Xilinx FPGA的功耗优化设计

对于FPGA来说，设计人员可以充分利用其可编程能力以及相关的工具来准确估算功耗，然后再通过优化技术来使FPGA设计以及相应的PCB板在功率方面效率更高。

静态和动态功耗及其变化

在90nm工艺时，电流泄漏问题对ASIC和FPGA都变得相当严重。在65nm工艺下，这一问题更具挑战性。为获得更高的晶体管性能，必须降低阈值电压，但同时也加大了电流泄漏。Xilinx公司在降低电流泄漏方面做了许多努力，尽管如此，源于泄漏的静态功耗在最差和典型工艺条件下的变化仍然有2:1。泄漏功耗受内核电压（VCCINT）的影响很大，大约与其立方成比例，哪怕VCCINT仅上升5%，静态功耗就会提高约 15%。最后，泄漏电流还与结（或芯片）温密切相关。

FPGA中静态功耗的其它来源是工作电路的直流电流，但在很大程度上，这部分电流随工艺和温度的变化不大。例如I/O电源（如HSTL、SSTL和LVDS等I/O标准的端接电压）以及LVDS等电流驱动型I/O的直流电流。有些FPGA模拟模块也带来静态功耗，但同样与工艺和温度的关系不大。例如，Xilinx FPGA中用来控制时钟的数字时钟管理器（DCM）；Xilinx Virtex-5 FPGA中的锁相环（PLL）；以及Xilinx FPGA中用于输入和输出信息可编程延迟的单元IODELAY。

动态功耗是指FPGA内核或I/O的开关活动引起的功耗。为计算动态功耗，必须知道开关晶体管和连线的数量、电容和开关频率。FPGA中，晶体管在金属连线间实现逻辑和可编程互连。电容则包括晶体管寄生电容和金属互连线电容。

动态功率的公式：PDYNAMIC=nCV2f，其中，n=开关结点的数量，C=电容，V=电压摆幅，f=开关频率。

更紧凑的逻辑封装（通过内部FPGA架构改变）可以减少开关晶体管的数量。采用更小尺寸的晶体管可以缩短晶体管之间的连线长度，从而降低动态功率。因此，Virtex-5 FPGA中的65nm晶体管栅极电容更小、互连线长度也更短。两者结合起来可将结点的电容减小约15%至20%，这可进一步降低动态功率。

电压对于动态功率也有影响。从90nm转向65nm工艺，仅仅通过将VCCINT从1.2V降至1V，Virtex-5 FPGA设计的动态功率就降低了约30%。再加上结构增强带来的功率降低，总的动态功耗比90nm技术时降低达40%至50%。

（注：动态功率与VCCINT的平方成正比，但对于FPGA内核来说基本上与温度和工艺无关。）

利用FPGA设计技术降低功耗

Xilinx公司提供了两款功率分析工具。XPower Estimator (XPE)电子数据表工具可在设计人员使用物理实施工具前使用。在设计物理实施完成后，则可以采用第二款工具XPower Analyzer来检查所做的改变对功耗的影响。

降低功耗的一种方法就是为设计选择最适用的FPGA，然后利用其可编程能力进一步优化设计的功耗。正确的设计选择会同时改善静态和动态功耗。

源于泄漏电流的静态功率正比于逻辑资源的数量，也就是说正比于构造特定FPGA所使用的晶体管数量。因此，如果减少所使用的FPGA资源，采用更小的器件实现设计，那么就可以降低静态功耗。

可以采用多种方法来降低设计的规模，最基本的一种技巧就是逻辑功能分时。也就是说，如果两组电路完成一组线性功能，并且彼此完全相同，那么就可以只用一组电路但将速率提高一倍来完成同样的功能。这样需要的逻辑资源就减少了一半。

