FPGA的功耗概念与低功耗设计研究

企业新闻 | 2021-06-17
本文摘要:章节目录  处理芯片对功耗的苛刻回绝源于商品对功耗的回绝。

章节目录  处理芯片对功耗的苛刻回绝源于商品对功耗的回绝。集成电路芯片的迅速发展趋势及其大家对消费性电子设备尤其是携带式(挪动)电子设备的市场的需求飞速发展,促使设计师对充电电池供电系统的系统软件已没法只充分考虑提升速率和总面积,而必不可少注意更为最重要的第三个层面功耗,那样才可以减少充电电池的使用寿命和电子设备的运作時间。许多 设计方案决择能够危害系统软件的功耗,还包含从器件随意选择到根据用以頻率的状态机值的随意选择等。

  1FPGA功耗的基本要素  (1)功耗的组成  功耗一般由两一部分组成:静态数据功耗和动态性功耗。静态数据功耗主要是晶体三极管的泄露电流引起,由源近于到漏极的泄露电流及其栅极到衬底的泄露电流组成;动态性功耗关键由电容器蓄电池充电引起,其关键的危害主要参数是工作电压、连接点电容器和输出功率,可以用式(1)答复[1]。

    (2)静态数据功耗  静态数据功耗主要是由泄露电流引起。溢电流量是处理芯片通电时,不管正处在运行状态還是正处在静止不动情况,都依然不会有的电流量,来源于晶体三极管的三个近于,如图所示1下图。它分为两一部分,一部分来源于源近于到漏极的外泄电流量ISD,另一部分来源于栅极到衬底的外泄电流量IG。

溢电流量与晶体三极管的闸极长短和栅金属氧化物的薄厚反比[2]。    图1静态数据功耗的组成  源近于到漏极的外泄电流量是外泄的关键缘故。MOS管在软启动器的情况下,闸极电阻器十分大,可是要是处理芯片供电系统就必然不容易不会有从源近于到漏极的外泄电流量。

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伴随着半导体材料加工工艺更加技术设备,晶体三极管规格大大的扩大,闸极长短也逐渐扩大,促使闸极电阻器增大,进而外泄电流量看起来更为大,并且源近于到漏极的泄露电流随溫度减少正圆形指数值持续增长。  (3)动态性功耗  动态性功耗关键由电容器蓄电池充电引起,它与3个主要参数相关:连接点电容器、输出功率和核心工作电压,他们与功耗成正比例关系。如式(1)下图,连接点电容器越大,输出功率越高,核心工作电压越大,其动态性功耗也就越高。而在FPGA中动态性功耗关键体现为储存器、內部逻辑性、时钟、I/O耗费的功耗。

在一般的设计方案中,动态性功耗占据了全部系统软件功耗的90%之上,因此 减少动态性功耗是减少全部系统软件功耗的首要条件。  (4)减少功耗带来的好处  ①低功耗的器件能够搭建更为降低成本的开关电源供配电系统。此外,更为比较简单的开关电源系统软件意味著较少的元器件和更为小的PCB总面积,某种意义能够控制成本[3]。

  ②更为较低的功耗引起的结温更为小,因而能够防止热无法控制,能够少使用或无须热管散热器,如散热风扇散热风扇、散热器等。  ③减少功耗能够减少结温,而结温的减少能够提高系统软件的可信性。

此外,较小的散热风扇或不用以散热风扇能够减少EMI[3]。  ④减少器件的使用期。器件的操作温度每减少10℃,使用期减少1倍。

  因此 针对FPGA来讲,减少功耗的显而易见取决于必需提高了全部系统软件的特性和品质,并扩大了容积,减少了成本费,对商品具备十分大的推动作用。  (5)怎样减少FPGA功耗  FPGA关键的功耗是由静态数据功耗和动态性功耗组成,减少FPGA的功耗便是减少静态数据功耗和动态性功耗。  静态数据功耗除开与加工工艺相关外,与溫度也是有非常大的关联。

一方面务必半导体公司应用技术设备的低功耗加工工艺设计制作处理芯片,减少外泄电流量(即随意选择低功耗的器件);另一方面能够根据减少溫度、结构型的设计方案来减少静态数据功耗。  FPGA动态性功耗关键体现为储存器、內部逻辑性、时钟、I/O耗费的功耗。

  ①随意选择必需的I/O规范能够节约功耗。I/O功耗关键来源于器件键入扩展槽相接的外界特性阻抗电容器、电阻器方式键入光耦电路及其外界给出互联网的蓄电池充电电流量。可挑选较低的驱动器抗压强度或较低的工作电压规范。

当系统软件速率回绝用以大功率I/O规范时,可设定默认设置情况以减少功耗。有的I/O规范务必用以上拉电阻才可以长期工作中,因而假如该I/O的默认设置情况为上拉电阻而不是低电频,就可以节约根据该落下帷幕电阻器的交流电功耗。

  ②当系统总线上的数据信息与存储器涉及到时,经常用以片选或时钟也就能逻辑性来操控存储器的也就能,尽早对该逻辑性进行数据信息也就能,以劝阻系统总线与时钟也就能存储器人组逻辑性中间多余的转换。另一种随意选择是在电路板上,而不是处理芯片上,进行这类数据信息也就能,以尽可能扩大CPU时钟周期时间。也就是用以CPLD从CPU维修比较简单每日任务,便于使其更为长期地正处在关机方式[4]。

  ③设计方案中全部汲取功耗的数据信号之中,时钟是元凶。


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