满意28nm火急的低功耗需求

下降电子产品的功耗是很实践的问题；在这种越来越强的动力认识以及火急需求下降功耗的环境下，许多产品开发人员和出产商都拟定了开展战略来赢得竞赛优势。下降功耗为规划人员和终究用户带来了以下优势：

元器材供货商有必要为开发人员和出产商供给最佳挑选来下降能耗，满意火急的功耗需求，否则，在竞赛中将会处于显着的晦气位置。Altera最新一代28-nm器材协助产品开发人员和出产商直接满意火急的功耗需求。

美国动力部猜测全球发电量到2015年将超越20万亿千瓦时(kWh)，2035年到达35万亿千瓦时，如全球发电量未来添加所示。在数据中心以及通讯网络的推进下，电子设备用电量添加十分敏捷。例如，美国的服务器和其他互联网基础设备的功耗从2000年的200亿kWh添加到2005年的400亿kWh，现已翻倍。Koomey, Jonathan, G博士，美国和全球服务器总功耗猜测，斯坦福大学，2007年2月1在同一时期，全球相同设备的功耗从2000年的600亿kWh添加到2005年的1200亿kWh，也现已翻倍。

展望未来，美国数据中心的功耗2011年将到达1000亿kWh，依照这一趋势，2020年将会翻倍。这种快速添加将对经济开展发生很大影响。2015年，服务器工作的动力本钱将超越服务器硬件本钱^{智能动力欧洲，高效服务器：}——这会明显影响全球通讯和数据中心基础设备的经济本钱。

在快速添加的用电量中，数据中心只占了其间的一小部分。其他用电较多的范畴包含传送数据的通讯网络，用作数据流终端的PC和监视器等。一切这些都是信息和通讯技能(ICT)部分的组成。许多工业安排以CO2等价排放量来衡量ICT部分的能耗，反映了工业范畴排放了多少温室气体。ICT部分每年发生大约相当于500兆吨的CO2，30%来源于有线和无线通讯，依照这种开展趋势，2020年将超越14亿吨，如全球ICT CO2排放量散布所示。^SMART 2020，在信息时代完成低碳经济：

对动力需求的快速添加促进政府和工业部分进一步进步能效。例如，美国政府是美国最大的能耗单位，每年本钱高达200亿美元，它现在经过多种办法来下降功耗，包含只购买能耗小于1瓦或许待机功耗很低的产品。^{美国联邦动力管理项目，执行号13221，2001年8月2号：}

相同的，欧盟拟定了法规，要求产品的待机功耗只要1W到2 W，2013年下降到0.5W或许1W。加州也拟定了法规，要求2013年电视的功耗下降49%。^{加州动力委员会，加州经过新的节能电视法案，2009年11月18号：}

私人企业和工业安排也在活跃采纳办法下降功耗。例如，Verizon公司要求一切新设备的功耗有必要比老设备低20%。^Verizon Wireless，Verizon首先树立网络、数据中心和消费类设备的节能规范，20据工业安排GreenTouchTM，全球通讯网络现在发生相当于3亿吨的CO2，^Judge, Peter，阿尔卡特朗讯宣告进步网络运转功率1000-Fol，Eweek Europe，20据GSMA移动通讯集团，包含便携式设备在内的全球移动通讯基础设备发生了相当于245兆吨的CO2。^{移动通讯(GSM)联盟全球体系，Green} Manifesto，2009年11月1号：

一切这些安排都主张经过设置一些方针来削减温室气体的排放。例如，GreenTouch主张将互联网和其他通讯网络的能效进步1,000倍，采纳适宜的手法到2015年完成这一方针。^{GreenTouch方案，Fast} Facts：

类似的，GSMA尽管猜测2020年移动链接将添加70%，到达80亿，但仍然主张移动范畴尽力坚持现在的全球温室气体排放水平。与2009年比较，到2020年，其方针是每一链接的全球温室气体排放量下降40%。相同的GSMA文档猜测“2020年全球排放能效可以进步15%。这是敏捷削减排放，并且本钱最低的挑选。”^{移动通讯(GSM)联盟全球体系，Green} Manifesto，2009年11月1号：

拟定了这些低功耗方针后，产品开发人员有必要进一步进步产品功用，一起下降能耗。并且，下降功耗还有助于协助终究用户进步经济收益。例如，关于服务供货商依托电子产品作为其商业模型的状况，下降功耗可以削减与电子设备供电和散热相关的运营开支。并且，下降总功耗可以下降实践供电需求。一切这些要素都有利于减小设备规划，下降投入和运营本钱。如经过供应链来下降功耗需求所示，这些终究用户需求转换为设备供货商的需求，终究是元器材供货商的需求。

