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Virtex-5 FPGA中的65nm晶体管栅极电容

信息来源 : 网络发布时间:2016-07-14 04:07|3545次浏览

对于FPGA来说,设计人员可以充分利用其可编程能力以及相关的工具来准确估算功耗,然后再通过优化技术来使FPGA设计以及相应的PCB板在功率方面效率更高。
静态和动态功耗及其变化

在90nm工艺时,电流泄漏问题对ASIC和FPGA都变得相当严重。在65nm工艺下,这一问题更具挑战性。为获得更高的晶体管性能,必须降低阈值电压,但同时也加大了电流泄漏。Xilinx公司在降低电流泄漏方面做了许多努力,尽管如此,源于泄漏的静态功耗在最差和典型工艺条件下的变化仍然有2:1。泄漏功耗受内核电压(VCCINT)的影响很大,大约与其立方成比例,哪怕VCCINT仅上升5%,静态功耗就会提高约15%。最后,泄漏电流还与结(或芯片)温密切相关。

FPGA中静态功耗的其它来源是工作电路的直流电流,但在很大程度上,这部分电流随工艺和温度的变化不大。例如I/O电源(如HSTL、SSTL和LVDS等I/O标准的端接电压)以及LVDS等电流驱动型I/O的直流电流。有些FPGA模拟模块也带来静态功耗,但同样与工艺和温度的关系不大。例如,Xilinx FPGA中用来控制时钟的数字时钟管理器(DCM);Xilinx Virtex-5 FPGA中的锁相环(PLL);以及Xilinx FPGA中用于输入和输出信息可编程延迟的单元IODELAY。

动态功耗是指FPGA内核或I/O的开关活动引起的功耗。为计算动态功耗,必须知道开关晶体管和连线的数量、电容和开关频率。FPGA中,晶体管在金属连线间实现逻辑和可编程互连。电容则包括晶体管寄生电容和金属互连线电容。

动态功率的公式:PDYNAMIC=nCV2f,其中,n=开关结点的数量,C=电容,V=电压摆幅,f=开关频率。

更紧凑的逻辑封装(通过内部FPGA架构改变)可以减少开关晶体管的数量。采用更小尺寸的晶体管可以缩短晶体管之间的连线长度,从而降低动态功率。因此,Virtex-5 FPGA中的65nm晶体管栅极电容更小、互连线长度也更短。两者结合起来可将结点的电容减小约15%至20%,这可进一步降低动态功率。

电压对于动态功率也有影响。从90nm转向65nm工艺,仅仅通过将VCCINT从1.2V降至1V,Virtex-5 FPGA设计的动态功率就降低了约30%。再加上结构增强带来的功率降低,总的动态功耗比90nm技术时降低达40%至50%。

(注:动态功率与VCCINT的平方成正比,但对于FPGA内核来说基本上与温度和工艺无关。)

利用FPGA设计技术降低功耗

Xilinx公司提供了两款功率分析工具。XPower Estimator (XPE)电子数据表工具可在设计人员使用物理实施工具前使用。在设计物理实施完成后,则可以采用第二款工具XPower Analyzer来检查所做的改变对功耗的影响。

降低功耗的一种方法就是为设计选择最适用的FPGA,然后利用其可编程能力进一步优化设计的功耗。正确的设计选择会同时改善静态和动态功耗。

源于泄漏电流的静态功率正比于逻辑资源的数量,也就是说正比于构造特定FPGA所使用的晶体管数量。因此,如果减少所使用的FPGA资源,采用更小的器件实现设计,那么就可以降低静态功耗。

可以采用多种方法来降低设计的规模,最基本的一种技巧就是逻辑功能分时。也就是说,如果两组电路完成一组线性功能,并且彼此完全相同,那么就可以只用一组电路但将速率提高一倍来完成同样的功能。这样需要的逻辑资源就减少了一半。

另一种缩小逻辑规模的方法是利用Xilinx FPGA的部分重配置功能,当两部分电路不同时工作时,可以在某个时间段将某部分电路重新配置实现另一种电路功能。

同时,还可以将功能移动到不太受限制的资源,例如,将状态机转移到BRAM、或者将计数器转移到DSP48模块、寄存器转移到移位寄存器逻辑,以及将BRAM转移到查找表RAM(LUTRAM)。同时还可以保证不要让设计的时序太紧张,因为那样会需要更多的逻辑和寄存器。

此外,还应当充分发挥FPGA架构中集成的硬IP块(BRAM、DSP、FIFO、Ethernet MAC、PCI Express)的优点。


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