聊一聊FPGA低功耗設計的那些事兒

　　以下是筆者一些關于FPGA功耗估計和如何進行低功耗設計的知識：

　　1. 功耗分析

　　整個FPGA設計的總功耗由三部分功耗組成：1. 芯片靜態功耗；2. 設計靜態功耗；3. 設計動態功耗。

　　芯片靜態功耗：FPGA在上電后還未配置時，主要由晶體管的泄露電流所消耗的功耗

　　設計靜態功耗：當FPGA配置完成后，當設計還未啟動時，需要維持I/O的靜態電流，時鐘管理和其它部分電路的靜態功耗

　　設計動態功耗：FPGA內設計正常啟動后，設計的功耗；這部分功耗的多少主要取決于芯片所用電平，以及FPGA內部邏輯和布線資源的占用

　　顯而易見，前兩部分的功耗取決于FPGA芯片及硬件設計本身，很難有較大的改善。可以優化是第3部分功耗：設計動態功耗，而且這部分功耗占總功耗的90%左右，因此所以降低設計動態功耗是降低整個系統功耗的關鍵因素。上面也提到過功耗較大會使FPGA發熱量升高，那有沒有一個定量的分析呢？答案當然是有，如下式：

　　Tjmax > θJA * PD + TA

　　其中Tjmax表示FPGA芯片的最高結溫（maximum junction temperature）；θJA表示FPGA與周圍大氣環境的結區熱阻抗（Junction to ambient thermal resistance），單位是°C/W；PD表示FPGA總功耗（power dissipation），單位是W；TA表示周圍環境溫度。

　　以XC7K410T-2FFG900I系列芯片為例，θJA = 8.2°C/W，在TA = 55°C的環境中，想要結溫Tjmax不超過100°C的情況下，可以推算FPGA的總功耗：PD <（Tjmax – TA）/θJA=（100 - 55）/8.2=5.488W，之前估算的20W與之相差太遠，因此優化是必不可少的：

　　1）降低θJA：熱阻抗取決于芯片與環境的熱傳導效率，可通過加散熱片或者風扇減小熱阻抗

　　圖1

　　2）減小PD：通過優化FPGA設計，降低總功耗，這也是本文重點講解的部分。

　　2. 功耗估計

　　在講解低功耗設計之前，介紹一下xilinx的功耗估計工具XPE（Xilinx Power Estimator），XPE主要是在項目初期，處于系統設計，RTL代碼并未完善階段功耗估計時使用，它是一個基于EXCEL的工具，如圖2所示，功能做的十分豐富。