FPGA的功耗概念与低功耗设计研究

文章摘要：摘要: 随着半导体工艺的飞速发展和芯片工作频率的提高，芯片的功耗迅速增加，而功耗增加又导致芯片发热量的增大和可靠性的下降。因此，功耗已经成为深亚微米集成电路设计中的一个重要考虑因素。本文围绕FPGA功率损耗的组成和产生原理，从静态功耗、动态功耗两大方面出发，分析了影响FPGA功率耗散的各种因素，并通过Actel产品中一款低功耗的FPGA进一步进行说明。最后提出了在FPGA低功耗设计中的一些问题。引言芯片对功耗的苛刻要求源于产品对功耗的要求。集成电路的迅速发展以及人们对消费类电子产品——特别是便携式（移动）电子产品——的需求日新月异，使得设计者对电池供电的系统已不能只考虑优化速度和面积，而必须注

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　　摘要: 随着半导体工艺的飞速发展和芯片工作频率的提高，芯片的功耗迅速增加，而功耗增加又导致芯片发热量的增大和可靠性的下降。因此，功耗已经成为深亚微米集成电路设计中的一个重要考虑因素。本文围绕FPGA功率损耗的组成和产生原理，从静态功耗、动态功耗两大方面出发，分析了影响FPGA功率耗散的各种因素，并通过Actel产品中一款低功耗的FPGA进一步进行说明。最后提出了在FPGA低功耗设计中的一些问题。

　　引言

　　芯片对功耗的苛刻要求源于产品对功耗的要求。集成电路的迅速发展以及人们对消费类电子产品——特别是便携式（移动）电子产品——的需求日新月异，使得设计者对电池供电的系统已不能只考虑优化速度和面积，而必须注意越来越重要的第三个方面——功耗，这样才能延长电池的寿命和电子产品的运行时间。很多设计抉择可以影响系统的功耗，包括从器件选择到基于使用频率的状态机值的选择等。

　　1  FPGA功耗的基本概念

　　（1） 功耗的组成

　　功耗一般由两部分组成：静态功耗和动态功耗。静态功耗主要是晶体管的漏电流引起，由源极到漏极的漏电流以及栅极到衬底的漏电流组成；动态功耗主要由电容充放电引起，其主要的影响参数是电压、节点电容和工作频率，可以用式（1）表示[1]。

　　（2） 静态功耗

　　静态功耗主要是由漏电流引起。漏电流是芯片上电时，无论处于工作状态还是处于静止状态，都一直存在的电流，来源于晶体管的三个极，如图1所示。它分为两部分，一部分来自源极到漏极的泄漏电流ISD，另一部分来自栅极到衬底的泄漏电流IG。漏电流与晶体管的沟道长度和栅氧化物的厚度成反比[2]。

　　图1  静态功耗的组成

　　源极到漏极的泄漏电流是泄漏的主要原因。MOS管在关断的时候，沟道阻抗非常大，但是只要芯片供电就必然会存在从源极到漏极的泄漏电流。随着半导体工艺更加先进，晶体管尺寸不断减小，沟道长度也逐渐减小，使得沟道阻抗变小，从而泄漏电流变得越来越大，而且源极到漏极的漏电流随温度增加呈指数增长。

　　（3） 动态功耗

　　动态功耗主要由电容充放电引起，它与3个参数有关：节点电容、工作频率和内核电压，它们与功耗成正比例关系。如式（1）所示，节点电容越大，工作频率越高，内核电压越大，其动态功耗也就越高。而在FPGA中动态功耗主要体现为存储器、内部逻辑、时钟、I/O消耗的功耗。在一般的设计中，动态功耗占据了整个系统功耗的90%以上，所以降低动态功耗是降低整个系统功耗的关键因素。

　　（4） 降低功耗带来的好处

　　① 低功耗的器件可以实现更低成本的电源供电系统。另外，更简单的电源系统意味着更少的元件和更小的PCB面积，同样可以降低成本[3]。

　　② 更低的功耗引起的结温更小，因此可以防止热失控，可以少用或不用散热器，如散热风扇、散热片等。

　　③ 降低功耗可以降低结温，而结温的降低可以提高系统的可靠性。另外，较小的风扇或不使用风扇可以降低EMI[3]。

　　④ 延长器件的使用寿命。器件的工作温度每降低10 ℃，使用寿命延长1倍。

　　所以对于FPGA而言，降低功耗的根本在于直接提高了整个系统的性能和质量，并减小了体积，降低了成本，对产品有着非常大的促进作用。

　　（5） 如何降低FPGA功耗

　　FPGA主要的功耗是由静态功耗和动态功耗组成，降低FPGA的功耗就是降低静态功耗和动态功耗。

　　静态功耗除了与工艺有关外，与温度也有很大的关系。一方面需要半导体公司采用先进的低功耗工艺来设计芯片，降低泄漏电流（即选择低功耗的器件）；另一方面可以通过降低温度、结构化的设计来降低静态功耗。

　　FPGA动态功耗主要体现为存储器、内部逻辑、时钟、I/O消耗的功耗。

　　① 选择适当的 I/O标准可以节省功耗。I/O功耗主要来自器件输出引脚连接的外部负载电容、阻抗模式输出驱动电路以及外部匹配网络的充放电电流。可选择较低的驱动强度或较低的电压标准。当系统速度要求使用高功率 I/O标准时，可设置缺省状态以降低功耗。有的I/O标准需要使用上拉电阻才能正常工作，因此如果该 I/O的缺省状态为高电平而不是低电平，就可以节省通过该终结电阻的直流功耗。

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