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标题: FPGA设计中功耗的分析与仿真 [打印本页]

作者: 520503 时间: 2014-6-11 17:40 标题: FPGA设计中功耗的分析与仿真

关键字：FPGA 静态功耗动态功耗触发率
FPGA的应用越来越广泛，随着制造工艺水平的不断提升，越来越高的器件密度以及性能使得功耗因数在FPGA设计中越来越重要。器件中元件模块的种类和数量对FPGA设计中功耗的动态范围影响较大，对FPGA的电源功耗进行了分析，并介绍了如何利用Altera公司的PowerPlay Early Power Estimator这一工具在设计前期尽可能准确地估计功耗并通过估计功耗对硬件设计进行优化选择。
0 引言

当前FPGA应用越来越广泛，在高性能FPGA设计中，越来越高的器件密度以及性能使得功耗因数更加重要。大规模器件在实现更多的系统功能，以更高的速度运行并完成更高级的功能的同时，功耗必然会更大。开发者在面对此类设计时会在功耗方面遇到很多挑战。对通过芯片重新编程就能够修改的FPGA设计，在设计过程中尽早完成电源供电和散热方案的设计有利于加速整个系统的实现。设计中系统组件应保持在一定的功耗预算范围内，如果超出预算则需要重新设计供电电源及散热方案，这会延长设计周期。同时较大的电源和散热硬件会增加成本，降低功耗也就降低了系统总成本。并且当设计中需要的风扇和散热硬件越多，系统故障的概率就越大，这将影响系统的可靠性。综上所述，做好早期功率估算具有重大意义。

1 FPGA器件功耗分析

当前，随着FPGA器件的封装尺寸越来越小，密度越来越大，同时系统对器件的性能和可靠性要求不断提高，功耗预算对电源方案，散热方案及系统故障影响的问题已不容忽视。

1.1 功耗的组成

功耗一般由两部分组成：静态功耗和动态功耗。静态功耗也称为待机功耗，是指逻辑门没有开关活动时的功率消耗，主要是由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，图1中静态部分显示了器件的静态功耗。图中最后阶段显示的是器件正常工作时的功耗，工作功耗同时包括静态功耗，I/O以及动态功耗。动态功耗是指逻辑门开关活动时的功率消耗，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、工作频率和资源使用情况，不同设计时期的动态功耗和相应的总功耗会有很大的差别。在传统器件中动态功耗占据主要地位，但在新的28 nm工艺的器件中，静态功耗的比重增长很大，基本和动态功耗处于同等地位。同时根据FPGA设计面向对象的不同，功耗的比重也会有差别。当设计面向算法时，动态功耗将占较多比重，当设计面向控制功能时，静态功耗将占较多的比重。

图1 器件功耗监测图

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