利用Freeze技術(shù)的FPGA實現(xiàn)低功耗設(shè)計
由于更嚴格的功耗限制、規(guī)范和標準要求,系統(tǒng)設(shè)計師現(xiàn)在比什么時候都關(guān)注功耗問題。對于下一代的設(shè)計,功耗預算通常得到穩(wěn)定的控制,或者降低,但卻增加了更多的特性和處理能力需求。通常,盡管產(chǎn)品特性和性能需求不斷增加,功耗預算還是很緊張,功能和性能的增加與降低功耗的目的是相矛盾的。摩爾定律效應縮小了工藝的尺寸加大了功耗問題,而且由于高的晶體管泄漏增加了靜態(tài)功耗。
如數(shù)碼相機、無線手持設(shè)備、智能電話和多媒體播放器這些電池供電應用的增長,推動了對低功耗半導體器件的需求。這種需求的爆發(fā)性增長加之對節(jié)能的不斷提高的要求,特別是與電池壽命相關(guān)的節(jié)能要求,導致對低功耗半導體技術(shù)的全球性需求。其結(jié)果是,半導體設(shè)計師開始研究如何在不增加系統(tǒng)的功率條件下,不斷地提高性能、降低成本并延長電池的壽命。
需要低功耗的半導體技術(shù)的應用可以是電池供電的電器、具有可靠性考慮的熱敏感應用,或者具有嚴格功率預算以及冷卻方法受限的交流電供電應用。需要低功耗解決方案的應用包括從便攜式電子產(chǎn)品到工業(yè)測試和測量設(shè)備,以及可移動的醫(yī)療電子設(shè)備和汽車應用以及軍用和航空應用。
對于這些應用,可以使系統(tǒng)快速進入和退出低功耗模式,最終獲得最低的功耗和很長的系統(tǒng)空閑時間。其它的考慮包括設(shè)計安全性、原型建立、外形尺寸、設(shè)計復用以及現(xiàn)場可升級能力。
傳統(tǒng)上,專用集成電路(ASIC)和復雜的可編程邏輯器件(CPLD)解決了便攜式市場的需求。然而,當今某些低功耗應用中所使用的CPLD開始失去其魅力,這主要因為對更高端特性的需求增加、需要額外的邏輯以及相對較高成本導致。由于產(chǎn)品面市時間更長,并且在滿足不斷變化的標準以及后期的設(shè)計修改上缺乏足夠的靈活性,使用ASIC的風險變得更高,常常對于某些便攜式應用來說并不適用,這些應用的市場動態(tài)改變導致更傾向于采用低功耗的PLD和FPGA。
這樣一來,隨著終端產(chǎn)品壽命縮短、競爭加劇以及產(chǎn)品上市時間對產(chǎn)品的成功有極大的影響,可編程的半導體平臺成為首先的解決方案。使用可編程解決方案是最容易的,且最快上市、獲利的。然而,這些可編程平臺還應該滿足所有其它的設(shè)計要求,例如成本、功能和性能、尺寸、安全性,以及必然的功率問題。市場研究公司iSuppli預測,20億美元的ASIC市場可能有3億美元的分額轉(zhuǎn)移到低功耗現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)解決方案。
可編程、全功能的FPGA,例如基于閃存的Actel IGLOO系列能滿足便攜式應用市場的短產(chǎn)品壽命周期和激烈的競爭問題。這些器件能滿足便攜式應用設(shè)計需求,例如以ASIC水平的單位成本實現(xiàn)最高的設(shè)計安全性、小的產(chǎn)品尺寸、上電即用(LAPU)、短的產(chǎn)品上市時間,使之成為ASIC和CPLD最具吸引力的替代產(chǎn)品??删幊虇涡酒盗械撵o態(tài)功耗僅僅5?W,與其最接近的競爭產(chǎn)品相比較,靜態(tài)功耗降低4倍,與領(lǐng)先的可編程邏輯器件相比,便攜式應用可以實現(xiàn)超過5倍的電池壽命,為低功耗設(shè)定了新的標桿。
為實現(xiàn)這樣的低功耗,同時保持FPGA內(nèi)容,該系列采用了Flash*Freeze技術(shù),允許器件進入和退出超低功耗模式(如圖1所示)。
圖1:Actel IGLOO系列采用了Flash*Freeze技術(shù),允許器件進入和退出超低功耗模式。
Flash*Freeze技術(shù)允許用戶讓所有連接到該器件的電源、I/O和時鐘處于正常的工作狀態(tài)。當器件進入Flash*Freeze模式時,器件將自動地關(guān)斷時鐘以及到FPGA內(nèi)核的輸入;當器件退出Flash*Freeze模式時,所有的活動都將恢復,數(shù)據(jù)得到保留。這種低功耗特性加之可編程特性、單芯片、單電壓和小的尺寸,使得IGLOO器件最適合便攜式電子產(chǎn)品。
通過很多種方法來進行設(shè)計以使可用功率最大化,可以使用其它的低功耗模式。低功耗激活功能(靜態(tài)空閑)允許器件在系統(tǒng)中通過保持I/O、SRAM和寄存器以及邏輯功能的條件下,完全正常執(zhí)行功能的同時,保持超低的功耗。這樣就允許器件根據(jù)外部輸入來管理系統(tǒng)功耗(即掃描鍵盤激勵),而功耗最低。或者,在睡眠模式下,在FPGA內(nèi)核電壓關(guān)斷時,更大的設(shè)備可以實現(xiàn)最大的功耗節(jié)省。這種基于閃存的解決方案的上電可用的獨特特性,可以使系統(tǒng)從睡眠模式下快速地喚醒。
而且,像數(shù)碼相機、智能手機和MP3播放器這樣的手持設(shè)備通常都采用高端的嵌入式處理器。這些嵌入式處理器需要與一種或幾種常用的存儲接口一起工作,例如IDE、CE-ATA、SDIO或CF。因此,迫切需要有效的存儲器接口管理,將處理器負責的這些任務卸載到低功耗的可編程FPGA上。這些器件可以很容易地管理VLIO或AMBA總線與不同類的存儲器之間的接口。
本文小結(jié)
越來越嚴格的功耗限制、規(guī)范和標準給系統(tǒng)總功耗設(shè)定了一個緊箍咒,系統(tǒng)設(shè)計師正在面臨越來越大的挑戰(zhàn)。此外,終端產(chǎn)品需要更多的功能和更高的處理能力,這些都會導致功耗的增加,而不是降低。基于閃存的全功能可編程FPGA越來越多地成為便攜式市場的首選解決方案。這些新出現(xiàn)的產(chǎn)品滿足便攜式市場嚴格的設(shè)計要求,例如以ASIC的單位成本,獲得低功耗、最大的設(shè)計安全性、小的外形尺寸、上電即用以及快速面市的好處,成為傳統(tǒng)ASIC和CPLD解決方案具有吸引了的替代方案。
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