計層級功耗。兩種視圖都能讓用戶進行詳細的功耗分析。并為確定設計中最耗電的模塊或部件提供了一種非常有效的方法，從而簡化了功耗優化工作。