FPGA設計中的功率計算技巧

隨著(zhù)工藝技術(shù)的越來(lái)越前沿化， FPGA器件擁有更多的邏輯、存儲器和特殊功能，如存儲器接口、 DSP塊和多種高速SERDES信道，這些發(fā)展不斷地對系統功率要求提出挑戰。由此，設計師也許會(huì )想要拖一座冰山到電路板上，但這樣一來(lái)IT人員就會(huì )面臨一團亂麻的境地了。顯然冰山是一個(gè)不切實(shí)際的玩笑，以下是一種可行的方案：使用工具來(lái)精確計算功率要求。

功率計算的關(guān)鍵是兩方面:靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功率。 盡管FPGA廠(chǎng)商承諾將提供切實(shí)可用的低功耗器件，但由于工藝技術(shù)從130納米縮小到90納米、65納米或更加小的線(xiàn)條，晶體管固有的漏電加劇了，靜態(tài)功耗也增加了。此外，使用FPGA時(shí)極高的系統性能要求使得動(dòng)態(tài)功耗上升，動(dòng)態(tài)功耗是頻率和開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的函數。那設計者如何才能準確地確定器件的功耗，同時(shí)考慮與這個(gè)問(wèn)題有關(guān)的所有重要因素，有效地作出必要的設計權衡，建立一個(gè)滿(mǎn)足所有性能要求的可靠系統呢？

功耗計算對于ＦＰＧＡ設計十分重要是基于兩點(diǎn)考慮：系統電源的大小和散熱。眾所周知，系統中的所有器件都需要一個(gè)良好、清潔、精確和可靠的電源，且能有效地運作。精確地計算功耗就能有的放矢地確定電源大小，電源過(guò)大將增加成本。散熱裝置對系統可靠性至關(guān)重要。所有器件都已列出了其對器件結溫容忍度的界限。超過(guò)這些界限，將可能導致運行效率低下，或者更糟糕的是導致系統永久地損壞。當然，也可以采用一些技術(shù)來(lái)緩解散熱問(wèn)題，如對系統增加散熱片或氣流，從而有效地降低運行溫度。那么，在系統建立之前，設計師怎樣才能夠準確地估計功耗和設備的熱耗？這相當于在談?wù)撘粋€(gè)先有雞還是先有蛋的問(wèn)題！幸運的是，有一個(gè)專(zhuān)為這項任務(wù)而設計的功耗計算器。

準確評估功耗去建立一個(gè)熱模型的一些基本要素如下：

1 。器件的各種要素： FPGA（使用的和未使用的部分） 、封裝、工作頻率、活動(dòng)因素和速度等級。
2 。環(huán)境因素：散熱片、氣流、電路板尺寸和環(huán)境溫度。
3 ?？捎眯砸兀涸O計過(guò)程中在任何時(shí)間的建模能力，導入實(shí)際的運行數據，方便地做“假設”的完整環(huán)境的評估。

由于功率計算器必須在整個(gè)設計過(guò)程中都是可用的，能始終在這個(gè)工具中對器件作出選擇很重要，同樣，用戶(hù)對不同的封裝、器件、密度、速度等級和溫度范圍進(jìn)行選擇也是很重要的。熱特性還使用戶(hù)隨時(shí)了解他的設計是在一個(gè)明確、安全的運行環(huán)境中進(jìn)行。

功率計算器還提供了非常明確的單獨工作區域，以按鈕的形式對器件的每個(gè)結構、資源、可用的元件進(jìn)行操作。針對可用性的要求，該工具會(huì )顯示每個(gè)電源的電流和功率，以及每個(gè)元件和所有元件的功耗總和。這樣給出了每個(gè)元件對整體功耗影響的完整了解，并允許用戶(hù)決定如何將設計進(jìn)行最好的優(yōu)化，以減少總功耗。

表格的羅列展示是很有價(jià)值，圖形也相當有用。圖2展示了一組由功率計算器自動(dòng)生成的圖形。圖表顯示了下列信息：

功率與電壓（或電壓―――典型和最壞的情況）
功率與環(huán)境溫度―――典型和最壞的情況
功率與頻率―――典型和最壞的情況
這些圖表為設計一個(gè)可靠系統提供了很有用的信息。

環(huán)境變量也必須是易于設置和修改的。圖3展示了高級的熱特性選擇屏幕，用戶(hù)可以輕松地為設計修改熱特性。由工具或自定模式提供的普通熱模型可用于計算，為任何設計環(huán)境提供靈活性和精確性也很重要。用戶(hù)還可以設置散熱片和氣流參數，以及有效的用于計算的Theta-JA。為了能夠實(shí)現所期望的性能和可靠的結果，所有這些因素對正確 分析實(shí)際系統 環(huán)境、作出必要的設計選擇來(lái)說(shuō)至關(guān) 重要。

有一個(gè)完整的系統級理解和精確的功率模型將能使設計師作出必要的決擇，從而完成設計。然后，設計者可以集中精力于降低功耗，其中包括以下幾個(gè)方面：

降低設備的工作電壓
優(yōu)化時(shí)鐘頻率
減少設計中長(cháng)的布線(xiàn)
優(yōu)化編碼
優(yōu)化熱模型

依據設計中所用器件資源的全部數據、所有對建立熱模型至關(guān)重要的環(huán)境變量、以及在設計過(guò)程中自由地使用和修改各點(diǎn)參數，就可以可靠地實(shí)現FPGA設計，使其滿(mǎn)足系統性能指標。