如何讓7系列FPGA的功耗減半

　　賽靈思采用專(zhuān)為 FPGA 定制的芯片制造工藝和創(chuàng )新型統一架構，讓 7 系列 FPGA 的功耗較前一代器件降低一半以上。

　　在開(kāi)發(fā) 7 系列 FPGA 產(chǎn)品線(xiàn)的過(guò)程中，賽靈思的芯片架構師曾與數百位客戶(hù)交流過(guò)，一個(gè)話(huà)題被客戶(hù)反復提及，那就是功耗問(wèn)題。正因為客戶(hù)有如此明確的要求，賽靈思在設計這款今年 3 月開(kāi)始向客戶(hù)功耗的最新一代 28nm FPGA 時(shí)，把降低功耗和功耗管理視為優(yōu)先考慮的問(wèn)題。事實(shí)上，賽靈思 7 系列 FPGA 的功耗僅為前一代器件的一半，與此同時(shí)邏輯性能、I/O 性能顯著(zhù)提升，收發(fā)器性達到了 28Gbps，且邏輯容量創(chuàng )下了新高(見(jiàn)視頻)。

　　功耗下降的關(guān)鍵原因是賽靈思為 7 系列 FPGA 選用了臺積電 (TSMC) 的 28nm HPL 工藝，該工藝是賽靈思和 TSMC 專(zhuān)門(mén)針對 FPGA 合作開(kāi)發(fā)的。除了在功耗方面具有眾多內在優(yōu)勢外，該工藝還有可靈活支持功率分級和電壓調節功能，而這兩種功能是采用其它工藝實(shí)現的 FPGA 所不具備的。除了選擇理想的 FPGA 工藝外，賽靈思還優(yōu)化了器件架構，以進(jìn)一步降低功耗。

　　賽靈思將發(fā)布改進(jìn)后的電源分析工具，幫助設計人員評估賽靈思 FPGA 的功耗特性。

　　重中之重

　　功耗管理無(wú)疑已成為大多數 FPGA 用戶(hù)最為關(guān)心的問(wèn)題。在過(guò)去，如果一個(gè)系統使用的是普通電源供電，只要客戶(hù)能夠將其插在電源插座上正常使用，他們就會(huì )很滿(mǎn)意，在選擇 FPGA 時(shí)，我們根本不必過(guò)分關(guān)注 FPGA 的功耗問(wèn)題，只需考慮 FPGA 的性能和容量就可以。不過(guò)，事情已經(jīng)發(fā)生了變化。

　　在過(guò)去 10 年中，行業(yè)已經(jīng)步入了新的、速度更快的半導體制造工藝時(shí)代，但這些工藝存在嚴重的不足，那就是晶體管的漏電流問(wèn)題。同時(shí)，系統制造商希望通過(guò)提供低功耗的產(chǎn)品來(lái)降低總體擁有成本或使用成本，從而實(shí)現產(chǎn)品的差異化，同時(shí)，開(kāi)發(fā)出大量需要直流供電(電池供電系統)的創(chuàng )新型新產(chǎn)品。因此，降低功耗和投入功耗管理系統是大多數客戶(hù)所必須面對的，即便他們的目標不是手持設備。不管愿意與否，都必須關(guān)注功耗問(wèn)題。

　　Navbeet Rao

　　連接功能設計平臺部產(chǎn)品經(jīng)理

　　以人為本的供電

　　在 130nm 工藝節點(diǎn)下，IC 上的晶體管開(kāi)始消耗電力，即便用戶(hù)將系統置于“待機”或“休眠”模式。這種不必要的電力消耗(常稱(chēng)為靜態(tài)功耗或靜態(tài)漏電流)隨著(zhù) 90nm、65nm 和45nm 工藝的推出日益嚴重。在 45nm 節點(diǎn)下，最糟糕時(shí)，靜態(tài)功耗占到了一般芯片功耗的 30% 到 60%。其余的才是動(dòng)態(tài)功耗，即器件運行其實(shí)際設計用于處理的操作時(shí)消耗的電力。芯片性能越高，要求的晶體管性能越高，漏電流就越嚴重。

　　浪費電力當然不是件好事，但靜態(tài)功耗還會(huì )導致一個(gè)更嚴重的后果，即產(chǎn)生熱量。這種熱量加上動(dòng)態(tài)功耗產(chǎn)生的熱量，會(huì )讓晶體管漏電更嚴重，反過(guò)來(lái)產(chǎn)生的熱量更多。這樣會(huì )導致更大的漏電流，陷入惡性循環(huán)。如果不進(jìn)行適當的冷卻和功耗預算，聽(tīng)之任之，這種漏電流生熱，熱導致更多漏電流的惡性循環(huán)會(huì )縮短 IC 的使用壽命，甚至引發(fā)熱失控，突然導致災難性的系統故障。據廣泛報道，這是微軟初始版本 Xbox 360的核心器件 Nvidia ASIC 的常見(jiàn)問(wèn)題，導致大規模的召回和重新設計。

　　許多設計小組不得不自己想盡辦法來(lái)解決靜態(tài)功耗引發(fā)的問(wèn)題。部分設計人員采用了“時(shí)鐘和電源門(mén)控”等方法，或在設計中采用“電源島”。眾多其他設計團隊則在系統中添加散熱片、風(fēng)扇，甚至制冷電路和更大的功率電路，以供冷卻使用，從而應對漏電流問(wèn)題。但所有這些措施都會(huì )增加項目設計的材料清單成本和人力成本。

　　除了行業(yè)范圍內普遍對漏電流的擔憂(yōu)，部分企業(yè)降低功耗還有自己的原因。許多企業(yè)現在要么正舉著(zhù)“環(huán)保大旗”，要么就是簡(jiǎn)單地想讓自己的產(chǎn)品差異化，標榜采用比同類(lèi)競爭系統功耗低的系統，可減少電費支出，具有更低的總擁有成本或運行成本。這對網(wǎng)絡(luò )和高性能計算來(lái)說(shuō)尤其如此，它們需要大型高散熱系統全天候可靠運行。這些計算集群及其冷卻系統的用電成本極高，所以如果每顆芯片能夠節電幾瓦，加起來(lái)就非?？捎^(guān)。當然，任何電池供電的系統都把功耗視為優(yōu)先考慮因素，因為功耗會(huì )直接影響電池充電或更換前的運行時(shí)間長(cháng)短。

　　雖然 FPGA 要在商用移動(dòng)電話(huà)(為數不多的產(chǎn)品銷(xiāo)售數量大到適合采用 ASIC 設計的市場(chǎng)之一)中得到廣泛應用還有一段路要走，使用 FPGA 的低功耗應用已經(jīng)如雨后春筍般涌現出來(lái)，其中包括車(chē)載信息娛樂(lè )系統、駕駛員輔助系統、戰士戰場(chǎng)安全通信電子設備、手持移動(dòng)醫療設備、3D 電視和電影攝像機、飛行器和太空探索器。