【導讀】關于FPGA想必大家都不陌生，本文就帶大家一起來探討關于FPGA的低功耗設計。關于低功耗設計，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)容請聽下文分解。
1. 功耗分析
整個FPGA設計的總功耗由三部分功耗組成：1. 芯片靜態(tài)功耗；2. 設計靜態(tài)功耗；3. 設計動態(tài)功耗。
芯片靜態(tài)功耗：FPGA在上電后還未配置時，主要由晶體管的泄露電流所消耗的功耗
設計靜態(tài)功耗：當FPGA配置完成后，當設計還未啟動時，需要維持I/O的靜態(tài)電流，時鐘管理和其它部分電路的靜態(tài)功耗
設計動態(tài)功耗：FPGA內(nèi)設計正常啟動后，設計的功耗；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，前兩部分的功耗取決于FPGA芯片及硬件設計本身，很難有較大的改善。可以優(yōu)化是第3部分功耗：設計動態(tài)功耗，而且這部分功耗占總功耗的90%左右，因此所以降低設計動態(tài)功耗是降低整個系統(tǒng)功耗的關鍵因素。上面也提到過功耗較大會使FPGA發(fā)熱量升高，那有沒有一個定量的分析呢？答案當然是有，如下式：
Tjmax > θJA * PD + TA
其中Tjmax表示FPGA芯片的最高結溫（maximum junction temperature）；θJA表示FPGA與周圍大氣環(huán)境的結區(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，想要結溫Tjmax不超過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，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)境的熱傳導效率，可通過加散熱片或者風扇減小熱阻抗
2） 減小PD：通過優(yōu)化FPGA設計，降低總功耗，這也是本文重點講解的部分。
2. 低功耗設計
關于FPGA低功耗設計，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)化可分為兩個層次說明：實現(xiàn)結構和實現(xiàn)方法
首先肯定需要設計一種最優(yōu)化的算法實現(xiàn)結構，設計一種最優(yōu)化的結構，使資源占用達到最少，當然功耗也能降到最低，但是還需要保證性能，是FPGA設計在面積和速度上都能兼顧。比如在選擇采用流水線結構還是狀態(tài)機結構時，流水線結構同一時間所有的狀態(tài)都在持續(xù)工作，而狀態(tài)機結構只有一個狀態(tài)是使能的，顯而易見流水線結構的功耗更多，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；
另一個層面是具體的實現(xiàn)方法，設計中所有吸收功耗的信號當中，時鐘是罪魁禍首。雖然時鐘可能運行在 100 MHz，但從該時鐘派生出的信號卻通常運行在主時鐘頻率的較小分量（通常為 12%～15%）。此外，時鐘的扇出一般也比較高。這兩個因素顯示，為了降低功耗，應當認真研究時鐘。 首先，如果設計的某個部分可以處于非活動狀態(tài)，則可以考慮禁止時鐘樹翻轉(zhuǎn)，而不是使用時鐘使能。時鐘使能將阻止寄存器不必要的翻轉(zhuǎn)，但時鐘樹仍然會翻轉(zhuǎn)，消耗功率。其次，隔離時鐘以使用最少數(shù)量的信號區(qū)。不使用的時鐘樹信號區(qū)不會翻轉(zhuǎn)，從而減輕該時鐘網(wǎng)絡的負載。
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，可以優(yōu)化功耗的方法。FPGA動態(tài)功耗主要體現(xiàn)為存儲器、內(nèi)部邏輯、時鐘、I/O消耗的功耗。
相關閱讀：
FPGA有門道？一款軟件無線電平臺的設計
利用CPLD數(shù)字邏輯和FPGA實現(xiàn)ADC
基于FPGA的航空電子系統(tǒng)的設計
