FPGA設計中功耗的分析與仿真

FPGA的應用越來(lái)越廣泛，隨著(zhù)制造工藝水平的不斷提升，越來(lái)越高的器件密度以及性能使得功耗因數在FPGA設計中越來(lái)越重要。器件中元件模塊的種類(lèi)和數量對FPGA設計中功耗的動(dòng)態(tài)范圍影響較大，對FPGA的電源功耗進(jìn)行了分析，并介紹了如何利用Altera公司的PowerPlay Early Power Estimator這一工具在設計前期盡可能準確地估計功耗并通過(guò)估計功耗對硬件設計進(jìn)行優(yōu)化選擇。

0 引 言

當前FPGA應用越來(lái)越廣泛，在高性能FPGA設計中，越來(lái)越高的器件密度以及性能使得功耗因數更加重要。大規模器件在實(shí)現更多的系統功能，以更高的速度運行并完成更高級的功能的同時(shí)，功耗必然會(huì )更大。開(kāi)發(fā)者在面對此類(lèi)設計時(shí)會(huì )在功耗方面遇到很多挑戰。對通過(guò)芯片重新編程就能夠修改的FPGA設計，在設計過(guò)程中盡早完成電源供電和散熱方案的設計有利于加速整個(gè)系統的實(shí)現。設計中系統組件應保持在一定的功耗預算范圍內，如果超出預算則需要重新設計供電電源及散熱方案，這會(huì )延長(cháng)設計周期。同時(shí)較大的電源和散熱硬件會(huì )增加成本，降低功耗也就降低了系統總成本。并且當設計中需要的風(fēng)扇和散熱硬件越多，系統故障的概率就越大，這將影響系統的可靠性。綜上所述，做好早期功率估算具有重大意義。

1 FPGA器件功耗分析

當前，隨著(zhù)FPGA器件的封裝尺寸越來(lái)越小，密度越來(lái)越大，同時(shí)系統對器件的性能和可靠性要求不斷提高，功耗預算對電源方案，散熱方案及系統故障影響的問(wèn)題已不容忽視。

1.1 功耗的組成

功耗一般由兩部分組成：靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。靜態(tài)功耗也稱(chēng)為待機功耗，是指邏輯門(mén)沒(méi)有開(kāi)關(guān)活動(dòng)時(shí)的功率消耗，主要是由晶體管的漏電流引起，由源極到漏極的漏電流以及柵極到襯底的漏電流組成，圖1中靜態(tài)部分顯示了器件的靜態(tài)功耗。圖中最后階段顯示的是器件正常工作時(shí)的功耗，工作功耗同時(shí)包括靜態(tài)功耗，I/O以及動(dòng)態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗是指邏輯門(mén)開(kāi)關(guān)活動(dòng)時(shí)的功率消耗，主要由電容充放電引起，其主要的影響參數是電壓、節點(diǎn)電容、工作頻率和資源使用情況，不同設計時(shí)期的動(dòng)態(tài)功耗和相應的總功耗會(huì )有很大的差別。在傳統器件中動(dòng)態(tài)功耗占據主要地位，但在新的28 nm工藝的器件中，靜態(tài)功耗的比重增長(cháng)很大，基本和動(dòng)態(tài)功耗處于同等地位。同時(shí)根據FPGA設計面向對象的不同，功耗的比重也會(huì )有差別。當設計面向算法時(shí)，動(dòng)態(tài)功耗將占較多比重，當設計面向控制功能時(shí)，靜態(tài)功耗將占較多的比重。

