針對(duì)低功耗的設(shè)計(jì)

當(dāng)涉及到計(jì)算運(yùn)營(yíng)成本和電信基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的碳足跡時(shí)，功耗成為一個(gè)越來越重要的變量。例如，在美國(guó)平均每個(gè)滿負(fù)荷3G基站的費(fèi)用大約為1600美元/年，或在歐洲大約為3200美元/年。這表明，一個(gè)典型的歐洲運(yùn)營(yíng)商運(yùn)行2萬個(gè)基站會(huì)消耗58MW功率，折算為每年6200萬美元左右。除了這些費(fèi)用，每個(gè)基站的功耗估計(jì)為每年每個(gè)基站有11噸二氧化碳的排放量。對(duì)于這些運(yùn)營(yíng)商，功耗就是成本。 FPGA已經(jīng)成為基站結(jié)構(gòu)的最重要的組成部分之一，所以人們關(guān)注FPGA的焦點(diǎn)是使功耗降至最低。

例如，為了盡量減少功耗，LatticeECP3 FPGA系列采用可變的溝道長(zhǎng)度，優(yōu)化的低功耗晶體管，以及改進(jìn)的布線默認(rèn)和算法。結(jié)果在典型設(shè)計(jì)中，與同類擁有SERDES功能的FPGA的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比較，ECP3的靜態(tài)功耗減少了80％，總功耗減少了50％多。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在使用FPGA時(shí)通常要考慮FPGA的四部分的功耗：

預(yù)編程的靜態(tài)（靜態(tài)）器件的功耗

預(yù)編程的靜態(tài)器件的功耗是指FPGA在編程之前的功耗。即當(dāng)FPGA已上電，但處于未編程的狀態(tài)時(shí)，這就是靜態(tài)器件的功耗。重要的是在此期間該器件不會(huì)消耗大

量的功耗，從概念上來說，F(xiàn)PGA器件會(huì)消耗過多的功耗，并有可能關(guān)閉電源，阻止電路板對(duì)系統(tǒng)成功地初始化。因此，F(xiàn)PGA供應(yīng)商必須精心設(shè)計(jì)具有低靜態(tài)功耗的晶體管，而不影響要求更高的性能的區(qū)域（如I/O和SERDES）。

浪涌編程電流：（浪涌電流/對(duì)器件編程直到編程結(jié)束時(shí)所需要的功耗）

在過去，浪涌電流編程一直是FPGA廠商面對(duì)的問題。浪涌編程電流實(shí)際上已超過一個(gè)典型應(yīng)用的功耗，以及實(shí)際的額定電源/穩(wěn)壓器功率。這當(dāng)然是不可取的，萊迪思對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品投入了相當(dāng)大的精力，使編程電流（浪涌）處于任何典型應(yīng)用的功耗之下。萊迪思在數(shù)據(jù)手冊(cè)和功耗計(jì)算器工具中說明并跟蹤了浪涌的情況。

后編程的靜態(tài)功耗： ‘零MHz ’頻率時(shí)器件的功耗

編程后靜態(tài)功耗是FPGA功耗的重要組成部分。這是由于在FPGA中有大量的晶體管（通常為8至10倍于用同等的ASIC邏輯來實(shí)現(xiàn)的數(shù)量，配置和多路復(fù)用器不包括在內(nèi)），所有這些器件都有少量的泄漏電流。無論晶體管是否被使用，這些晶體管的漏電流（用于切換的復(fù)用器，RAM單元等）通常是“永遠(yuǎn)存在的”，并吸收功率。通常情況下，編程后靜態(tài)功耗等于或大于靜態(tài)器件功耗。有一些最新的創(chuàng)新解決功耗網(wǎng)格的方法，去除這些特殊晶體管的功耗，這將減少這部分的靜態(tài)功耗。

動(dòng)態(tài)功耗：非零頻率所增加的功耗。 （即P = kcV2f）

動(dòng)態(tài)功耗遵循kcV2f規(guī)則，通常受設(shè)計(jì)人員的控制。根據(jù)正在實(shí)施的不同類型的設(shè)計(jì)（始終開啟，時(shí)刻處理，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)路徑的類型對(duì)比喚醒、處理和返回睡眠的設(shè)計(jì)類型等），無論是動(dòng)態(tài)功耗，還是編程后的靜態(tài)功耗都是功耗分析中的最重要組成部分。

功耗是與溫度密切相關(guān)的。隨著FPGA的自身發(fā)熱，由于晶體管的漏電流的增加，功耗隨之增加。在極端的情況下，器件非常熱以至晶體管不能關(guān)閉，這種情況被稱為熱失控。功耗分析被視為任何FPGA設(shè)計(jì)過程中的至關(guān)重要的一部分。使用功耗分析，設(shè)計(jì)人員會(huì)確信設(shè)計(jì)將工作于設(shè)計(jì)環(huán)境之中。使用各種技術(shù)方法用以控制溫度，如風(fēng)扇、散熱片、修改設(shè)計(jì)，I/O標(biāo)準(zhǔn)等。

建立 “模擬環(huán)境”的功耗模型

除了FPGA架構(gòu)的改進(jìn)之外，在低功耗設(shè)計(jì)過程中，基于軟件的工具是很有價(jià)值的。例如，萊迪思的功耗計(jì)算器（圖1），包含了模擬環(huán)境的功耗模型，工具中擁有圖形化的功耗顯示和多種有用的報(bào)告。熱電阻可選模型模擬了真實(shí)的各種熱的情況，包括散熱片，氣流及印刷電路板的復(fù)雜性，而圖形化的功耗曲線反映了工作溫度。印刷電路板組裝后，基于軟件的功耗計(jì)算器可用于前，后FPGA設(shè)計(jì)過程，以分析所預(yù)期的功耗。

圖1功耗計(jì)算器可用于設(shè)計(jì)周期中的任何階段。切換率的早期估計(jì)以后可以用模擬結(jié)果來取代。精確的功耗計(jì)算器計(jì)算所有結(jié)構(gòu)單元的電流和功耗，并提供熱模型，以模擬真實(shí)的系統(tǒng)條件

總結(jié)

成功的低功耗設(shè)計(jì)是取決于結(jié)構(gòu)還是工藝？答案不是傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為是正確的東西。先進(jìn)的工藝并不能夠保證低功耗：在結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)階段提出的折衷方案對(duì)最終的結(jié)果是至關(guān)重要的。如果FPGA針對(duì)性能而優(yōu)化，必將導(dǎo)致更高的整體功耗。對(duì)于把高性能的電路放在哪些絕對(duì)需要的地方，設(shè)計(jì)人員必須做出權(quán)衡，同時(shí)針對(duì)低功耗，優(yōu)化芯片的其他區(qū)域。傳統(tǒng)的FPGA廠商僅期望下一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)以獲得可估量的更小的功耗。然而，65納米的LatticeECP3表明它有可能比40/45nm的競(jìng)爭(zhēng)器件具有更低的功耗。在這種模式轉(zhuǎn)變的核心是安排了巧妙的電路和晶體管設(shè)計(jì)。