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[导读]为增进大家对功耗的认识,本文将对FPGA的功耗组成,以及降低功耗带来的好处。

功耗,这是电子设计人员必须考虑的问题。在考虑功耗的时候,主要在于考虑如何去降低系统或者器件的功耗。为增进大家对功耗的认识,本文将对FPGA的功耗组成,以及降低功耗带来的好处。如果你对功耗具有兴趣,不妨继续往下阅读哦。

一、FPGA功耗

FPGA 器件属于专用集成电路中的一种半定制电路,是可编程的逻辑列阵,能够有效的解决原有的器件门电路数较少的问题。FPGA 的基本结构包括可编程输入输出单元,可配置逻辑块,数字时钟管理模块,嵌入式块RAM,布线资源,内嵌专用硬核,底层内嵌功能单元。由于FPGA具有布线资源丰富,可重复编程和集成度高,投资较低的特点,在数字电路设计领域得到了广泛的应用。FPGA的设计流程包括算法设计、代码仿真以及设计、板机调试,设计者以及实际需求建立算法架构,利用EDA建立设计方案或HD编写设计代码,通过代码仿真保证设计方案符合实际要求,最后进行板级调试,利用配置电路将相关文件下载至FPGA芯片中,验证实际运行效果。

FPGA的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。

其中,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。

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。

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。

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。

除常规的可重配置逻辑外,FPGA正不断集成更多的专用电路。最先进的PLD就集成了专门的乘法器、DSP模块、可变容量RAM模块以及闪存等,这些专用电路为FPGA提供了更加高效的功能。总体上看,采用这些模块节约了常规逻辑资源并增加了系统执行的速度,同时可以减少系统功耗。因此更高的逻辑效率也意味着能够实现更小的器件设计,并进一步降低静态功耗和系统成本。

二、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。

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。

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。

以上便是此次小编带来的“功耗“相关内容,通过本文,希望大家对FPGA功耗以及降低功耗带来的好处具备一定的了解。如果你喜欢本文,不妨持续关注我们网站哦,小编将于后期带来更多精彩内容。最后,十分感谢大家的阅读,have a nice day!

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