针对低功耗的设计
发布时间：2010-10-15 11:24
发布者：techshare
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当涉及到计算运营成本和电信基础设施项目的碳足迹时，功耗成为一个越来越重要的变量。例如，在美国平均每个满负荷3G基站的费用大约为1600美元/年，或在欧洲大约为3200美元/年。这表明，一个典型的欧洲运营商运行2万个基站会消耗58MW功率，折算为每年6200万美元左右。除了这些费用，每个基站的功耗估计为每年每个基站有11吨二氧化碳的排放量。对于这些运营商，功耗就是成本。 FPGA已经成为基站结构的最重要的组成部分之一，所以人们关注FPGA的焦点是使功耗降至最低。 例如，为了尽量减少功耗，LatticeECP3 FPGA系列采用可变的沟道长度，优化的低功耗晶体管，以及改进的布线默认和算法。结果在典型设计中，与同类拥有SERDES功能的FPGA的竞争产品相比较，ECP3的静态功耗减少了80％，总功耗减少了50％多。 系统设计人员在使用FPGA时通常要考虑FPGA的四部分的功耗： 预编程的静态（静态）器件的功耗 预编程的静态器件的功耗是指FPGA在编程之前的功耗。即当FPGA已上电，但处于未编程的状态时，这就是静态器件的功耗。重要的是在此期间该器件不会消耗大量的功耗，从概念上来说，FPGA器件会消耗过多的功耗，并有可能关闭电源，阻止电路板对系统成功地初始化。因此，FPGA供应商必须精心设计具有低静态功耗的晶体管，而不影响要求更高的性能的区域（如I/O和SERDES）。 浪涌编程电流：（浪涌电流/对器件编程直到编程结束时所需要的功耗） 在过去，浪涌电流编程一直是FPGA厂商面对的问题。浪涌编程电流实际上已超过一个典型应用的功耗，以及实际的额定电源/稳压器功率。这当然是不可取的，莱迪思对设计产品投入了相当大的精力，使编程电流（浪涌）处于任何典型应用的功耗之下。莱迪思在数据手册和功耗计算器工具中说明并跟踪了浪涌的情况。 后编程的静态功耗： '零MHz '频率时器件的功耗 编程后静态功耗是FPGA功耗的重要组成部分。这是由于在FPGA中有大量的晶体管（通常为8至10倍于用同等的ASIC逻辑来实现的数量，配置和多路复用器不包括在内），所有这些器件都有少量的泄漏电流。无论晶体管是否被使用，这些晶体管的漏电流（用于切换的复用器，RAM单元等）通常是“永远存在的”，并吸收功率。通常情况下，编程后静态功耗等于或大于静态器件功耗。有一些最新的创新解决功耗网格的方法，去除这些特殊晶体管的功耗，这将减少这部分的静态功耗。 动态功耗：非零频率所增加的功耗。 （即P = kcV2f） 动态功耗遵循kcV2f规则，通常受设计人员的控制。根据正在实施的不同类型的设计（始终开启，时刻处理，设计的数据路径的类型对比唤醒、处理和返回睡眠的设计类型等），无论是动态功耗，还是编程后的静态功耗都是功耗分析中的最重要组成部分。 功耗是与温度密切相关的。随着FPGA的自身发热，由于晶体管的漏电流的增加，功耗随之增加。在极端的情况下，器件非常热以至晶体管不能关闭，这种情况被称为热失控。功耗分析被视为任何FPGA设计过程中的至关重要的一部分。使用功耗分析，设计人员会确信设计将工作于设计环境之中。使用各种技术方法用以控制温度，如风扇、散热片、修改设计，I/O标准等。 建立 “模拟环境”的功耗模型 除了FPGA架构的改进之外，在低功耗设计过程中，基于软件的工具是很有价值的。例如，莱迪思的功耗计算器（图1），包含了模拟环境的功耗模型，工具中拥有图形化的功耗显示和多种有用的报告。热电阻可选模型模拟了真实的各种热的情况，包括散热片，气流及印刷电路板的复杂性，而图形化的功耗曲线反映了工作温度。印刷电路板组装后，基于软件的功耗计算器可用于前，后FPGA设计过程，以分析所预期的功耗。  图1功耗计算器可用于设计周期中的任何阶段。切换率的早期估计以后可以用模拟结果来取代。精确的功耗计算器计算所有结构单元的电流和功耗，并提供热模型，以模拟真实的系统条件 总结 成功的低功耗设计是取决于结构还是工艺？答案不是传统的观点认为是正确的东西。先进的工艺并不能够保证低功耗：在结构和电路设计阶段提出的折衷方案对最终的结果是至关重要的。如果FPGA针对性能而优化，必将导致更高的整体功耗。对于把高性能的电路放在哪些绝对需要的地方，设计人员必须做出权衡，同时针对低功耗，优化芯片的其他区域。传统的FPGA厂商仅期望下一个工艺节点以获得可估量的更小的功耗。然而，65纳米的LatticeECP3表明它有可能比40/45nm的竞争器件具有更低的功耗。在这种模式转变的核心是安排了巧妙的电路和晶体管设计。 |
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