實現(xiàn)具功耗意識設(shè)計的關(guān)鍵

隨著便攜式消費電子、工業(yè)、醫(yī)療、汽車電子及軍品應(yīng)用呈指數(shù)增長，系統(tǒng)必須采用能延長電池壽命的功耗較低的半導(dǎo)體器件。為響應(yīng)這一需求，整個半導(dǎo)體行業(yè)一直努力提供高能效的芯片和系統(tǒng)。然而，如果具功耗意識 (power-cONscious) 的設(shè)計人員不能在設(shè)計中進(jìn)一步降低功耗，僅有這些低功耗器件并不夠。

　　越來越多設(shè)計人員需要功能齊備、使用方便的開發(fā)工具套件，經(jīng)過優(yōu)化以確定功耗源和降低功耗，并能最大限度地提高資源利用率，以及提高性能。有了先進(jìn)的布局布線方法和功耗分析功能，設(shè)計人員就能更有效地查找功耗源，并實現(xiàn)最低功耗的終端產(chǎn)品解決方案。

　　以功耗驅(qū)動布局布線

　　現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 設(shè)計人員長期以來一直依賴時序驅(qū)動的布局布線工具來實現(xiàn)最高性能。現(xiàn)在，具功耗意識的設(shè)計人員可以利用以功耗驅(qū)動布局布線這種方法來降低功耗，且這種方法對時序性能的影響很小，甚至無影響。以功耗驅(qū)動布局布線流程能根據(jù)估算的活動，減少設(shè)計“網(wǎng)絡(luò) (net)”的容性負(fù)載，從而快速實現(xiàn)減少動態(tài)功耗。

　　FPGA廠商提供的以功耗驅(qū)動布局布線功能可以利用一些成熟的模型，以便最大限度地降低總體動態(tài)功耗。各功能實體間的互連稱作“網(wǎng)絡(luò)”，由于其有效電容 (activity-capacitance) 乘積 ( 大，因此是優(yōu)化功率的重點對象。同時，也應(yīng)特別重視減少時鐘網(wǎng)的橫縱時鐘源數(shù)量，因為這些連線通常是數(shù)量最大且最活躍的。

　　例如，在典型IGLOO FPGA設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)的功耗占據(jù)總體動態(tài)功耗的40%以上。在進(jìn)行以功耗驅(qū)動布局布線優(yōu)化后，低功耗FPGA的平均功耗可降低13%，在某些設(shè)計中更可降低達(dá)46%。

　　采用當(dāng)前的以功耗驅(qū)動布局布線功能，設(shè)計人員可用一個VCD (value change dump) 文件來規(guī)定網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)動作，該文件還允許高級用戶針對特定的網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用場景來細(xì)調(diào)開發(fā)工具的功率優(yōu)化器。用戶還可選用一些其它功能，包括布局布線時手工輸入或直接使用工具自動估算網(wǎng)絡(luò)活動。自動網(wǎng)絡(luò)活動估算功能為用戶提供了功率驅(qū)動布局的便利，無需首先完成后(back-annotated) 仿真，因為布局布線工具將會自動地估算網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)動作。平均來說，相比單單使用帶有自動網(wǎng)絡(luò)活動估算工具的功率驅(qū)動布局功能，用戶提供的VCD可協(xié)助將總體功耗額外減少2%。

　　使用VCD文件來完成功率驅(qū)動布局布線，用戶首先要完成時序驅(qū)動布局布線，然后運行布局后仿真，運行時選擇“生成VCD文件”選項以生成VCD文件。這樣，設(shè)計工具會指導(dǎo)仿真程序根據(jù)仿真情況生成一個VCD文件，然后，該VCD文件被導(dǎo)入，重新運行布局布線以完成最終的功率驅(qū)動布局布線。

　　提高便攜設(shè)計能效的另一個關(guān)鍵因素，是能夠分析整個FPGA器件或設(shè)計的特定部分在實際應(yīng)用功能模式下或用戶創(chuàng)建的功率方案下的功耗，如網(wǎng)絡(luò)、門電路、I/O、核心電壓及IO電壓、時鐘域、開關(guān)周期和競爭冒險，這些因素會個別增加器件的總體功耗。這種分析功能為查找設(shè)計關(guān)鍵部分的主要功耗源“熱點”提供了新途徑，這樣用戶就能*估和修改設(shè)計以降低功耗。

　　很少有設(shè)計，尤其是便攜設(shè)計在100%的時間內(nèi)都運行在工作模式。大多數(shù)便攜應(yīng)用操作在靜態(tài)、待機，以及睡眠模式下以節(jié)省電池電能。

　　以標(biāo)準(zhǔn)手機設(shè)計為例。對手機分析后可得出其使用的功率曲線。如設(shè)計要求該手機5%的時間處于工作狀態(tài)，10%處于待機狀態(tài)，85%處于睡眠狀態(tài)，可得到其總體功耗和電池壽命數(shù)據(jù)。如果該使用模式被改變，三項比例分別變成5%、5%及90%，就會顯著影響功耗。此外，最好研究一下工作模式下的功率狀況。比如，設(shè)備中有一個浮點運算單元，有10%的時間處于工作狀態(tài)，進(jìn)行加法、乘法運算等。如果將這個用法納入功率狀況中，便可動態(tài)地觀察設(shè)計和做出相應(yīng)調(diào)整。

　　分析功能模式 (如活動、靜態(tài)或睡眠，或者用戶定制模式) 是FPGA工具的一種獨特功能。利用這種分析功能，用戶就能根據(jù)各種模式的運行時間或百分比來生成功耗狀況報告。用戶可創(chuàng)建和比較多種場景，用于*價和優(yōu)化設(shè)計的功耗。從而提供更實際的在典型運作狀態(tài)的功耗報告。

　　例如，周期精確分析 (cycle-accurate) 的功耗分析可讓設(shè)計人員觀察每個時鐘周期的峰值功耗，以及整個仿真期內(nèi)的平均功耗。對于某些工具，這個分析是基于一個仿真VCD文件，并且具有交互顯示，因而能顯示每個時鐘周期的功耗，也顯示其它相關(guān)模塊，因此用戶可采取糾正措施來降低功耗。

　　另一方面，利用開關(guān)分析功能，用戶能夠確定組合邏輯的冒險或競爭的產(chǎn)生，讓用戶定位它們并加以修正，從而降低功耗。根據(jù)Favalli 和 Benini在1995年國際低功耗電子和設(shè)計討論會的文章，在典型的設(shè)計中，冒險占據(jù)總體功耗的20%。而且，在某些電路中，如組合加法器，競爭產(chǎn)生的功耗有可能高達(dá)總體功耗的70%。

　　電池供電時間估測器對具功耗意識的設(shè)計也很關(guān)鍵。有些開發(fā)工具仍讓設(shè)計人員直接輸入所希望的功耗模式和建議的電池容量，一般為安時 (Amp-hour)。然后，該工具根據(jù)目標(biāo)FPGA的功耗模式給出預(yù)期的電池供電時間。

　　小結(jié)

　　具功耗意識的設(shè)計越來越重要。將業(yè)界領(lǐng)先的低功耗FPGA與創(chuàng)新的功耗優(yōu)化工具相結(jié)合，能夠大幅降低在芯片和系統(tǒng)層面的功耗。采用先進(jìn)的布局優(yōu)化和功率分析工具，設(shè)計人員便能更高效地實現(xiàn)最低功耗的便攜應(yīng)用。