原標(biāo)題：低功耗已是必然，換個(gè)角度細(xì)講FPGA低功耗設(shè)計(jì)

低功耗設(shè)計(jì)在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已成為不可或缺的一環(huán)，尤其是在便攜式設(shè)備、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等對(duì)功耗要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景中。FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）作為一種高度靈活的可編程邏輯器件，其低功耗設(shè)計(jì)同樣具有重要意義。以下從多個(gè)角度詳細(xì)探討FPGA低功耗設(shè)計(jì)的策略和方法：

一、功耗組成分析

FPGA的總功耗主要由三部分組成：

1. 芯片靜態(tài)功耗：FPGA在上電后還未配置時(shí)，主要由晶體管的泄漏電流所消耗的功耗。

2. 設(shè)計(jì)靜態(tài)功耗：當(dāng)FPGA配置完成后，但設(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。

3. 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。其中，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)功耗占總功耗的90%左右，因此是降低整個(gè)系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵因素。

二、低功耗設(shè)計(jì)策略

1. 硬件選型與配置

• 選擇低功耗FPGA：優(yōu)先選擇采用低功耗工藝制造的FPGA，如賽靈思7系列FPGA采用的28HPL（28nm高性能低功耗）工藝，可以在提高性能的同時(shí)顯著降低功耗。

• 適當(dāng)選擇FPGA規(guī)模：在開(kāi)發(fā)階段選擇較大的FPGA，以便在設(shè)計(jì)過(guò)程中有足夠的資源進(jìn)行優(yōu)化。但在生產(chǎn)階段，應(yīng)選擇較小的FPGA，以降低系統(tǒng)功耗和成本。

• 利用堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)：對(duì)于大型系統(tǒng)，可以選擇采用堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)制造的大型FPGA，以顯著降低靜態(tài)功耗和I/O互聯(lián)功耗。

2. 時(shí)鐘管理

• 時(shí)鐘頻率調(diào)整：通過(guò)降低時(shí)鐘頻率來(lái)減少功耗。可以采用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整（DVS）和動(dòng)態(tài)頻率調(diào)整（DFS）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

• 時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)：根據(jù)需要對(duì)模塊的時(shí)鐘進(jìn)行動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)，減少未使用模塊的功耗。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。因此，應(yīng)當(dāng)考慮禁止時(shí)鐘樹(shù)翻轉(zhuǎn)，而不是僅使用時(shí)鐘使能。

• 時(shí)鐘域劃分：將不同模塊劃分為獨(dú)立的時(shí)鐘域，以降低時(shí)鐘開(kāi)銷(xiāo)。

• 時(shí)鐘樹(shù)優(yōu)化：優(yōu)化時(shí)鐘樹(shù)的布線和縮短時(shí)鐘路徑長(zhǎng)度，減少時(shí)鐘信號(hào)的功耗損耗。

3. 資源利用率優(yōu)化

• 減少邏輯資源使用：盡可能減少設(shè)計(jì)中使用的邏輯數(shù)量，使用專用的硬件模塊代替在CLB（可配置邏輯塊）中實(shí)現(xiàn)相同的邏輯。

• 優(yōu)化BRAM（塊隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）使用：BRAM是FPGA中功耗較大的部分。通過(guò)優(yōu)化BRAM的配置和使用方式（如使用“NO CHANGE”模式、控制“EN”信號(hào)等），可以有效降低功耗。

• 資源分配與路由優(yōu)化：通過(guò)合理配置資源分配和使用優(yōu)化器的自動(dòng)布線功能，將頻繁使用的模塊分配在同一個(gè)邏輯簇中以減少功耗。

4. 功耗分析工具使用

• 早期功耗估測(cè)：在設(shè)計(jì)初期，使用XPower EsTImator（XPE）等電子數(shù)據(jù)表對(duì)功耗進(jìn)行早期估測(cè)，幫助確定應(yīng)用所需的合適的電源和散熱管理組件。

• RTL級(jí)功耗估測(cè)：使用PlanAhead等軟件在RTL級(jí)對(duì)設(shè)計(jì)電源進(jìn)行分配情況估測(cè)，通過(guò)設(shè)定器件的運(yùn)行環(huán)境、I/O屬性和默認(rèn)活躍度等約束條件，得出功耗估算報(bào)告。

• 后期功耗分析：使用Xpower Analyzer（XPA）等專門(mén)工具對(duì)布局布線設(shè)計(jì)功耗進(jìn)行詳細(xì)分析，確定設(shè)計(jì)中最耗電的模塊或部件，從而簡(jiǎn)化功耗優(yōu)化工作。

三、其他低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)

• 低功耗模式設(shè)計(jì)：優(yōu)化模塊的電源管理，并引入低功耗模式以提高系統(tǒng)效率。

• 數(shù)據(jù)通路優(yōu)化：優(yōu)化數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率和性能，減少不必要的功耗。

• 散熱設(shè)計(jì)：通過(guò)合理的散熱設(shè)計(jì)，如使用散熱片、導(dǎo)熱硅脂和風(fēng)扇等，將FPGA芯片的熱量及時(shí)散發(fā)出去，防止因過(guò)熱而導(dǎo)致的功耗增加和性能下降。

綜上所述，F(xiàn)PGA低功耗設(shè)計(jì)需要從硬件選型、時(shí)鐘管理、資源利用率優(yōu)化、功耗分析工具使用以及散熱設(shè)計(jì)等多個(gè)角度進(jìn)行綜合考慮和實(shí)施。通過(guò)綜合運(yùn)用這些策略和方法，可以有效降低FPGA的功耗，提升系統(tǒng)的整體性能和可靠性。