FPGA设计中的功率计算技巧

　　随着工艺技术的越来越前沿化， FPGA器件拥有更多的逻辑、存储器和特殊功能，如存储器接口、 DSP块和多种高速SERDES信道，这些发展不断地对系统功率要求提出挑战。由此，设计师也许会想要拖一座冰山到电路板上，但这样一来IT人员就会面临一团乱麻的境地了。显然冰山是一个不切实际的玩笑，以下是一种可行的方案：使用工具来精确计算功率要求。

　　功率计算的关键是两方面:静态和动态功率。 尽管FPGA厂商承诺将提供切实可用的低功耗器件，但由于工艺技术从130纳米缩小到90纳米、65纳米或更加小的线条，晶体管固有的漏电加剧了，静态功耗也增加了。此外，使用FPGA时极高的系统性能要求使得动态功耗上升，动态功耗是频率和开关节点的函数。那设计者如何才能准确地确定器件的功耗，同时考虑与这个问题有关的所有重要因素，有效地作出必要的设计权衡，建立一个满足所有性能要求的可靠系统呢？

　　功耗计算对于ＦＰＧＡ设计十分重要是基于两点考虑：系统电源的大小和散热。众所周知，系统中的所有器件都需要一个良好、清洁、精确和可靠的电源，且能有效地运作。精确地计算功耗就能有的放矢地确定电源大小，电源过大将增加成本。散热装置对系统可靠性至关重要。所有器件都已列出了其对器件结温容忍度的界限。超过这些界限，将可能导致运行效率低下，或者更糟糕的是导致系统永久地损坏。当然，也可以采用一些技术来缓解散热问题，如对系统增加散热片或气流，从而有效地降低运行温度。那么，在系统建立之前，设计师怎样才能够准确地估计功耗和设备的热耗？这相当于在谈论一个先有鸡还是先有蛋的问题！幸运的是，有一个专为这项任务而设计的功耗计算器。

　　准确评估功耗去建立一个热模型的一些基本要素如下：

　　1 。器件的各种要素： FPGA（使用的和未使用的部分） 、封装、工作频率、活动因素和速度等级。

　　2 。环境因素：散热片、气流、电路板尺寸和环境温度。

　　3 。可用性要素：设计过程中在任何时间的建模能力，导入实际的运行数据，方便地做“假设”的完整环境的评估。

　　

　　图1 完整的功率计算器

　　由于功率计算器必须在整个设计过程中都是可用的，能始终在这个工具中对器件作出选择很重要，同样，用户对不同的封装、器件、密度、速度等级和温度范围进行选择也是很重要的。热特性还使用户随时了解他的设计是在一个明确、安全的运行环境中进行。

　　功率计算器还提供了非常明确的单独工作区域，以按钮的形式对器件的每个结构、资源、可用的元件进行操作。针对可用性的要求，该工具会显示每个电源的电流和功率，以及每个元件和所有元件的功耗总和。这样给出了每个元件对整体功耗影响的完整了解，并允许用户决定如何将设计进行最好的优化，以减少总功耗。

　　表格的罗列展示是很有价值，图形也相当有用。图2展示了一组由功率计算器自动生成的图形。图表显示了下列信息：

　　功率与电压（或电压―――典型和最坏的情况）

　　功率与环境温度―――典型和最坏的情况

　　功率与频率―――典型和最坏的情况

　　这些图表为设计一个可靠系统提供了很有用的信息。

　　

　　图2 功率图

　　环境变量也必须是易于设置和修改的。图3展示了高级的热特性选择屏幕，用户可以轻松地为设计修改热特性。由工具或自定模式提供的普通热模型可用于计算，为任何设计环境提供灵活性和精确性也很重要。用户还可以设置散热片和气流参数，以及有效的用于计算的Theta-JA。为了能够实现所期望的性能和可靠的结果，所有这些因素对正确 分析实际系统 环境、作出必要的设计选择来说至关 重要。

　　

　　图3 高级热模型

　　有一个完整的系统级理解和精确的功率模型将能使设计师作出必要的决择，从而完成设计。然后，设计者可以集中精力于降低功耗，其中包括以下几个方面：

　　降低设备的工作电压

　　优化时钟频率

　　减少设计中长的布线

　　优化编码

　　优化热模型

　　依据设计中所用器件资源的全部数据、所有对建立热模型至关重要的环境变量、以及在设计过程中自由地使用和修改各点参数，就可以可靠地实现FPGA设计，使其满足系统性能指标。