圖1 器件功耗監測圖

1.2 靜態(tài)功耗

靜態(tài)功耗的產(chǎn)生主要取決于所選的FPGA產(chǎn)品，一般不會(huì )隨著(zhù)設計資源的使用情況而變化，但是靜態(tài)功耗也會(huì )受到器件所選擇的工作模式、I/O的使用、工作溫度以及所選器件電源的影響。使用邏輯單元較多的器件含有較多的晶體管，因此其靜態(tài)功耗會(huì )高一些，所以設計者應查看所選器件的數據資料，詳細了解其靜態(tài)功耗。在不同溫度環(huán)境中，靜態(tài)功耗也會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而增大，此時(shí)高效的散熱解決方案能有效地解決這一問(wèn)題。因此在設計電源時(shí)，應針對選擇的器件和工作環(huán)境，選擇適合的靜態(tài)功耗規范。

1.3 動(dòng)態(tài)功耗

不同的設計有不同的動(dòng)態(tài)功耗，當開(kāi)發(fā)低功耗FPGA設計時(shí)，動(dòng)態(tài)功耗是更可控的功耗分量，如下式：

影響動(dòng)態(tài)功耗的因素包括：器件中晶體管電容充電，工作電壓，晶體管開(kāi)關(guān)的瞬間短路電流功耗，設計的工作頻率，以及被稱(chēng)為電路活動(dòng)的每一時(shí)鐘周期觸發(fā)器開(kāi)關(guān)的次數。設計人員根據設計要求決定工作電壓，工作頻率以及信號活動(dòng)。信號活動(dòng)包括觸發(fā)率和靜態(tài)概率。信號觸發(fā)率是精確估算動(dòng)態(tài)功耗的關(guān)鍵因素，隨著(zhù)觸發(fā)率的增加，動(dòng)態(tài)功耗也線(xiàn)性增大。而靜態(tài)概率主要影響靜態(tài)功耗。

1.4 低功耗的優(yōu)點(diǎn)

低功耗器件的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾項：首先可以選用低成本的電源系統，進(jìn)而可以使用更少的元件和更小的PCB板面積，為設計節約了成本。其次低功耗器件引起的結溫更小，因此可以防止熱失控，可以少用或不用散熱器，而且結溫的降低可以提高系統的可靠性。最后低功耗可以延長(cháng)器件的使用壽命，器件的工作溫度每降低10 ℃，使用壽命延長(cháng)1倍。因此，在FPGA設計中，降低功耗直接提高了整個(gè)系統的性能和質(zhì)量并降低了成本，對系統的開(kāi)發(fā)有積極作用。

通過(guò)對FPGA功耗的相關(guān)組成和影響功耗相關(guān)因素的分析，設計者通過(guò)優(yōu)化設計，可以在FPGA設計中實(shí)現低功耗。通過(guò)一款具體的FPGA產(chǎn)品了解其低功耗的解決方式，可以為設計者提供指導。FPGA均可在相應的操作環(huán)境下進(jìn)行仿真，從而了解功耗的具體使用情況，針對相應的情況進(jìn)行修改。

2 對功耗進(jìn)行仿真建模

設計的早期，盡可能快地估算系統功耗使用情況，有助于開(kāi)發(fā)人員加快產(chǎn)品設計進(jìn)度，方便快捷精確的功耗估算工具是開(kāi)發(fā)人員最好的助手。Altera公司推出了PowerPlay Early Power Estimator(EPE)這一小巧實(shí)用的工具，在基于表格的頁(yè)面分析環(huán)境中對功耗分析進(jìn)行仿真建模，用EPE報告的信息可以選擇電源供電的設計，滿(mǎn)足設計要求。

2.1 EPE的用戶(hù)界面

EPE的主工作表如圖2所示，表中給出了當前設計的功耗概覽，列舉了器件基本信息、總功耗、熱分析和電源大小等信息。同時(shí)底部顯示了包括Logic標簽、RAM標簽、I/O標簽、DSP標簽、PLL標簽、Report標簽等。

