聊一聊FPGA低功耗設(shè)計的那些事兒
以下是筆者一些關(guān)于FPGA功耗估計和如何進行低功耗設(shè)計的知識:
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201710/366953.htm1. 功耗分析
整個FPGA設(shè)計的總功耗由三部分功耗組成:1. 芯片靜態(tài)功耗;2. 設(shè)計靜態(tài)功耗;3. 設(shè)計動態(tài)功耗。
芯片靜態(tài)功耗:FPGA在上電后還未配置時,主要由晶體管的泄露電流所消耗的功耗
設(shè)計靜態(tài)功耗:當(dāng)FPGA配置完成后,當(dāng)設(shè)計還未啟動時,需要維持I/O的靜態(tài)電流,時鐘管理和其它部分電路的靜態(tài)功耗
設(shè)計動態(tài)功耗:FPGA內(nèi)設(shè)計正常啟動后,設(shè)計的功耗;這部分功耗的多少主要取決于芯片所用電平,以及FPGA內(nèi)部邏輯和布線資源的占用
顯而易見,前兩部分的功耗取決于FPGA芯片及硬件設(shè)計本身,很難有較大的改善。可以優(yōu)化是第3部分功耗:設(shè)計動態(tài)功耗,而且這部分功耗占總功耗的90%左右,因此所以降低設(shè)計動態(tài)功耗是降低整個系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵因素。上面也提到過功耗較大會使FPGA發(fā)熱量升高,那有沒有一個定量的分析呢?答案當(dāng)然是有,如下式:
Tjmax > θJA * PD + TA
其中Tjmax表示FPGA芯片的最高結(jié)溫(maximum junction temperature);θJA表示FPGA與周圍大氣環(huán)境的結(jié)區(qū)熱阻抗(Junction to ambient thermal resistance),單位是°C/W;PD表示FPGA總功耗(power dissipation),單位是W;TA表示周圍環(huán)境溫度。
以XC7K410T-2FFG900I系列芯片為例,θJA = 8.2°C/W,在TA = 55°C的環(huán)境中,想要結(jié)溫Tjmax不超過100°C的情況下,可以推算FPGA的總功耗:PD (Tjmax – TA)/θJA=(100 - 55)/8.2=5.488W,之前估算的20W與之相差太遠,因此優(yōu)化是必不可少的:
1) 降低θJA:熱阻抗取決于芯片與環(huán)境的熱傳導(dǎo)效率,可通過加散熱片或者風(fēng)扇減小熱阻抗
圖1
2) 減小PD:通過優(yōu)化FPGA設(shè)計,降低總功耗,這也是本文重點講解的部分。
2. 功耗估計
在講解低功耗設(shè)計之前,介紹一下xilinx的功耗估計工具XPE(Xilinx Power Estimator),XPE主要是在項目初期,處于系統(tǒng)設(shè)計,RTL代碼并未完善階段功耗估計時使用,它是一個基于EXCEL的工具,如圖2所示,功能做的十分豐富。
圖2
在設(shè)計完成綜合實現(xiàn)后,則可以使用vivado自帶的功耗分析工具進行精確計算功耗。打開綜合實現(xiàn)后的設(shè)計,點擊report power即可得到功耗分析的結(jié)果,如圖3,4所示。
圖3
圖4
3. 低功耗設(shè)計
關(guān)于FPGA低功耗設(shè)計,可從兩方面著手:1) 算法優(yōu)化;2) FPGA資源使用效率優(yōu)化。
1) 算法優(yōu)化
算法優(yōu)化可分為兩個層次說明:實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法
