【導(dǎo)讀】關(guān)于FPGA想必大家都不陌生，本文就帶大家一起來(lái)探討關(guān)于FPGA的低功耗設(shè)計(jì)。關(guān)于低功耗設(shè)計(jì)，本文將從兩方面入手，一是算法優(yōu)化，二是FPGA資源使用效率優(yōu)化。具體內(nèi)容請(qǐng)聽(tīng)下文分解。
1. 功耗分析
整個(gè)FPGA設(shè)計(jì)的總功耗由三部分功耗組成：1. 芯片靜態(tài)功耗；2. 設(shè)計(jì)靜態(tài)功耗；3. 設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)功耗。
芯片靜態(tài)功耗：FPGA在上電后還未配置時(shí)，主要由晶體管的泄露電流所消耗的功耗
設(shè)計(jì)靜態(tài)功耗：當(dāng)FPGA配置完成后，當(dāng)設(shè)計(jì)還未啟動(dòng)時(shí)，需要維持I/O的靜態(tài)電流，時(shí)鐘管理和其它部分電路的靜態(tài)功耗
設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)功耗：FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)正常啟動(dòng)后，設(shè)計(jì)的功耗；這部分功耗的多少主要取決于芯片所用電平，以及FPGA內(nèi)部邏輯和布線資源的占用
顯而易見(jiàn)，前兩部分的功耗取決于FPGA芯片及硬件設(shè)計(jì)本身，很難有較大的改善。可以優(yōu)化是第3部分功耗：設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)功耗，而且這部分功耗占總功耗的90%左右，因此所以降低設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)功耗是降低整個(gè)系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵因素。上面也提到過(guò)功耗較大會(huì)使FPGA發(fā)熱量升高，那有沒(méi)有一個(gè)定量的分析呢？答案當(dāng)然是有，如下式：
Tjmax > θJA * PD + TA
其中Tjmax表示FPGA芯片的最高結(jié)溫（maximum junction temperature）；θJA表示FPGA與周圍大氣環(huán)境的結(jié)區(qū)熱阻抗（Junction to ambient thermal resistance），單位是°C/W；PD表示FPGA總功耗（power dissipation），單位是W；TA表示周圍環(huán)境溫度。
以XC7K410T-2FFG900I系列芯片為例，θJA = 8.2°C/W，在TA = 55°C的環(huán)境中，想要結(jié)溫Tjmax不超過(guò)100°C的情況下，可以推算FPGA的總功耗：PD <（Tjmax – TA）/θJA=（100 - 55）/8.2=5.488W，之前估算的20W與之相差太遠(yuǎn)，因此優(yōu)化是必不可少的：
1） 降低θJA：熱阻抗取決于芯片與環(huán)境的熱傳導(dǎo)效率，可通過(guò)加散熱片或者風(fēng)扇減小熱阻抗
2） 減小PD：通過(guò)優(yōu)化FPGA設(shè)計(jì)，降低總功耗，這也是本文重點(diǎn)講解的部分。
2. 低功耗設(shè)計(jì)
關(guān)于FPGA低功耗設(shè)計(jì)，可從兩方面著手：1） 算法優(yōu)化；2） FPGA資源使用效率優(yōu)化。
1） 算法優(yōu)化
算法優(yōu)化可分為兩個(gè)層次說(shuō)明：實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法
首先肯定需要設(shè)計(jì)一種最優(yōu)化的算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，使資源占用達(dá)到最少，當(dāng)然功耗也能降到最低，但是還需要保證性能，是FPGA設(shè)計(jì)在面積和速度上都能兼顧。比如在選擇采用流水線結(jié)構(gòu)還是狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，流水線結(jié)構(gòu)同一時(shí)間所有的狀態(tài)都在持續(xù)工作，而狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)只有一個(gè)狀態(tài)是使能的，顯而易見(jiàn)流水線結(jié)構(gòu)的功耗更多，但其數(shù)據(jù)吞吐率和系統(tǒng)性能更優(yōu)，因此需要合理選其一，使系統(tǒng)能在面積和速度之間得到平衡；
另一個(gè)層面是具體的實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)中所有吸收功耗的信號(hào)當(dāng)中，時(shí)鐘是罪魁禍?zhǔn)住ｋm然時(shí)鐘可能運(yùn)行在 100 MHz，但從該時(shí)鐘派生出的信號(hào)卻通常運(yùn)行在主時(shí)鐘頻率的較小分量（通常為 12%～15%）。此外，時(shí)鐘的扇出一般也比較高。這兩個(gè)因素顯示，為了降低功耗，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真研究時(shí)鐘。 首先，如果設(shè)計(jì)的某個(gè)部分可以處于非活動(dòng)狀態(tài)，則可以考慮禁止時(shí)鐘樹(shù)翻轉(zhuǎn)，而不是使用時(shí)鐘使能。時(shí)鐘使能將阻止寄存器不必要的翻轉(zhuǎn)，但時(shí)鐘樹(shù)仍然會(huì)翻轉(zhuǎn)，消耗功率。其次，隔離時(shí)鐘以使用最少數(shù)量的信號(hào)區(qū)。不使用的時(shí)鐘樹(shù)信號(hào)區(qū)不會(huì)翻轉(zhuǎn)，從而減輕該時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。
2） 資源使用效率優(yōu)化
資源使用效率優(yōu)化是介紹一些在使用FPGA內(nèi)部的一些資源如BRAM，DSP48E1時(shí)，可以優(yōu)化功耗的方法。FPGA動(dòng)態(tài)功耗主要體現(xiàn)為存儲(chǔ)器、內(nèi)部邏輯、時(shí)鐘、I/O消耗的功耗。
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