近年来,随着采用能降低成本的先进工艺技术,FPGA的应用也日益广泛。但在成本降低的同时,功耗却随着高的晶体管漏电流而增加。
2008年5月,Altera公司发布了首款采用40nm工艺制程的FPGA。12月,这款芯片开始发售,型号为EP4SGX230,它含有230K逻辑单元(LE)、工作速率高达8.5Gb/s的36个嵌入式收发器、17Mb RAM以及1288个嵌入武乘法器。
2009年2月刚刚推出的两款40nm FPGA——Stratix IV GT和Arria Ⅱ GX——扩展了这一收发器FPGA的产品组合。Stratix Ⅳ GT FPGA的24个收发器工作速率高达11.3Gb/s,另外24个收发器工作速率为6.5Gb/s,还提供530K LE、20.3Mb内部RAM和1288个18×18乘法器。Arfia Ⅱ GX功耗极低,具有16个3.75Gb/s收发器、256K LE和8.5Mb内部RAM。
这些器件具有高级的逻辑和连线体系结构,以及Altera创新的可编程功耗技术。根据设计需求,可编程功耗技术针对每一个可编程逻辑阵列模块(LAB)、数字信号处理模块和存储器模块而采用高速或者低功耗模式。在FPGA设计中,很少的通路(平均只有20%)是关键时序通路。使用可编程功耗技术,阵列中的所有模块,除了指定的关键时序模块,都被设置为低功耗模式。只把少数的关键时序逻辑模块设置为高速模式,使针对功耗和性能的优化得以实现。
2009年2月Xilinx也推出了采用40nm工艺制程的Virtex-6系列FPGA,比其前一代产品功耗降低多达50%。Virtex-6基于采用第三代XilinxASMBL架构的40nm制造工艺。该系列即可在1.0V内核电压上操作,同时还有可选的0.9V低功耗版本。这些使得系统设计师可在设计中采用Virtex-6FPGA,从而支持建设“绿色”中心办公室和数据中心。
对于可编程逻辑器件,手持式是一个快速增长的市场。据Semico预测,可编程逻辑器件在该领域的市场规模将在2010年前超过6.5亿美元。2008年推出了几款成功结合功耗、成本和性能的新器件,以满足PMP、DSC等手持式应用的需求。
Actel的IGL00和ProASIC3FPGA的nano版本功耗降低至2μw,这些器件还支持1.2V电压编程,免除了对多种电压电源的需要。
IGLOO系列器件采用Flash*Freeze技术,能够轻易地进入和退出超低功耗模式。在Flash*Freeze模式下,IGLOO器件的功耗仅为2μw,无须添加额外的部件即可关断I/O或时钟,同时却可保存设计的信息、SRAM内容和寄存器状态。I/O能够在Flash*Freeze模式中维持配置的状态,进入和退出Flash*Freeze模式所需的时间少于1μs。
此外,IGLOO器件的低功耗有源(LOW Power Active)功能可实现超低的功耗,并同时通过维持I/O、SRAM、寄存器和逻辑功能使到系统处于完全操作状态。I/O可在Flash*Freeze模式保持其状态。这样,IGLOO器件便可在功耗最小的情况下,通过外部输入(如键盘触发扫描)来控制系统的功率管理。
Semico资深分析师Rich Wawrzyniak表示:“功耗和成本在很久以前便已是可编程逻辑领域的重要议题。以往工程师希望使用却未采用可编程逻辑的原因,在于功耗太高或是性能太差。”
特别是在对功耗特别敏感的便携式应用领域,更需要逻辑器件具有超低功耗的特性。SiliconBlue于2008年6月推出的iCE系列单芯片FPGA采用了与手机设计工程师相同的功耗模式定义——操作模式及待机模式——来满足智能手机、PMP、数码相机和手持式POS系统等产品对电池续航能力的要求,其逻辑核心的操作电压维持在1.0V,启动电源仍维持在相当低的水平。其操作电流低至25μA,并提供最低的动态电流,可极大化电池寿命。
CPLD同样采用各种方式在各个层面上实现着降低功耗的目标。
CoolRunner-Ⅱ系列1.8V CPLD采用了全数字核和快速零功率(FZP)技术,其功耗低至28.8μW,典型待机电流16μA。FZP技术替代了其他CPLD产品中所使用的读出放大器(Sense Amplifier)技术,可使系统电流需求降到最低,并允许采用小型的芯片级封装。FZP支持在制造工艺技术和设计技术方面都采用完全的CMOS技术,从而实现低功耗设计。其优点是几乎不消耗闲置电流,在功耗方面对器件容量没有限制,可同时结合高性能和低功耗。
MAX IIZ系列CPLD提供的自动关断功能进一步延长了电池使用时间。MAX IIZ CPLD和传统的宏单元CPLD不同,它含有内部振荡器,可以用于实现自动关断功能。这一操作非常简单。MAX IIZ器件的所有输入控制一个计数器。任意输入被激活后,计数器保持复位。当所有输入停止工作后,计数器开始计数,直到经过了用户指定的时间长度。如果在这一时间段所有的输入仍没有工作,那么发送一个信号来禁用MOSFET,关断MAX IIZ器件的电源。当任意输入开始工作时,内部计数器复位,加电,MAX IIZ上电。
采用不同技术的逻辑器件有着不同的功耗方式,这些差异使得其采用的节能技术也各具特色。近期推出的几款逻辑器件所采用的节能技术能够有效的降低系统功耗,使得逻辑器件未来的应用领域越来越广泛。
推荐访问: 器件 节能技术 逻辑