如何讓7系列FPGA的功耗減半

　　降低動(dòng)態(tài)功耗

　　賽靈思功耗專(zhuān)家兼杰出工程師 Matt Klein 一直參與賽靈思 FPGA 的降耗工作。他說(shuō) FPGA邏輯的動(dòng)態(tài)功耗可根據標準“CV平方f”等式計算得出：

　　動(dòng)態(tài)功耗 = μ xfclk x CL x VDD2

　　等式中的“C”即電容。賽靈思 FPGA 中眾多模塊的架構經(jīng)過(guò)精心設計，可大幅降低電容，從而能夠實(shí)現較低的動(dòng)態(tài)功耗。賽靈思還對部分模塊的架構進(jìn)行了重新設計，使之更緊湊，電容得到了進(jìn)一步降低。Klein 說(shuō)：“賽靈思 FPGA 中部分模塊(包括 DSP48 模塊)的動(dòng)態(tài)功耗均低于其他 28nm FPGA 中的模塊，即使是工作在高于 0.85V 的標準 1V 電壓下。使用賽靈思提供的電壓調節功能，還可以進(jìn)一步降低動(dòng)態(tài)功耗。”另外他還提到，fclk，即頻率，會(huì )呈“線(xiàn)性方式”影響動(dòng)態(tài)功耗。

　　Klein 說(shuō)，用戶(hù)也可以放大“阿爾法”，即他們的設計的活動(dòng)因數，采用智能時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)來(lái)降低動(dòng)態(tài)功耗。運用這種方法，設計人員可以控制給定模塊的活動(dòng)。但是，這種技術(shù)的實(shí)現需要花費相當長(cháng)的時(shí)間，特別是在大型 FPGA 設計中，所以大多數 FPGA 用戶(hù)一般不會(huì )使用。

　　但是 Klein 表示還有其他的辦法。他說(shuō)所有的 7 系列 FPGA 都有時(shí)鐘分層結構，可以讓設計人員在蓋頂設計中編程，只啟用需要的時(shí)鐘資源。這樣可以大幅地降低時(shí)鐘負載功耗。另外，設計人員還可以分三級進(jìn)行時(shí)鐘門(mén)控：全局時(shí)鐘門(mén)控、區域時(shí)鐘門(mén)控，以及借助本地資源(比如觸發(fā)器)上的時(shí)鐘使能 (CE) 信號實(shí)現的時(shí)鐘門(mén)控。

　　Klein 說(shuō)：“在賽靈思 FPGA 中，每個(gè) slice 上基本有 8 個(gè)觸發(fā)器，它們共享一個(gè)通用的時(shí)鐘使能端信號，不過(guò)與以往的架構不同，這個(gè)時(shí)鐘使能端信號用于在本地門(mén)控時(shí)鐘，同時(shí)阻止觸發(fā)器翻轉?，F在采用這種硬件，ISE 設計工具會(huì )尋找觸發(fā)器輸出未被下游目標使用的情況，自動(dòng)抑制不必要的開(kāi)關(guān)操作。這可通過(guò)邏輯檢查和后綜合來(lái)完成。隨后 ISE 設計工具生成本地時(shí)鐘使能端信號。用戶(hù)可以在映射階段使用 -power high 或者 -power XE 選項來(lái)激活這些功能。

　　Klein 表示，這種自動(dòng)智能時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)可將邏輯動(dòng)態(tài)功耗降低多達 30%(平均達到18%)。他說(shuō)：“用于生成智能邏輯門(mén)控的邏輯門(mén)數不到總邏輯門(mén)數的 1%，所以對降低動(dòng)態(tài)功耗來(lái)說(shuō)是個(gè)福音。”

　　用戶(hù)還可對 block RAM 模塊采用智能時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)。大多數設計人員和綜合工具會(huì )把 block RAM 模塊的時(shí)鐘使能端置于靜態(tài)的“1”。Klein 建議考慮一下有地址輸入和數據輸出的 block RAM 模塊。輸出的數據可能會(huì )被下游使用，但有時(shí)是通過(guò)被稱(chēng)為“sel”的多路復用器控制信號選中。首先，如果沒(méi)有發(fā)生寫(xiě)入或者讀取地址自上一個(gè)周期以來(lái)沒(méi)有變動(dòng)，就不必啟用 block RAM 模塊。其次，如果在給定周期內系統沒(méi)有使用 block RAM 模塊的輸出，就不必為讀取而啟用 block RAM 模塊。