首先肯定需要設(shè)計一種最優(yōu)化的算法實現(xiàn)結(jié)構(gòu),設(shè)計一種最優(yōu)化的結(jié)構(gòu),使資源占用達到最少,當(dāng)然功耗也能降到最低,但是還需要保證性能,是FPGA設(shè)計在面積和速度上都能兼顧。比如在選擇采用流水線結(jié)構(gòu)還是狀態(tài)機結(jié)構(gòu)時,流水線結(jié)構(gòu)同一時間所有的狀態(tài)都在持續(xù)工作,而狀態(tài)機結(jié)構(gòu)只有一個狀態(tài)是使能的,顯而易見流水線結(jié)構(gòu)的功耗更多,但其數(shù)據(jù)吞吐率和系統(tǒng)性能更優(yōu),因此需要合理選其一,使系統(tǒng)能在面積和速度之間得到平衡;
另一個層面是具體的實現(xiàn)方法,設(shè)計中所有吸收功耗的信號當(dāng)中,時鐘是罪魁禍?zhǔn)?。雖然時鐘可能運行在 100 MHz,但從該時鐘派生出的信號卻通常運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。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)的負載。
2) 資源使用效率優(yōu)化
資源使用效率優(yōu)化是介紹一些在使用FPGA內(nèi)部的一些資源如BRAM,DSP48E1時,可以優(yōu)化功耗的方法。FPGA動態(tài)功耗主要體現(xiàn)為存儲器、內(nèi)部邏輯、時鐘、I/O消耗的功耗。
其中存儲器是功耗大戶,如xilinx FPGA中的存儲器單元Block RAM,因此在這邊主要介紹對BRAM的一些功耗優(yōu)化方法。
如圖5中實例,雖然BRAM只使用了7%,但是其功耗0.601W占了總設(shè)計的42%,因此優(yōu)化BRAM的功耗能有效地減小FPGA的動態(tài)功耗。
圖5
下面介紹一下優(yōu)化BRAM功耗的方法:
a) 使用“NO CHANGE”模式:在BRAM配置成True Dual Port時,需要選擇端口的操作模式:“Write First”,“Read First” or “NO CHANGE”,避免讀操作和寫操作產(chǎn)生沖突,如圖6所示;其中“NO CHANGE”表示BRAM不添加額外的邏輯防止讀寫沖突,因此能減少功耗,但是設(shè)計者需要保證程序運行時不會發(fā)生讀寫沖突。
圖6
圖5中的功耗是設(shè)置成“Write First”時的,圖7中是設(shè)置成“NO CHANGE”后的功耗,BRAM的功耗從0.614W降到了0.599W,因為只使用了7%的BRAM,如果設(shè)計中使用了大量的BRAM,效果能更加明顯。
圖7
b) 控制“EN”信號:BRAM的端口中有clock enable信號,如圖8所示,在端口設(shè)置中可以將其使能,模塊例化時將其與讀/寫信號連接在一起,如此優(yōu)化可以使BRAM在沒有讀/寫操作時停止工作,節(jié)省不必要的功耗。
圖8
如圖9所示為控制“EN”信號優(yōu)化后的功耗情況,BRAM功耗降到了0.589W
圖9
c) 拼深度:當(dāng)設(shè)計中使用了大量的存儲器時,需要多塊BRAM拼接而成,如需要深度32K,寬度32-bit,32K*32Bit的存儲量,但是單塊BRAM如何配置是個問題?7 series FPGA中是36Kb 的BRAM,其中一般使用32Kb容量,因此可以配置成32K*1-bit或者1K*32-bit,多塊BRAM拼接時,前者是“拼寬度”(見圖10),后者是“拼深度”(見圖11)。兩種結(jié)構(gòu)在工作時,“拼寬度”結(jié)構(gòu)所有的BRAM需要同時進行讀寫操作;而“拼深度”結(jié)構(gòu)只需要其中一塊BRAM進行讀寫,因此在需要低功耗的情況下采用“拼深度”結(jié)構(gòu),
注:“拼深度”結(jié)構(gòu)需要額外的數(shù)據(jù)選擇邏輯,增加了邏輯層數(shù),為了降低功耗即犧牲了面積又犧牲了性能。
圖10
圖11
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