FPGA设计关于功耗专业的术语解析

一、常用术语

• 器件静态功耗Device Static Power: 器件静态功耗是指晶体管连接所有电压轨道的漏电流以及电路正常工作，后期配置的功耗。通常是通过一个白片位流下载进器件中来测量静态功耗。静态功耗是一个和工艺，电压，温度相关的函数，代表了器件的稳定状态，固有的泄露。

•设计功耗 Design Power: 设计功耗由输入数据模式以及设计内部的翻转产生，是一种动态功耗，功耗是瞬时的并且在每一个时钟周期中都会变化，功耗值取决于电压大小，使用的逻辑资源和布线资源，也包括了I/O端口，时钟管理器以及其他需要功耗电路的静态电流，但不包括芯片外的器件功耗。

•总的片上功耗 Total On-Chip Power: 总的片上功耗是器件内部的功耗，等同于器件的静态功耗加上设计功耗，也称为热功耗。

• 片外功耗Off-Chip Power: 片外功耗是电流从电源通过器件，然后从I/O出去在芯片外部组件产生的功耗。器件自身提供的电流通常被外部组件如I/O端口，LED或其他芯片的I/O缓冲器，因此，不会提高器件的节点温度。

注意：负的片外功耗表示电源是来源于外部，用于器件内部的功耗

• 片上功耗Power-On Current: 当电源第一次为设备供电时，有瞬时电流发生。该电流会因供电电压不同存在差异，取决于器件结构以及电源值向额定值变化的能力。电流也取决于器件工作的条件，如温度，不同供电的顺序。由于器件体系结构增强也会引导恰当的供电顺序，该电流产生的功耗通常低于正常工作的电流。

•环境温度 Ambient Temperature (°C): 环境温度是器件在正常运行条件下的周围的空气温度。

•空气的有效热阻 Effective Thermal Resistance to Air (ΘJA (°C/W)): 空气的有效热阻也称为Theta-JA或TJA. 是定义功耗从器件硅到环境中（器件达到结点温度）的系数。包含了所有的因素，硅片从各个方向到周围空气，加上其他材料间，例如封装，PCB，以及其他的热源和空气流。典型的包含了热阻抗和相互依赖路径中会产生热量消散到环境中。

器件特点Device Characterization

• 先进期Advance: 先进器件设计有基于仿真结果或以前长期产品测试结果的数据，在一年的产品周期内数据都是可靠的。设计的功耗模型数据是相对稳定以及靠谱的，尽管有一些过度报告发生。先进数据的准确性是比预备期数据和生产数据低。

•预备期 Preliminary: 预备期器件设计是基于早期生产硅时期的。几乎在器件fabric中的大多数模块特征已确定，相比于先进期数据，这一时期的功耗报告准确性是有改善的。

• 生产期Production:在一个特殊器件系列中，如果足够的生产硅能够准确描述大量生产后的功耗关系，那么生产期器件设计会被发布。任何功耗评估的准确性都是来自于模型的输入信息，Report power流程基于器件特征使用下面的模型

• 先进期Advance: +/-25%

• 预备期Preliminary: +/-20%

• 生产期Production: +/-10%

信号速率Signal Rate：信号速率是信号每秒状态改变（高电平到低电平或低电平到高电平）的次数，xilinx使用单位Mtr/s（百万次/秒），例如，信号每4个时钟周期翻转一次，一个时钟周期为100MHz(10ns)，那么信号速率为1/(4*10ns)=25Mtr/s.

切换率Toggle Rate：切换率是在给定时钟输入后，同步逻辑单元切换的速率，范围是0-100%，切换率为100%时表示每个时钟周期输出变化一次。例如，如果信号每四个时钟周期（时钟可以是任何频率）改变一次，切换率为（1/4）*100%=25%。注意，时钟线的切换率一直是200%，表示时钟线每个周期翻转2次。另外，理想的同步线每个时钟改变一次，最大的切换率为100%。如果同步线容易有毛刺，用信号速率来指定切换。如果同步单元和时钟不同步，切换率是无法计算的。

静态概率Static Probability：静态概率定义了电平的有效范围为0-1时，组件被高电平（1‘b1）驱动的时长。比如，如果一个信号在一段100ns的时间内，逻辑值为1的时长为40ns，静态概率为40/100=0.4，如果为1则表示信号一直维持在逻辑值1，没有翻转；如果为0则表示信号一直维持为0，没有过翻转。

输出负载Output Load (pF)：由输出I/O端口驱动的其他外部电容

结点温度Junction temperature (°C)：设定一个器件必须达到的温度，在Vivado中，用户可以勾选结温设置框设置可设置的最大温度

审核编辑：黄飞