　　與生成觸發(fā)器時(shí)鐘使能信號的方法類(lèi)似，ISE 會(huì )自動(dòng)逐周期地生成時(shí)鐘使能 (CE) 信號。Klein 說(shuō)：“對 block RAM 模塊來(lái)說(shuō)，降耗水平更為明顯。我們發(fā)現 block RAM 模塊最高降耗幅度達 70%，平均也有 30%，同時(shí)邏輯開(kāi)銷(xiāo)微乎其微。賽靈思還提供 CORE GeneratorTM 和 XST 供用戶(hù)選擇，用于構建高能效 block RAM 模塊陣列，可將陣列中 block RAM 模塊的功耗降低多達 75%。”

　　降低 I/O 功耗

　　當然，總體系統功耗的范疇不局限于靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗，還包括另外兩種類(lèi)型的功耗，即I/O 功耗和收發(fā)器功耗。

　　為降低高速 I/O 的功耗，賽靈思新增了多模 I/O 控制功能，并對其收發(fā)器的架構進(jìn)行了重新設計。Klein 表示，多模 I/O 控制功能能夠顯著(zhù)降低 I/O 耗電，尤其是對存儲器接口而言。在存儲器寫(xiě)入狀態(tài)下最高可節電 50%，而在存儲器閑置狀態(tài)下最高則可節電 75%。

　　這些新的 I/O 降耗功能中第一種功能在存儲器寫(xiě)操作過(guò)程中很有價(jià)值：在寫(xiě)入到諸如 DDR2 和 DDR3等外部存儲器器件過(guò)程中，I/O 硬件會(huì )自動(dòng)禁用 IBUF(輸入緩存)。Klein 說(shuō)：“由于輸入緩存是一個(gè)參考接收器，不管翻轉率是多少，它都會(huì )消耗直流電。所以現在在存儲器寫(xiě)操作過(guò)程中，直流電被切斷，節電幅度與寫(xiě)入比例成比例。與僅禁用終端相比，在存儲器寫(xiě)操作過(guò)程中，多模 I/O 控制功能可讓總體功耗多節省一半。”

　　所有 7 系列 FPGA 采用的第二個(gè) I/O 降耗功能是用戶(hù)能夠在存儲器總線(xiàn)閑置時(shí)禁用 IBUF和終端。Klein 說(shuō)：“一般來(lái)說(shuō)，在總線(xiàn)閑置期間應離開(kāi)存儲器總線(xiàn)，但這樣看上去像存儲器讀操作。如果沒(méi)有這種[禁用]功能，終端和 IBUF 都會(huì )消耗電力。禁用比啟用終端和輸入接收器時(shí)，7 系列 FPGA 的 I/O 功耗可降低 75%。”

　　賽靈思還把 VCCAUX 電壓從 2.5V 降至 1.8V，這樣可以將 PLL、IDELAY、輸入/輸出緩存和配置邏輯等所有用 VCCAUX 供電的模塊的功耗降低近 30%。

　　對高性能存儲器接口而言，7 系列 FPGA 相對 Virtex-6 及其它 FPGA 新增的這些功能帶來(lái)了巨大優(yōu)勢。

　　降低收發(fā)器功耗

　　在器件總體功耗中，收發(fā)器的功耗也占著(zhù)較大的比例。Myron 表示，賽靈思首次宣布用其 XPower Estimator (XPE) 工具測得的 7 系列功耗估計值時(shí)，最初提供的收發(fā)器功耗值相當保守。自那時(shí)起，賽靈思又對 GTP 和 GTH 收發(fā)器的功耗進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，并將其工具與芯片結果相關(guān)聯(lián)。最新版本的 XPE(13.2 版)能夠更加準確地反映新的功耗值。

　　Myron 說(shuō)：“在相同性能水平下，Artix-7 GTP(性能高達 6.75Gbps)收發(fā)器的總體功耗比 Spartan-6 GTP 的低 60%。我們這樣做的目的，是為了滿(mǎn)足要求絕對最低功耗和最低成本的低端市場(chǎng)的需求。我們還大幅降低了 Virtex-7 GTH 的功耗。”7 系列 FPGA 這個(gè)器件集成有多達 96 個(gè)收發(fā)器，用于高帶寬應用。他說(shuō)：“在收發(fā)器功耗成為總體功耗的主要組成部分的情況下，這項性能讓我們與同類(lèi) 28nm 競爭產(chǎn)品的收發(fā)器功耗不相伯仲。”