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FPGA的功耗概念与低功耗设计研究

发布时间:2020-07-21 18:47:07 阅读: 来源:过滤机厂家

引言

本文引用地址: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。

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