FPGA和可编程逻辑器材(PLD)十分合适产品开发人员经过以下办法，以低本钱来操控功耗：

灵敏的可编程逻辑具有低功耗优势，在归纳考虑全定制硅片的本钱和产品及时面市时，它是十分有吸引力的挑选。

在28-nm节点，规划人员运用Altera器材可以针对特定的方针商场和运用来定制功耗。Altera的办法在28-nm系列产品中运用了多种半导体工艺，针对产品和某些系列体系结构进行了优化，增强了IP。成果，与前一代同类产品比较，Altera的28 nm FPGA功耗下降了40%。

TSMC的28-nm工艺挑选 显现了台积电(TSMC)的三种28-nm工艺技能，该公司是可编程逻辑供货商的28-nm节点半导体代工线。在这些工艺中，许多晶体管具有较大的静态功耗规模。左边的晶体管静态功耗较低，而右侧的较大。这也表现了静态功耗与这些晶体管功用之间的联系。总体上，晶体管功用越好，静态功耗也就越高。Altera在28 nm产品上一起运用了28LP和28HP工艺来进步功用规模，以及多种功耗挑选。第三种工艺挑选是28HPL，某些晶体管的静态功耗较低，坐落标以“HPL Option”的部分中，可是许多运用这类晶体管会导致FPGA运转较慢，关于许多规划人员而言是无法承受的。相应的，FPGA的28HPL工艺需求运用高速低走漏晶体管，无法表现静态功耗的优势。

在28-nm节点，Altera器材是一切FPGA中总功耗最低的。这些器材之所以具有优异的功耗特性，是由于在产品开发的一切阶段都十分重视下降功耗。从28HP和28LP半导体工艺就开端重视下降功耗。

关于Altera重视下降高功用28HP Stratix V器材系列功耗的具体信息，请参阅“下降28-nm FPGA功耗，进步带宽”白皮书。

与Stratix V系列不同，Altera的其他28-nm FPGA产品——Cyclone V和Arria V系列，规划用于不需求肯定最高功用和带宽的运用。成果，它们根据28LP工艺，规划用于供给最低总功耗，如TSMC所述：

“与TSMC的40LP技能比较，根据SiON的28LP工艺选用了该系列中最低总功耗和高性价比技能，其逻辑密度将翻倍，速度进步50%，功耗下降30-50%。”

其他在28-nm节点寻求肯定最低功耗的首要半导体供货商也挑选了28LP工艺，正如Qualcomm所声称的那样：“Qualcomm与TSMC协作，推出了咱们的Snapdragon™ S4类处理器，包含Snapdragon S4 MSM8960™，它是高度集成的双核SoC，规划满意了前沿智能电话和平板电脑的低功耗需求。Snapdragon S4类处理器选用了TSMC十分杂乱的28LP工艺，使Qualcomm可以突破性的完成了高功用和超低功耗的移动设备。”^{TSMC新闻发布，“TSMC} 28nm技能到达量产”，2011年10月24号：

在低功耗基础上，Altera还采纳了其他办法来下降28LP器材的静态功耗，包含许多运用“低走漏”晶体管等，然后下降了静态电流。此外，Cyclone V和Arria V系列还供给一些可以禁用的器材特性，包含收发器、I/O块、PCI Express模块、存储器模块以及分段式PLL等。这些特性相结合，与前一代FPGA比较，器材静态功耗下降了70%。例如，Arria V系列的器材功耗在500K LE时不到750mW，比现在的中端和高端40-nm FPGA静态功耗低得多。而竞赛28-nm FPGA的静态功耗是Arria V FPGA的2.6倍。 Arria V静态功耗比照显现了Arria V GX器材的典型静态功耗，以蓝色实线表明，而以蓝色点线表明最差状况下的功耗。类似的，赤色实线表明竞赛中端28-nm FPGA的典型静态功耗，点线表明最差状况下的功耗。凭借这些特性，在同类FPGA中，Arria V器材的静态功耗是最低的。

除了低静态功耗，Altera Cyclone V和Arria V器材的动态功耗也较低，然后完成了最低总功耗。Altera从28LP工艺开端选用了下降动态功耗的办法，首要面向低功耗运用，包含，便携式消费类、无线链接和蜂窝基带等。TSMC论述了供给高档工艺来完成最低总功耗而不仅仅是静态或许动态功耗的原因：

“咱们之所以决定为28LPT工艺开发牢靠的SiON技能，是由于无线和便携式消费类运用需求在不断改变，咱们一向面临产品要契合商场需求的压力。顾客几年前需求低走漏手持式设备，要求电池可以运用较长的时刻。今日的顾客越来越依托无线设备来阅读互联网，观看视频，听音乐，运用移动电视、GPS导航，以及传统的电话和文本服务等。主动运用功耗现在是电池运用时刻的首要要素。SiON逻辑门技能由于具有较小的栅极电容，因而，动态功耗比HKMG (高K金属门)低，关于功耗受限的运用，供给的解决方案具有较低的总功耗，本钱和危险也很低。”

