如何让7系列FPGA的功耗减半

降低 I/O 功耗

当然，总体系统功耗的范畴不局限于静态功耗和动态功耗，还包括另外两种类型的功耗，即I/O 功耗和收发器功耗。

为降低高速 I/O 的功耗，赛灵思新增了多模 I/O 控制功能，并对其收发器的架构进行了重新设计。Klein 表示，多模 I/O 控制功能能够显著降低 I/O 耗电，尤其是对存储器接口而言。在存储器写入状态下最高可节电 50%，而在存储器闲置状态下最高则可节电 75%。

这些新的 I/O 降耗功能中第一种功能在存储器写操作过程中很有价值：在写入到诸如 DDR2 和 DDR3等外部存储器器件过程中，I/O 硬件会自动禁用 IBUF(输入缓存)。Klein 说：“由于输入缓存是一个参考接收器，不管翻转率是多少，它都会消耗直流电。所以现在在存储器写操作过程中，直流电被切断，节电幅度与写入比例成比例。与仅禁用终端相比，在存储器写操作过程中，多模 I/O 控制功能可让总体功耗多节省一半。”

所有 7 系列 FPGA 采用的第二个 I/O 降耗功能是用户能够在存储器总线闲置时禁用 IBUF和终端。Klein 说：“一般来说，在总线闲置期间应离开存储器总线，但这样看上去像存储器读操作。如果没有这种[禁用]功能，终端和 IBUF 都会消耗电力。禁用比启用终端和输入接收器时，7 系列 FPGA 的 I/O 功耗可降低 75%。”

赛灵思还把 VCCAUX 电压从 2.5V 降至 1.8V，这样可以将 PLL、IDELAY、输入/输出缓存和配置逻辑等所有用 VCCAUX 供电的模块的功耗降低近 30%。

对高性能存储器接口而言，7 系列 FPGA 相对 Virtex-6 及其它 FPGA 新增的这些功能带来了巨大优势。

降低收发器功耗

在器件总体功耗中，收发器的功耗也占着较大的比例。Myron 表示，赛灵思首次宣布用其 XPower Estimator (XPE) 工具测得的 7 系列功耗估计值时，最初提供的收发器功耗值相当保守。自那时起，赛灵思又对 GTP 和 GTH 收发器的功耗进行了进一步优化，并将其工具与芯片结果相关联。最新版本的 XPE(13.2 版)能够更加准确地反映新的功耗值。

Myron 说：“在相同性能水平下，Artix-7 GTP(性能高达 6.75Gbps)收发器的总体功耗比 Spartan-6 GTP 的低 60%。我们这样做的目的，是为了满足要求绝对最低功耗和最低成本的低端市场的需求。我们还大幅降低了 Virtex-7 GTH 的功耗。”7 系列 FPGA 这个器件集成有多达 96 个收发器，用于高带宽应用。他说：“在收发器功耗成为总体功耗的主要组成部分的情况下，这项性能让我们与同类 28nm 竞争产品的收发器功耗不相伯仲。”

功率分级和电压调节

7 系列最值得关注的节能创新之一是赛灵思能够为客户提供器件的功率分级和电压调节选项，这样能够在确保与标准版本相同的性能情况下进一步降低功耗。Myron 说：“实现这项性能所倚靠的，是通用 28nm HPL 工艺提供的预留空间，也就是说没有其他 28nm 厂商可以提供如此出色的功耗优化选项。赛灵思是怎么做到的呢?我们不妨首先来看一下标准器件的分布图[图 4]，该曲线上的所有器件都运行在 1V 电压下，有各自的标称静态功耗和动态功耗。然后我们剔除速度太慢或漏电流太大的器件，就得到 -2L 级器件的分布图。-2L 级器件都工作在相同的 1V 核心电压下，因此能够提供与商用或工业用器件相同的 -2L 级性能，而且最高工作温度能够达到 100℃。-2LE 级器件能够降低静态功耗 45%，是标准分级工艺的产品，故其供货毫无问题。我们然后取出 -2LE 器件，筛选出能够在 0.9V 下运行的器件。通过降低核心电压至 0.9V，功耗优化的 -2LE 级器件与标准商用器件相比，可实现高达 55% 的静态功耗和 20% 的动态功耗下降。”

图中文字：

分布

速度较慢

绝对速度

速度较快

7 系列-2LE

7 系列-2LE

7 系列 C 级别

速度较慢的器件

漏电流较大的器件

一个器件，两种电压

• 　　完整的 -2 级性能，操作温度高达 100℃
• 　　筛选后可满足性能和功耗要求
• 　　标准分级工艺

• 　　大约 -1 级别的性能，操作温度高达 100℃
• 　　筛选以及电压调节后
• 　　额外的功耗降低

标准测试结果证明一切

虽然竞争对手可能会辩称赛灵思在 28nm 节点上使用的是以不变应万变的方法，赛灵思坚信 7 系列是创新史上的又一里程碑。赛灵思