低功耗FPGA設(shè)計(jì)技術(shù)

一、前言
　　
　　 隨著系統(tǒng)功率預(yù)算的不斷緊縮，迫切需要新型低功率元器件。對(duì)通信基礎(chǔ)設(shè)施而言，電路板冷卻、機(jī)箱體積小型化以及系統(tǒng)可靠性在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都起著重要的作用。對(duì)e-應(yīng)用，電池壽命、熱耗散和小體積尺寸是主要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。選用智能器件，輔以正確的設(shè)計(jì)技巧增加了符合功率預(yù)算的可能性。盡管可編程邏輯器件（PLD）有很好的性能，然而卻以犧牲功耗為代價(jià)。Actel公司的抗熔斷型FPGA提供低功耗且高性能應(yīng)用的理想解決方案。本文涵蓋Actel eX系列以及SX/SX-A系列器件，詳細(xì)描述了器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)技巧。
　　
　　二、抗熔斷型FPGA的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
　　
　　 Actel公司的抗熔斷型FPGA是用先進(jìn)的CMOS工藝制作的，內(nèi)部采用專利的金屬-金屬抗熔斷元件?？谷蹟嗷ミB就象純金屬互連一樣，而與用晶體管開關(guān)的SRAM互連截然不同。抗熔斷結(jié)構(gòu)消除了CRAM互連開關(guān)中圖騰柱結(jié)構(gòu)的功耗，并且縮小了器件的尺寸，使全部連線資源都位于硅片的頂部。這種結(jié)構(gòu)可以更形象地用掩埋在金屬層上的“模塊海洋”來描述，極大地減少了芯片的尺寸以及開關(guān)的電阻與電容，從而降低了功耗（圖1）。
　　
　　 分段式連線資源
　　
　　 該類器件采用分段式連線資源，其容量是連線的長度，寬度和負(fù)載的函數(shù)。分段式連線較全長式短，因而電容也較小。分段結(jié)構(gòu)還允許切斷未使用連線，進(jìn)一步減小了電容。當(dāng)信號(hào)需要傳輸較長距離時(shí)，可將多個(gè)線段連接在一起，這是通過連線開關(guān)完成的。由于這類開關(guān)是快速且低功耗的，因此不會(huì)增加功耗與延時(shí)。eX以及SX/SX-A結(jié)構(gòu)采用稱為Fastconnet與Directconnect兩種創(chuàng)新的局部連線資源將邏輯塊連接在一起。此外，器件還具有由不同段長度組成的其它連線資源，以備需要較長距離的連線信號(hào)連接使用。
　　
　　 低功耗模式引腳
　　
　　 eX器件提供一個(gè)專用的低功耗引腳，這是降低功耗的又一種手段。它能關(guān)閉所有的內(nèi)部電荷泵，將靜態(tài)電流降低至幾乎為0。當(dāng)然用戶必須細(xì)心地處理某些邊緣效應(yīng)，這將在下文詳細(xì)討論。
　　
　　 細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)
　　
　　 粗晶粒PLD與FPGA邏輯的效率比Actel細(xì)晶粒邏輯塊低，因而浪費(fèi)了很多邏輯功能。Actel eX，SX/SX-A系列是在細(xì)晶粒4輸入MUX基本結(jié)構(gòu)上構(gòu)建的，且備有多個(gè)控制輸入。一個(gè)單元能實(shí)現(xiàn)多達(dá)5個(gè)輸入的邏輯功能，使邏輯映射功能更有效。這種細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)與大量的且分段的連線資源相結(jié)合，有助于在不犧牲性能的前提下降低功耗。
　　
　　 非易失性與通電時(shí)即時(shí)工作
　　
　　 由于Actel FPGA采用抗熔斷技術(shù)，本質(zhì)上是非易失性的，在通電時(shí)能即時(shí)工作，器件在通電序列中無需進(jìn)行重構(gòu)，信息是永久性編程的，信息的存儲(chǔ)與保持不消耗電流，從而減小靜態(tài)電流，降低功耗。器件不必?cái)y帶通電系統(tǒng)引導(dǎo)程序的PROM，因而是一種高性能的單片解決方案。
　　
　　三、降低功耗的設(shè)計(jì)技巧
　　
　　 基于CMOS的設(shè)計(jì)主要消耗三類切率：內(nèi)部的（短路）、漏電的（靜態(tài)的）以及開關(guān)的（電容）。當(dāng)門電路瞬變時(shí)，VDD與地之間短路連接消耗內(nèi)部功率。漏電功耗是CMOS工藝普遍存在的寄生效應(yīng)引起的。而開關(guān)功耗則是自負(fù)載電容,放電造成的。開關(guān)功耗與短路功耗合在一起稱為動(dòng)態(tài)功耗。下面介紹降低靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗的設(shè)計(jì)技巧。
　　
　　 降低靜態(tài)功耗
　　
　　 雖然靜態(tài)電流與動(dòng)態(tài)電流相比可以忽略不計(jì)，然而對(duì)電池供電的手持設(shè)備就顯得十分重要，在設(shè)備通電而不工作時(shí)更是如此。靜態(tài)電流的因素眾多，包括處于沒有完全關(guān)斷或接通的狀態(tài)下的I/O以及內(nèi)部晶體管的工作電流、內(nèi)部連線的電阻、輸入與三態(tài)電驅(qū)動(dòng)器上的拉或下拉電阻。在易失性技術(shù)中，保持編程信息也需一定的靜態(tài)功率?？谷蹟嗍且环N非易失性技術(shù)，因此信息存儲(chǔ)不消耗靜態(tài)電流。
　　
　　 下面介紹幾種降低靜態(tài)功耗的設(shè)計(jì)方法：