降低FPGA的设计功耗协调和平衡艺术[1]

  FPGA的功耗高度依赖于用户的设计，没有哪种单一的方法能够实现这种功耗的降低，如同其它多数事物一样，降低功耗的设计就是一种协调和平衡艺术，在进行低功耗器件的设计时，人们必须仔细权衡性能、易用性、成本、密度以及功率等诸多指标。

  目前许多终端市场对可编程逻辑器件设计的低功耗要求越来越苛刻。工程师们在设计如路由器、交换机、基站及存储服务器等通信产品时，需要密度更大、性能更好的FPGA，但满足功耗要求已成为非常紧迫的任务。而在消费电子领域，OEM希望采用FPGA的设计能够实现与ASIC相匹敌的低功耗。

  尽管基于90nm工艺的FPGA的功耗已低于先前的130nm产品，但它仍然是整个系统功耗的主要载体。此外，如今的终端产品设计大多要求在紧凑的空间内完成，没有更多的空间留给气流和大的散热器，因此热管理、功率管理继续成为FPGA设计的一个重要课题。

  采用FPGA进行低功耗设计并不是一件容易的事，尽管有许多方法可以降低功耗。FPGA的类型、IP核、系统设计、软件算法、功耗分析工具及个人设计方法都会对产品功耗产生影响。值得注意的是，如果使用不当，有些方法反而会增加功耗，因此必须根据实际情况选择适当的设计方法。

  FPGA设计的总功耗包括静态功耗和动态功耗两个部分。其中，静态功耗是指逻辑门没有开关活动时的功率消耗，主要由泄漏电流造成的，随温度和工艺的不同而不同。静态功耗主要取决于所选的FPGA产品。

  动态功耗是指逻辑门开关活动时的功率消耗，在这段时间内，电路的输入输出电容完成充电和放电，形成瞬间的轨到地的直通通路。与静态功耗相比，通常有许多方法可降低动态功耗。

  系统结构、IP和I/O

  采用正确的结构对于设计是非常重要的，最新的FPGA是90nm的1.2 V器件，与先前产品相比可降低静态和动态功耗，且FPGA制造商采用不同的设计技术进一步降低了功耗，平衡了成本和性能。这些90nm器件都改变了门和扩散长度，优化了所需晶体管的开关速率，采用低K值电介质工艺，不仅提高了性能还降低了寄生电容。结构的改变，如增强的逻辑单元内部互连，可实现更强大的功能，而无需更多的功耗。Stratix II更大的改变是采用了六输入查找表（LUT）架构，能够通过更有效的资源利用，实现更快速、低功耗的设计。

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