现代FPGA设计的能源优化方案

引言

减少FPGA的功耗可带来许多好处，如提高可靠性、降低冷却成本、简化电源和供电方式、延长便携系统的电池寿命等。无损于性能的低功耗设计 既需要有高功率效率的FPGA架构，也需要有能驾驭架构组件的良好设计规范。

本文将介绍FPGA的功耗、流行的低功耗功能件以及影响功耗的用户选择方案，并探讨近期的低功耗研究，以洞察高功率效率FPGA的未来趋势。

1 功耗的组成部分

FPGA的功耗由两部分组成：动态功耗和静态功耗。信号给电容性节点充电时产生动态功耗。这些电容性节点可以是内部逻辑块、互连架构中的布线导线、外部封装引脚或由芯片输出端驱动的板级迹线。FPGA的总动态功耗是所有电容性节点充电产生的组合功耗。

静态功耗与电路活动无关，可以产生于晶体管漏电流，也可以产生于偏置电流。总静态功耗是各晶体管漏电功耗及FPGA中所有偏置电流之和。动态功耗取决于有源电容一侧，因而可随着晶体管尺寸的缩小而改善。然而，这却使静态功耗增加，因为较小的晶体管漏电流反而较大。因此静态功耗占集成电路总功耗的比例日益增大。

如图1所示，功耗很大程度上取决于电源电压和温度。降低FPGA电源电压可使动态功耗呈二次函数下降，漏电功耗呈指数下降。升高温度可导致漏电功耗呈指数上升。例如，把温度从85℃升高至100℃可使漏电功耗增加25%。

图1 电压和温度对功耗的影响

2 功耗分解

下面分析一下FPGA总功耗的分解情况，以便了解功耗的主要所在。FPGA功耗与设计有关，也就是说取决于器件系列、时钟频率、翻转率和资源利用率。

以Xilinx Spartan-3 XC3S1000 FPGA为例，假定时钟频率为100MHz，翻转率为12.5%，而资源利用率则取多种实际设计基准测试的典型值。

图2所示为XC3S1000的活动功耗和待机功耗分解图。据报告显示，活动功耗是设计在高温下活动时的功耗，包括动态和静态功耗两部分。待机功耗是设计空闲时的功耗，由额定温度下的静态功耗组成。CLB在活动功耗和待机功耗中占最主要部分，这不足为奇，但其他模块也产生可观的功耗。I/O和时钟电路占全部活动功耗的1/3，如果使用高功耗的I/O标准，其功耗还会更高。

图2 Spartan-3 XC3S1000 FPGA典型功耗分解图

配置电路和时钟电路占待机功耗近1/2，这在很大程度上是偏置电流所致。因此，要降低芯片的总功耗，就必须采取针对所有主要功耗器件的多种解决方案。

3 低功耗设计

FPGA的设计中使用了多种功耗驱动的设计技术，以Xilinx Virtex系列为例，因为配置存储单元可占到FPGA中晶体管数的1/3，所以在该系列中使用了一种低漏电流的“midox”晶体管来减少存储单元的漏电流。为了减少静态功耗，还全面采用了较长沟道和较高阈值的晶体管。动态功耗问题则用低电容电路和定制模块来解决。DSP模块中乘法器的功耗不到FPGA架构所构建乘法器的20%。鉴于制造偏差可导致漏电流分布范围很大，可筛选出低漏电流器件，以有效提供核心漏电功耗低于60%的器件。

除了融入FPGA设计之外，还有许多设计选择方案影响到FPGA的功耗。下面分析部分这类选择方案。

3.1 功耗估计

功耗估计是低功耗设计中的一个关键步骤。虽然确定FPGA功耗的最准确方法是硬件测量，但功耗估计有助于确认高功耗模块，可用于在设计阶段早期制定功耗预算。

如图1所示，某些外部因素对功耗具有呈指数的影响；环境的微小变化即可造成预估功耗的重大变化。使用功耗估计工具虽难以达到精准，但仍然可以通过确认高功耗模块来为功耗优化提供极好的指导。

3.2 电压和温度控制

如图1所示，降低电压和温度均可显着减少漏电流。电源电压降低5% 就可降低功耗10%。通过改变电源配置，很容易调整电源电压。目前的FPGA不支持大范围电压调整，推荐的电压范围通常是±5%。结温可以用散热器和气流等冷却方案来降低。温度降低20℃可减少漏电功耗25%以上。降低温度还可呈指数提高芯片的可靠性。研究表明，温度降低20℃可使芯片总体寿命延长10倍。

3.3 悬挂和休眠模式

悬挂和休眠等模式可有效降低功耗。以Xilinx Spartan-3A FPGA为例，该器件提供两种低功耗空闲状态。在悬挂模式下，VCCAUX电源上的电路被禁用，以减少漏电功耗和消除偏置电流，这样可降低静态功耗40%以上。悬挂时仍保持芯片配置和电路状态。将唤醒引脚置位即可退出悬挂模式。此过程用时不到1ms。

休眠模式允许关闭所有功率调节器，从而实现零功耗。若要重启，必须重开电源并配置器件，此过程需要数十毫秒。切断电源后，所有I/O均处于高阻抗状态。如有I/O需要在休眠模式下主动激活，则必须保持对相应I/O组供电，这会消耗少量待机功率。

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