基于Freeze技術(shù)的低功耗設計

由于更嚴格的功耗限制、規范和標準要求，系統設計師現在比什么時(shí)候都關(guān)注功耗問(wèn)題。對于下一代的設計，功耗預算通常得到穩定的控制，或者降低，但卻增加了更多的特性和處理能力需求。通常，盡管產(chǎn)品特性和性能需求不斷增加，功耗預算還是很緊張，功能和性能的增加與降低功耗的目的是相矛盾的。摩爾定律效應縮小了工藝的尺寸加大了功耗問(wèn)題，而且由于高的晶體管泄漏增加了靜態(tài)功耗。

如數碼相機、無(wú)線(xiàn)手持設備、智能電話(huà)和多媒體播放器這些電池供電應用的增長(cháng)，推動(dòng)了對低功耗半導體器件的需求。這種需求的爆發(fā)性增長(cháng)加之對節能的不斷提高的要求，特別是與電池壽命相關(guān)的節能要求，導致對低功耗半導體技術(shù)的全球性需求。其結果是，半導體設計師開(kāi)始研究如何在不增加系統的功率條件下，不斷地提高性能、降低成本并延長(cháng)電池的壽命。

需要低功耗的半導體技術(shù)的應用可以是電池供電的電器、具有可靠性考慮的熱敏感應用，或者具有嚴格功率預算以及冷卻方法受限的交流電供電應用。需要低功耗解決方案的應用包括從便攜式電子產(chǎn)品到工業(yè)測試和測量設備，以及可移動(dòng)的醫療電子設備和汽車(chē)應用以及軍用和航空應用。

對于這些應用，可以使系統快速進(jìn)入和退出低功耗模式，最終獲得最低的功耗和很長(cháng)的系統空閑時(shí)間。其它的考慮包括設計安全性、原型建立、外形尺寸、設計復用以及現場(chǎng)可升級能力。
傳統上，專(zhuān)用集成電路(ASIC)和復雜的可編程邏輯器件(CPLD)解決了便攜式市場(chǎng)的需求。然而，當今某些低功耗應用中所使用的CPLD開(kāi)始失去其魅力，這主要因為對更高端特性的需求增加、需要額外的邏輯以及相對較高成本導致。由于產(chǎn)品面市時(shí)間更長(cháng)，并且在滿(mǎn)足不斷變化的標準以及后期的設計修改上缺乏足夠的靈活性，使用ASIC的風(fēng)險變得更高，常常對于某些便攜式應用來(lái)說(shuō)并不適用，這些應用的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)改變導致更傾向于采用低功耗的PLD和FPGA。

這樣一來(lái)，隨著(zhù)終端產(chǎn)品壽命縮短、競爭加劇以及產(chǎn)品上市時(shí)間對產(chǎn)品的成功有極大的影響，可編程的半導體平臺成為首先的解決方案。使用可編程解決方案是最容易的，且最快上市、獲利的。然而，這些可編程平臺還應該滿(mǎn)足所有其它的設計要求，例如成本、功能和性能、尺寸、安全性，以及必然的功率問(wèn)題。市場(chǎng)研究公司iSuppli預測，20億美元的ASIC市場(chǎng)可能有3億美元的分額轉移到低功耗現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)解決方案。

可編程、全功能的FPGA，例如基于閃存的Actel IGLOO系列能滿(mǎn)足便攜式應用市場(chǎng)的短產(chǎn)品壽命周期和激烈的競爭問(wèn)題。這些器件能滿(mǎn)足便攜式應用設計需求，例如以ASIC水平的單位成本實(shí)現最高的設計安全性、小的產(chǎn)品尺寸、上電即用(LAPU)、短的產(chǎn)品上市時(shí)間，使之成為ASIC和CPLD最具吸引力的替代產(chǎn)品?？删幊虇涡酒盗械撵o態(tài)功耗僅僅5?W，與其最接近的競爭產(chǎn)品相比較，靜態(tài)功耗降低4倍，與領(lǐng)先的可編程邏輯器件相比，便攜式應用可以實(shí)現超過(guò)5倍的電池壽命，為低功耗設定了新的標桿。

為實(shí)現這樣的低功耗，同時(shí)保持FPGA內容，該系列采用了Flash*Freeze技術(shù)，允許器件進(jìn)入和退出超低功耗模式。
IGLOO器件不需要額的元件就能關(guān)斷I/O或時(shí)鐘，同時(shí)保持設計信息、SRAM內容和寄存器。Flash*Freeze技術(shù)與在系統可編程特性相結合，允許用戶(hù)在制造后期或應用中很快、輕易地升級和更新設計。支持1.2V內核電壓還可以進(jìn)一步降低功耗，從而獲得最低的總系統功耗。
Flash*Freeze技術(shù)允許用戶(hù)讓所有連接到該器件的電源、I/O和時(shí)鐘處于正常的工作狀態(tài)。當器件進(jìn)入Flash*Freeze模式時(shí)，器件將自動(dòng)地關(guān)斷時(shí)鐘以及到FPGA內核的輸入；當器件退出Flash*Freeze模式時(shí)，所有的活動(dòng)都將恢復，數據得到保留。這種低功耗特性加之可編程特性、單芯片、單電壓和小的尺寸，使得IGLOO器件最適合便攜式電子產(chǎn)品。

通過(guò)很多種方法來(lái)進(jìn)行設計以使可用功率最大化，可以使用其它的低功耗模式。低功耗激活功能(靜態(tài)空閑)允許器件在系統中通過(guò)保持I/O、SRAM和寄存器以及邏輯功能的條件下，完全正常執行功能的同時(shí)，保持超低的功耗。這樣就允許器件根據外部輸入來(lái)管理系統功耗(即掃描鍵盤(pán)激勵)，而功耗最低?；蛘?，在睡眠模式下，在FPGA內核電壓關(guān)斷時(shí)，更大的設備可以實(shí)現最大的功耗節省。這種基于閃存的解決方案的上電可用的獨特特性，可以使系統從睡眠模式下快速地喚醒。

而且，像數碼相機、智能手機和MP3播放器這樣的手持設備通常都采用高端的嵌入式處理器。這些嵌入式處理器需要與一種或幾種常用的存儲接口一起工作，例如IDE、CE-ATA、SDIO或CF。因此，迫切需要有效的存儲器接口管理，將處理器負責的這些任務(wù)卸載到低功耗的可編程FPGA上。這些器件可以很容易地管理VLIO或AMBA總線(xiàn)與不同類(lèi)的存儲器之間的接口。

本文小結

越來(lái)越嚴格的功耗限制、規范和標準給系統總功耗設定了一個(gè)緊箍咒，系統設計師正在面臨越來(lái)越大的挑戰。此外，終端產(chǎn)品需要更多的功能和更高的處理能力，這些都會(huì )導致功耗的增加，而不是降低。基于閃存的全功能可編程FPGA越來(lái)越多地成為便攜式市場(chǎng)的首選解決方案。這些新出現的產(chǎn)品滿(mǎn)足便攜式市場(chǎng)嚴格的設計要求，例如以ASIC的單位成本，獲得低功耗、最大的設計安全性、小的外形尺寸、上電即用以及快速面市的好處，成為傳統ASIC和CPLD解決方案具有吸引了的替代方案。