FPGA的运用越来越广泛，跟着制作工艺水平的不断进步，越来越高的器材密度以及功用使得功耗因数在FPGA规划中越来越重要。器材中元件模块的品种和数量对FPGA规划中功耗的动态规模影响较大，对FPGA的电源功耗进行了剖析，并介绍了怎么运用Altera公司的PowerPlay Early Power Estimator这一东西在规划前期尽可能精确地估量功耗并经过估量功耗对硬件规划进行优化挑选。
0 引 言
当时FPGA运用越来越广泛，在高功用FPGA规划中，越来越高的器材密度以及功用使得功耗因数愈加重要。大规模器材在完结更多的体系功用，以更高的速度运转并完结更高档的功用的一起，功耗必然会更大。开发者在面临此类规划时会在功耗方面遇到许多应战。对经过芯片从头编程就能够修正的FPGA规划，在规划过程中尽早完结电源供电和散热计划的规划有利于加快整个体系的完结。规划中体系组件应保持在必定的功耗预算规模内，假如超出预算则需求从头规划供电电源及散热计划，这会延伸规划周期。一起较大的电源和散热硬件会添加本钱，下降功耗也就下降了体系总本钱。并且当规划中需求的电扇和散热硬件越多，体系故障的概率就越大，这将影响体系的牢靠性。综上所述，做好前期功率预算具有重大意义。
1 FPGA器材功耗剖析
当时，跟着FPGA器材的封装尺度越来越小，密度越来越大，一起体系对器材的功用和牢靠性要求不断进步，功耗预算对电源计划，散热计划及体系故障影响的问题已不容忽视。
1.1 功耗的组成
功耗一般由两部分组成：静态功耗和动态功耗。静态功耗也称为待机功耗，是指逻辑门没有开关活动时的功率耗费，首要是由晶体管的漏电流引起，由源极到漏极的漏电流以及栅极到衬底的漏电流组成，图1中静态部分显现了器材的静态功耗。图中最终阶段显现的是器材正常作业时的功耗，作业功耗一起包含静态功耗，I/O以及动态功耗。动态功耗是指逻辑门开关活动时的功率耗费，首要由电容充放电引起，其首要的影响参数是电压、节点电容、作业频率和资源运用状况，不同规划时期的动态功耗和相应的总功耗会有很大的不同。在传统器材中动态功耗占有首要位置，但在新的28 nm工艺的器材中，静态功耗的比重添加很大，根本和动态功耗处于平等位置。一起依据FPGA规划面向对象的不同，功耗的比重也会有不同。当规划面向算法时，动态功耗将占较多比重，当规划面向操控功用时，静态功耗将占较多的比重。
图1 器材功耗监测图
1.2 静态功耗
静态功耗的发生首要取决于所选的FPGA产品，一般不会跟着规划资源的运用状况而改动，可是静态功耗也会遭到器材所挑选的作业形式、I/O的运用、作业温度以及所选器材电源的影响。运用逻辑单元较多的器材含有较多的晶体管，因而其静态功耗会高一些，所以规划者应检查所选器材的数据资料，详细了解其静态功耗。在不同温度环境中，静态功耗也会跟着温度的升高而增大，此刻高效的散热处理计划能有效地处理这一问题。因而在规划电源时，应针对挑选的器材和作业环境，挑选合适的静态功耗标准。
1.3 动态功耗
不同的规划有不同的动态功耗，当开发低功耗FPGA规划时，动态功耗是更可控的功耗重量，如下式：
影响动态功耗的要素包含：器材中晶体管%&&&&&%充电，作业电压，晶体管开关的瞬间短路电流功耗，规划的作业频率，以及被称为电路活动的每一时钟周期触发器开关的次数。规划人员依据规划要求决议作业电压，作业频率以及信号活动。信号活动包含触发率和静态概率。信号触发率是精确预算动态功耗的要害要素，跟着触发率的添加，动态功耗也线性增大。而静态概率首要影响静态功耗。
1.4 低功耗的长处
低功耗器材的长处首要有以下几项：首要能够选用低本钱的电源体系，然后能够运用更少的元件和更小的PCB板面积，为规划节省了本钱。其次低功耗器材引起的结温更小，因而能够避免热失控，能够少用或不必散热器，并且结温的下降能够进步体系的牢靠性。最终低功耗能够延伸器材的运用寿命，器材的作业温度每下降10 ℃，运用寿命延伸1倍。因而，在FPGA规划中，下降功耗直接进步了整个体系的功用和质量并下降了本钱，对体系的开发有积极作用。