28LP工艺具有较低的栅极电容，有源栅极电容比28HPL低30%。在Cyclone V和Arria V器材中，Altera还选用了其他办法来下降器材电容，包含用于存储器操控器的硬核IP、PCI Express，还供给收发器协议支撑，减小了管芯面积及其相关电容。终究，与Stratix V器材比较，Altera还针对Cyclone V和Arria V器材的根本体系结构模块进行了优化。这些优化办法减小了硅片面积以及相关的电容，使得28LP器材系列满意了方针运用的功用要求。例如，Arria V器材逻辑阵列模块(LAB，10个自适应逻辑模块)的管芯面积比Stratix V LAB小40%。Cyclone V和Arria V器材的硬核存储器操控器也相同减小了管芯面积以及外部存储器接口的相关电容。一切减小器材电容的这些办法都下降了动态功耗，契合下面了解的功耗公式，其间，C表明开关电路的%&&&&&%：

动态功耗 = 1/2CV 2 × f

Altera还下降了器材收发器的动态功耗。Altera丰厚的收发器规划专业知识在业界是名列前茅的，其共同的优势反映在收发器较低的动态功耗上。例如，在6 Gbps，Arria V收发器功耗不到100mW，比28-nm竞赛FPGA的功耗低得多，如85C结温，6 Gbps时每通道的收发器总功耗所示。关于选用了36个收发器Arria V器材的规划，功耗下降了5W多。

Altera在28-nm节点完成了较低的收发器功耗，这是由于咱们经过了多年的磨炼，增强了专用体系结构。在可编程逻辑业界，只要咱们可以继续不断的开展高档收发器技能，因而，功耗一向在逐渐下降。竞赛解决方案每一代产品的收发器功耗都在添加，如所示，画出了收发器物理介质附加层(PMA)功耗与多代FPGA之间的联系曲线。

经过这些静态和动态功耗优化办法，Altera根据28LP的FPGA总功耗比前几代器材下降了40%，全面下降了功耗，如Cyclone V下降了功耗所示。

在工艺和体系结构立异基础上，Altera在Quartus II的软件功耗优化方面进行了许多的投入。功耗驱动的编译运用功耗驱动归纳和功耗驱动布局布线功用，首要用于下降规划的总功耗。关于规划人员而言，这种功耗驱动的办法是通明的，经过简略编译设置来完成。规划工程师将时序束缚简略地设置为规划输入进程的一部分，对规划进行归纳，满意功用要求。Quartus II为每一功用模块主动挑选所需的功用，并经过功耗预知布局布线和时钟技能来下降功耗，如包含主动功耗优化的Quartus II规划流程所示。

Quartus II软件在不同的编译阶段采纳各种办法来下降规划的总功耗。在归纳阶段，Quartus II软件提取时钟使能信号，进行时钟选通，削减对RAM模块的拜访，从头构建逻辑以防止高触发网。在适配阶段，Quartus II软件找到高触发网，以下降动态功耗，优化逻辑布局，减小时钟功耗，完成高成效DSP和RAM模块装备。终究，在汇编级，Quartus II软件对未运用的电路进行编程，尽可能减小触发，或许进行关断。终究的规划以最低的功耗满意了规划人员的时序要求。

如Quartus II软件的功耗优化设置所示，规划人员可以挑选不同等级的功耗优化选项，以满意规划束缚要求。挑选Extra Effort设置，最大极限的下降功耗，价值是较长的编译时刻。不同的规划，挑选不同的尽力等级会有不同的成果。这一特性下降了功耗，不需求规划人员的干涉，一起减小了对规划功用的影响。此外，在具体的电路模型和高档核算办法的指导下进行功耗优化，预算哪些信号是被常常触发的。经过这些信息，Altera确认高成效完成办法，不需求规划人员的额定输入(例如，对规划进行耗时的仿真以确认开关速率)。

Altera为业界供给最先进、功耗最低的FPGA。经过基准测验来预算各类典型运用的总功耗，进一步表明晰Arria V器材相关于竞赛28-nm器材的低功耗优势。Arria V FPGA和竞赛28-nm FPGA的总功耗对此显现了这些基准测验的成果，这些都记录在Altera wiki网站上，以便进一步进行研究学习。

Altera低功耗28-nm器材的长处包含，下降产品本钱，下降或许放宽功耗预算，较低的散热要求，可以满意更多的商场需求，在相同的散热和功耗预算内进一步进步功用等。选用最全面的办法下降28-nm产品的功耗，Altera协助规划人员满意了火急的低功耗需求。