Xilinx FPGA的功耗優(yōu)化設計

對于FPGA來(lái)說(shuō)，設計人員可以充分利用其可編程能力以及相關(guān)的工具來(lái)準確估算功耗，然后再通過(guò)優(yōu)化技術(shù)來(lái)使FPGA設計以及相應的PCB板在功率方面效率更高。
靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗及其變化

在90nm工藝時(shí)，電流泄漏問(wèn)題對ASIC和FPGA都變得相當嚴重。在65nm工藝下，這一問(wèn)題更具挑戰性。為獲得更高的晶體管性能，必須降低閾值電壓，但同時(shí)也加大了電流泄漏。Xilinx公司在降低電流泄漏方面做了許多努力，盡管如此，源于泄漏的靜態(tài)功耗在最差和典型工藝條件下的變化仍然有2:1。泄漏功耗受內核電壓（VCCINT）的影響很大，大約與其立方成比例，哪怕VCCINT僅上升5%，靜態(tài)功耗就會(huì )提高約15%。最后，泄漏電流還與結（或芯片）溫密切相關(guān)。

FPGA中靜態(tài)功耗的其它來(lái)源是工作電路的直流電流，但在很大程度上，這部分電流隨工藝和溫度的變化不大。例如I/O電源（如HSTL、SSTL和LVDS等I/O標準的端接電壓）以及LVDS等電流驅動(dòng)型I/O的直流電流。有些FPGA模擬模塊也帶來(lái)靜態(tài)功耗，但同樣與工藝和溫度的關(guān)系不大。例如，Xilinx FPGA中用來(lái)控制時(shí)鐘的數字時(shí)鐘管理器（DCM）；Xilinx Virtex-5 FPGA中的鎖相環(huán)（PLL）；以及Xilinx FPGA中用于輸入和輸出信息可編程延遲的單元IODELAY。

動(dòng)態(tài)功耗是指FPGA內核或I/O的開(kāi)關(guān)活動(dòng)引起的功耗。為計算動(dòng)態(tài)功耗，必須知道開(kāi)關(guān)晶體管和連線(xiàn)的數量、電容和開(kāi)關(guān)頻率。FPGA中，晶體管在金屬連線(xiàn)間實(shí)現邏輯和可編程互連。電容則包括晶體管寄生電容和金屬互連線(xiàn)電容。

動(dòng)態(tài)功率的公式：PDYNAMIC=nCV2f，其中，n=開(kāi)關(guān)結點(diǎn)的數量，C=電容，V=電壓擺幅，f=開(kāi)關(guān)頻率。

更緊湊的邏輯封裝（通過(guò)內部FPGA架構改變）可以減少開(kāi)關(guān)晶體管的數量。采用更小尺寸的晶體管可以縮短晶體管之間的連線(xiàn)長(cháng)度，從而降低動(dòng)態(tài)功率。因此，Virtex-5 FPGA中的65nm晶體管柵極電容更小、互連線(xiàn)長(cháng)度也更短。兩者結合起來(lái)可將結點(diǎn)的電容減小約15%至20%，這可進(jìn)一步降低動(dòng)態(tài)功率。

電壓對于動(dòng)態(tài)功率也有影響。從90nm轉向65nm工藝，僅僅通過(guò)將VCCINT從1.2V降至1V，Virtex-5 FPGA設計的動(dòng)態(tài)功率就降低了約30%。再加上結構增強帶來(lái)的功率降低，總的動(dòng)態(tài)功耗比90nm技術(shù)時(shí)降低達40%至50%。

（注：動(dòng)態(tài)功率與VCCINT的平方成正比，但對于FPGA內核來(lái)說(shuō)基本上與溫度和工藝無(wú)關(guān)。）

利用FPGA設計技術(shù)降低功耗

Xilinx公司提供了兩款功率分析工具。XPower Estimator (XPE)電子數據表工具可在設計人員使用物理實(shí)施工具前使用。在設計物理實(shí)施完成后，則可以采用第二款工具XPower Analyzer來(lái)檢查所做的改變對功耗的影響。

降低功耗的一種方法就是為設計選擇最適用的FPGA，然后利用其可編程能力進(jìn)一步優(yōu)化設計的功耗。正確的設計選擇會(huì )同時(shí)改善靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗。

源于泄漏電流的靜態(tài)功率正比于邏輯資源的數量，也就是說(shuō)正比于構造特定FPGA所使用的晶體管數量。因此，如果減少所使用的FPGA資源，采用更小的器件實(shí)現設計，那么就可以降低靜態(tài)功耗。

可以采用多種方法來(lái)降低設計的規模，最基本的一種技巧就是邏輯功能分時(shí)。也就是說(shuō)，如果兩組電路完成一組線(xiàn)性功能，并且彼此完全相同，那么就可以只用一組電路但將速率提高一倍來(lái)完成同樣的功能。這樣需要的邏輯資源就減少了一半。

另一種縮小邏輯規模的方法是利用Xilinx FPGA的部分重配置功能，當兩部分電路不同時(shí)工作時(shí)，可以在某個(gè)時(shí)間段將某部分電路重新配置實(shí)現另一種電路功能。

同時(shí)，還可以將功能移動(dòng)到不太受限制的資源，例如，將狀態(tài)機轉移到BRAM、或者將計數器轉移到DSP48模塊、寄存器轉移到移位寄存器邏輯，以及將BRAM轉移到查找表RAM（LUTRAM）。同時(shí)還可以保證不要讓設計的時(shí)序太緊張，因為那樣會(huì )需要更多的邏輯和寄存器。

此外，還應當充分發(fā)揮FPGA架構中集成的硬IP塊（BRAM、DSP、FIFO、Ethernet MAC、PCI Express）的優(yōu)點(diǎn)。