圖2 EPE主工作表

2.2 EPE的使用方法

EPE的使用方法非常方便，設計人員在各個(gè)頁(yè)面輸入相應的器件的基本信息(包括器件型號、內核電壓、環(huán)境溫度、散熱解決方案特性等)、資源利用率、觸發(fā)率、時(shí)鐘頻率等信息。然后點(diǎn)擊View Report或Report標簽就可以查看功耗估算結果報告，報告會(huì )給出器件的散熱分析，每一類(lèi)器件資源的功耗使用情況，以及每一電源的功耗使用情況等，便于設計人員設計相應的電源模塊。在主工作表底部選擇相應的資源標簽可以轉到相應資源區域的詳細信息，可以對設計中每一模塊的資源使用情況進(jìn)行統計分析。EPE估計功耗使用情況的準確性依賴(lài)于設計者提供的參數信息，例如準確的觸發(fā)率、時(shí)鐘頻率、含有信號活動(dòng)信息的仿真建模情況、邏輯單元數量等資源使用情況以及工作的環(huán)境情況等。提供的信息越精確，功耗估算的結果就越精確。

2.3 EPE中的重要參數——觸發(fā)率

在使用EPE估計功耗時(shí)，一些關(guān)鍵的參數值對功耗估計的結果影響較大，特別是觸發(fā)率的數值。要將功耗和觸發(fā)率聯(lián)系起來(lái)，可以認為在狀態(tài)改變的時(shí)間間隔期間，信號的每一次轉變需要一定數量的能量去改變內部電路的狀態(tài)。觸發(fā)率被定義為每秒鐘信號轉換的平均次數，以百分比表示。在觸發(fā)器中，如果系統最大時(shí)鐘頻率為100 MHz，所有觸發(fā)的觸發(fā)器的平均輸出頻率為10 MHz，那么所有觸發(fā)器的平均觸發(fā)率為20%。由于這種類(lèi)型的觸發(fā)器都是在信號活動(dòng)的時(shí)鐘邊沿(上升沿)觸發(fā)，100%的觸發(fā)率則表示一個(gè)觸發(fā)器的翻轉頻率為50 MHz。設計者應模擬每個(gè)模塊中的所有觸發(fā)器輸出的時(shí)鐘，并計算觸發(fā)器輸出相對于時(shí)鐘變化的概率。FPGA器件中不同模塊的觸發(fā)率數值不同，在數據路徑邏輯中，觸發(fā)率的范圍從6%12%。隨機邏輯中，如編解碼的觸發(fā)率大概在50%，而控制邏輯的觸發(fā)率最高可接近100%。以上都是作為估計觸發(fā)率數值的一般準則，而真實(shí)設計部分的觸發(fā)率完全取決于設計和數據集。例如，重置信號是一個(gè)控制信號，它可能有一個(gè)非常低的觸發(fā)率。在功能仿真中需要準確的計算所有模塊的平均觸發(fā)率。圖3給出了計算平均觸發(fā)率的一個(gè)例子。

圖3 平均觸發(fā)率的計算方法

圖4的報告結果給出了三種平均觸發(fā)率對功耗的影響結果，從左到右平均觸發(fā)率的值依次為7%，12.5%，30%。隨著(zhù)觸發(fā)率的提高，靜態(tài)功耗基本沒(méi)有變化而動(dòng)態(tài)功耗以及相應的總功耗會(huì )線(xiàn)性提高。設計者可以根據自身設計需求(面向算法或是控制)和平均觸發(fā)率的計算結果，合理設置觸發(fā)率數值大小。

圖4 觸發(fā)率對功耗的影響

3 結語(yǔ)

功耗的早期估計對于FPGA系統設計十分重要是基于兩點(diǎn)考慮：系統電源的大小和散熱。充分理解FPGA的工作功耗、靜態(tài)功耗、動(dòng)態(tài)功耗、內核與I/O資源情況將影響降低功耗的策略。如何使用簡(jiǎn)單易用的工具，針對設計中目標器件的類(lèi)型和設計的特性，高效準確的完成早期功率估計將有助于設計者加速整個(gè)系統的設計實(shí)現。