在選用FPGA進行設計時降低功耗的方法

如今，各種規(guī)范和標準都對系統的整體功耗提出了越來越嚴格的要求，以至于系統設計師面臨越來越艱巨的挑戰(zhàn)。

傳統意義上，ASIC和CPLD是低功耗競爭中當仁不讓的贏家。但是由于相對成本較高，且用戶對高端性能和額外邏輯的要求也越來越多，在低功耗應用中使用CPLD正在失去優(yōu)勢。ASIC也面臨相同的風險。而例如FPGA這樣日益增長的可編程半導體器件正逐步成為備受青睞的解決方案。

開始創(chuàng)建一個新的設計時，物料清單、成本、功耗、電路板尺寸和上市時間都是要認真考慮的因素。在排定初始要求的優(yōu)先順序后，在選擇FPGA進行系統設計之前，設計師還需要考慮多種因素。

應該

1. 列出你的設計要點。要考慮FPGA在高速、低速或時鐘停止情況下的運行時間分別有多長？還要考慮如果器件睡眠時間較長，那么在更高時鐘頻點的突發(fā)模式處理可以達到要求的吞吐量嗎？讓設計在較低的時鐘頻率下運行更長的時間是不是更好的選擇呢？針對這一過程，FPGA供應商提供了功率分析和預測的輔助工具，但一些工具的分析結果較之實際情況顯得過于樂觀。

2. 對每一個產品狀態(tài)都要計算功耗。要計算覆蓋整個產品生命周期或預期電池工作時間內的所有狀態(tài)下的功耗，要考慮到上電、待機、空閑、動態(tài)和斷電等多種狀態(tài)。一個應用于具有Wi-Fi通信功能的用戶手持設備中的FPGA，其可能只有5%的時間處于工作模式，其它20%的時間處于靜態(tài)，而75%的時間則處于待機狀態(tài)。

計算最壞情況下的靜態(tài)功耗。較新的FPGA技術可能具有超出設計師想像的靜態(tài)功耗，尤其是在過溫條件下。確?？紤]了內核、I/O和任何輔助電源。當計算靜態(tài)功耗時，對每個元件都要應用P=IV計算功耗。

3. 分析可預料的溫度和電壓變化要覆蓋整個產品功耗剖析過程。產品運行期間的熱量和電壓變化需要計算在內。

4. 估算系統每種工作模式(如短期的高性能工作，長期的低性能工作) 下的電池的工作時間，進而確定最佳的選擇。

圖：與其它半導體器件不同，FPGA有著一些獨特的功率特性。

不應該

1. 忘記使用低功率模式時需要考慮的因素。一些節(jié)電模式要求實現時考慮電路板尺寸，因此要求設計應該能夠適應這種情況。一些模式不適合被使用，是因為實現過程過于復雜，而且在設備進入或離開某個模式時需要等待一段長到無法容忍的時間。例如，SRAM或SRAM混合FPGA提供的低功率模式要求器件重配置，此時的功耗可上涌至1W。

2. 讓用戶靜態(tài)RAM和高I/O電壓吸收過多的功率。當使用本地或區(qū)域時鐘源創(chuàng)建時鐘區(qū)域時，要使用“enabled”邏輯屏蔽系統中的時鐘變化。用戶靜態(tài)RAM可能會吸收過多的功率，因此要選用能少用RAM的技術。I/O也會吸收大量功率，因此建議使用低電壓的TTL標準和較低的I/O電壓。采用串行低壓差分信號片到片數據傳輸要比片外并行總線節(jié)省更多的功率，而它可以采用雙倍數據速率寄存器實現。進一步檢查元件能否被集成或者功能能否被精簡，而較大的FPGA可以容納微控制器軟核，這些都可以節(jié)省功耗。

3. 僅依賴于測量得到的功率數據。要根據理論和功率模擬器的數字進行計算，并了解這些數字是如何得來的。這些數字考慮了硅片變化嗎？要記住，今天在平臺上測得的結果與明天交付的低功率器件的實際表現可能有很大的出入。因此只根據測量數據計算功率時要十分小心。

4. 遺漏額外元件的功耗值。有時用某種FPGA技術實現解決方案可能需要額外的元件。例如，自啟動設計可能需要用到存儲器，而非易失性FPGA可提供單片實現方案。