经过对FPGA功耗的相关组成和影响功耗相关要素的剖析，规划者经过优化规划，能够在FPGA规划中完结低功耗。经过一款详细的FPGA产品了解其低功耗的处理方法，能够为规划者供给辅导。FPGA均可在相应的操作环境下进行仿真，然后了解功耗的详细运用状况，针对相应的状况进行修正。
2 对功耗进行仿真建模
规划的前期，尽可能快地预算体系功耗运用状况，有助于开发人员加快产品规划进展，便利快捷精确的功耗预算东西是开发人员最好的帮手。Altera公司推出了PowerPlay Early Power Estimator(EPE)这一细巧有用的东西，在依据表格的页面剖析环境中对功耗剖析进行仿真建模，用EPE陈述的信息能够挑选电源供电的规划，满意规划要求。
2.1 EPE的用户界面
EPE的主作业表如图2所示，表中给出了当时规划的功耗概览，列举了器材根本信息、总功耗、热剖析和电源巨细等信息。一起底部显现了包含Logic标签、RAM标签、I/O标签、DSP标签、PLL标签、Report标签等。
图2 EPE主作业表
2.2 EPE的运用方法
EPE的运用方法十分便利，规划人员在各个页面输入相应的器材的根本信息(包含器材类型、内核电压、环境温度、散热处理计划特性等)、资源运用率、触发率、时钟频率等信息。然后点击View Report或Report标签就能够检查功耗预算成果陈述，陈述会给出器材的散热剖析，每一类器材资源的功耗运用状况，以及每一电源的功耗运用状况等，便于规划人员规划相应的电源模块。在主作业表底部挑选相应的资源标签能够转到相应资源区域的详细信息，能够对规划中每一模块的资源运用状况进行统计剖析。EPE估量功耗运用状况的精确性依赖于规划者供给的参数信息，例如精确的触发率、时钟频率、含有信号活动信息的仿真建模状况、逻辑单元数量等资源运用状况以及作业的环境状况等。供给的信息越精确，功耗预算的成果就越精确。
2.3 EPE中的重要参数——触发率
在运用EPE估量功耗时，一些要害的参数值对功耗估量的成果影响较大，特别是触发率的数值。要将功耗和触发率联系起来，能够以为在状况改动的时刻距离期间，信号的每一次改动需求必定数量的能量去改动内部电路的状况。触发率被界说为每秒钟信号转化的均匀次数，以百分比表明。在触发器中，假如体系最大时钟频率为100 MHz，一切触发的触发器的均匀输出频率为10 MHz，那么一切触发器的均匀触发率为20%。因为这品种型的触发器都是在信号活动的时钟边缘(上升沿)触发，100%的触发率则表明一个触发器的翻转频率为50 MHz。规划者应模仿每个模块中的一切触发器输出的时钟，并核算触发器输出相关于时钟改动的概率。FPGA器材中不同模块的触发率数值不同，在数据途径逻辑中，触发率的规模从6%12%。随机逻辑中，如编解码的触发率大概在50%，而操控逻辑的触发率最高可接近100%。以上都是作为估量触发率数值的一般原则，而实在规划部分的触发率彻底取决于规划和数据集。例如，重置信号是一个操控信号，它可能有一个十分低的触发率。在功用仿真中需求精确的核算一切模块的均匀触发率。图3给出了核算均匀触发率的一个比如。
图3 均匀触发率的核算方法
图4的陈述成果给出了三种均匀触发率对功耗的影响成果，从左到右均匀触发率的值依次为7%，12.5%，30%。跟着触发率的进步，静态功耗根本没有改动而动态功耗以及相应的总功耗会线性进步。规划者能够依据本身规划需求(面向算法或是操控)和均匀触发率的核算成果，合理设置触发率数值巨细。
图4 触发率对功耗的影响
3 结语
功耗的前期估量关于FPGA体系规划十分重要是依据两点考虑：体系电源的巨细和散热。充沛了解FPGA的作业功耗、静态功耗、动态功耗、内核与I/O资源状况将影响下降功耗的战略。怎么运用简略易用的东西，针对规划中方针器材的类型和规划的特性，高效精确的完结前期功率估量将有助于规划者加快整个体系的规划完结。
