利用Virtex-5 FPGA實(shí)現(xiàn)最低功耗解決方案

　　過(guò)渡至65納米工藝的FPGA具備采用更小尺寸工藝所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)：低成本、高性能和更強(qiáng)的邏輯能力。盡管這些優(yōu)勢(shì)能夠?yàn)楦呒?jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)激動(dòng)人心的機(jī)會(huì)，但65納米工藝節(jié)點(diǎn)本身也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。例如，在為產(chǎn)品選擇FPGA時(shí)，功耗的考慮變得越來(lái)越重要。很可能下一代設(shè)計(jì)會(huì)需要在功耗預(yù)算不變(或更小)的情況下，集成更多的特性和實(shí)現(xiàn)更高的性能。

　　本文將分析功耗降低所帶來(lái)的益處，還將介紹Virtex-5器件中所采用的多種技術(shù)和結(jié)構(gòu)上的革新，它們能提供功耗最低的解決方案，并且不犧牲性能。

　　降低功耗的好處

　　低功耗的FPGA設(shè)計(jì)所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)不僅是能滿足器件工作的散熱要求。雖然滿足元件指標(biāo)對(duì)于性能和可靠性十分重要，但如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)對(duì)于系統(tǒng)成本和復(fù)雜性都有著巨大的影響。

　　首先，降低FPGA的功耗使設(shè)計(jì)人員能夠采用更便宜的電源，這樣的電源使用的元件數(shù)量較少，并且占用的PCB面積也較小。高性能電源系統(tǒng)的成本通常為每瓦0.5到1美元。低功耗的FPGA直接降低了系統(tǒng)的整體成本。

　　其次，由于功耗直接與散熱相關(guān)，低功耗使設(shè)計(jì)人員能夠使用更簡(jiǎn)單、更便宜的熱量管理解決方案。在很多情況下，設(shè)計(jì)者將不再需要散熱器，或者只需要更小、更便宜的散熱器。

　　最后，由于低功耗工作意味著更少的元件和更低的器件溫度，因此將提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。器件工作溫度每降低10℃，就相當(dāng)于元件壽命提高了兩倍，因此對(duì)于需要高可靠性的系統(tǒng)而言，控制功耗和溫度十分重要。

　　功耗：挑戰(zhàn)和解決方案

　　FPGA(或任何半導(dǎo)體器件)中的總功耗等于靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗之和。靜態(tài)功耗主要由晶體管的泄漏電流引起，即晶體管在邏輯上被關(guān)斷時(shí)，從源極“泄漏”到漏極或通過(guò)柵氧“泄漏”的小電流。動(dòng)態(tài)功耗是器件核心或I/O在開(kāi)關(guān)過(guò)程中消耗的能量，與頻率相關(guān)。

　　靜態(tài)功耗

　　在縮小晶體管尺寸時(shí)(例如，從90納米到65納米)，泄漏電流將會(huì)增大。新工藝節(jié)點(diǎn)所使用的短溝長(zhǎng)和薄柵氧使電流更容易從晶體管的溝道區(qū)或通過(guò)柵氧泄漏。

　　在90納米Virtex-4系列產(chǎn)品中，賽靈思公司使用了“三柵極氧化層”的工藝技術(shù)，向電路設(shè)計(jì)者提供了一種強(qiáng)有力的阻止漏電工具。在前幾代FPGA中，使用兩種柵氧厚度：薄柵氧用于FPGA核心中高性能、低工作電壓的晶體管，而厚柵氧用于I/O模塊中尺寸較大，需要承受大電壓的晶體管。簡(jiǎn)言之，“三柵極氧化層”指增加一種中間厚度柵氧的晶體管，它的漏電比薄柵氧的核心晶體管要小得多。

　　“中間柵氧”的晶體管用在器件核心外圍非關(guān)鍵性能的電路(像設(shè)置存儲(chǔ)器)或不需要對(duì)變化的柵壓進(jìn)行快速開(kāi)關(guān)響應(yīng)的電路(像傳輸門(mén))中。薄柵氧、漏電最大的晶體管只保留在需要快速開(kāi)關(guān)速度的路徑部分。結(jié)果，總的器件漏電大幅減小，同時(shí)性能比上一代FPGA有很大提高。

　　三柵極氧化層工藝使Virtex-4器件比競(jìng)爭(zhēng)性90納米FPGA在靜態(tài)功耗上平均減少了超過(guò)70%。這一結(jié)果非常成功，因此Virtex-5系列產(chǎn)品中大量使用了這一技術(shù)，在65納米工藝節(jié)點(diǎn)上降低漏電。

　　盡管業(yè)界預(yù)測(cè)65納米器件的靜態(tài)功耗將會(huì)大幅提高，但是圖1顯示了三柵極氧化層工藝使65納米Virtex器件在最壞(溫度最高)工作條件下達(dá)到了與尺寸相當(dāng)?shù)?0納米Virtex-4器件相同水平的靜態(tài)功耗。因此，Virtex-5系列產(chǎn)品和競(jìng)爭(zhēng)性高性能FPGA產(chǎn)品相比，在靜態(tài)功耗方面具有真正的優(yōu)勢(shì)。

圖1：Virtex-4與Virtex-5器件在85℃時(shí)的靜態(tài)功耗比較。

　　動(dòng)態(tài)功耗

　　動(dòng)態(tài)功耗為65納米FPGA帶來(lái)一些其它方面的挑戰(zhàn)。動(dòng)態(tài)功耗的公式為：

　　動(dòng)態(tài)功耗=C×V2×f

　　其中，C是總開(kāi)關(guān)電容、V是電源電壓、f是開(kāi)關(guān)頻率。65納米工藝使FPGA的邏輯能力和性能比傳統(tǒng)器件有了顯著提高，也就是說(shuō)更多的結(jié)點(diǎn)工作在更高的頻率上。如果其它方面的條件不變，動(dòng)態(tài)功耗將會(huì)增大。不過(guò)對(duì)于動(dòng)態(tài)功耗而言，也有一個(gè)好消息：FPGA電源電壓和結(jié)點(diǎn)電容通常在每一代新工藝中都會(huì)下降，從而使得動(dòng)態(tài)功耗比上一代FPGA有所下降。

　　Virtex-5器件中，核心電源電壓(VCCINT)從Virtex-4中所使用的1.2V下降到1.0V。由于寄生電容變小(與更小的晶體管相關(guān))，以及邏輯塊間的互聯(lián)線長(zhǎng)度變短、電容變小，使結(jié)點(diǎn)電容減小。此外，Virtex-5器件在金屬互聯(lián)層之間使用了一種介電常數(shù)較低的材料。

　　Virtex-5器件的平均結(jié)點(diǎn)電容比Virtex-4器件大約減小了15%。加上電壓降低帶來(lái)的好處，至少相當(dāng)于將Virtex-5器件的核心動(dòng)態(tài)功耗降低了35~40%。