另一种缩小逻辑规模的方法是利用Xilinx FPGA的部分重配置功能，当两部分电路不同时工作时，可以在某个时间段将某部分电路重新配置实现另一种电路功能。

同时，还可以将功能移动到不太受限制的资源，例如，将状态机转移到BRAM、或者将计数器转移到DSP48模块、寄存器转移到移位寄存器逻辑，以及将BRAM转移到查找表RAM（LUTRAM）。同时还可以保证不要让设计的时序太紧张，因为那样会需要更多的逻辑和寄存器。

此外，还应当充分发挥FPGA架构中集成的硬IP块（BRAM、DSP、FIFO、Ethernet MAC、PCI Express）的优点。

降低静态功率的另一个方法是仔细审查设计，避免冗余的直流消耗源。设计中经常会使用到具有多余或隐藏DCM或PLL的模块，这种情况可能在模块设计后忘记将多余的资源去除，或者在构建下一代产品时使用了一些遗留代码。将DCM或PLL抽象到设计的顶层，这样模块之间就可以共享资源，从而可进一步减小设计的规模并降低直流功率。

更好地使用存储器模块也可帮助降低FPGA设计的动态功耗，从而进一步降低总体功耗。由于动态功耗是容抗（面积或长度）和频率的函数，因此应当检查设计中访问块存储器的方式并确定能够对容抗和频率进行优化的区域。

Xilinx FPGA提供两种类型的存储器阵列。18Kbit或36Kbit的BRAM是针对大存储器模块而优化的。LUTRAM基于FPGA中的查找表，是针对细粒度存储而优化的。Xilinx Virtex-5 FPGA中，LUTRAM的单位是64bit。

在这两种类型中，BRAM通常功耗要大一些。启用后的BRAM静态功率是其功耗的最大部分，跳变带来的功耗居于第二位。设计人员可以采取一些步骤来优化BRAM的功耗。例如，可以仅在读或写周期才启用BRAM。对于较小的存储器模块可以使用LUTRAM来代替BRAM，将 BRAM留给较大的存储器模块使用。此外，还可以尝试将BRAM用于多个大型模块。另一种技术是合理安排存储器阵列来减少其占用的延迟面积、使性能最大化并尽量降低其功耗。图1左侧给出了一个针对速度和面积而优化的2K x 36bit存储阵列。

我们利用四个2K x 9bit模块并行构成这一存储阵列，并在需要新值时启用（Enable）所有四个模块。另一方法是采用四个512 x 36bit模块来安排2K x 36bit，但利用低两位地址解码来选择访问哪个512 x 36bit模块。在后一种情况下，某个时间仅访问一个存储器块，功耗将比第一种方法降低75%。

图1右侧显示的是Xilinx公司的块存储器生成器（Block Memory Generator），利用它可以生成任意大小的存储器阵列并可以针对速度或功率对其进行优化。图2则给出了具体应用中的Xilinx Power Estimator，比较了在给定的使能速率下N个模块同时启动与N/4模块启动时的功耗情况。结果显示动态功率降低了75%。


图1 速度和面积与功率优化存储器阵列(左)
以及Xilinx Block Memory Generator与功率面积选择(右)

Xilinx工具可帮助选择适合的存储器阵列。考虑某个设计中需要两组存储器区域。一种情况下需要运行在300MHz的16组64 x 32bit存储器结构（总位数为32K），另一种情况下需要16组512 x 36bit 存储器架构 (总位数为294K)。

看一下16组64 x 32bit存储器结构的功率比较，XPE工具显示出小存储器阵列最好用LUTRAM来实现，这样比用BRAM节约85%的功耗（如图3）。这是因为如果采用BRAM的话，只能用16个18K位的模块来实现16个极小（64 x 32bit）的存储器，有很多空间被浪费了。而第二种情况16组18K位阵列的功率比较，XPE显示情况正好相反，应当采用大一些的存储器阵列来实现（图 4）。这种情况下，采用BRAM比采用LUTRAM可以节约28%的功耗，这是因为如果采用LUTRAM就需要启用更多的小粒度对象并增加更多的互连。