28nm高端FPGA如何实现功耗和性能的平衡？

　　核心提示：从工艺选择到设计直至投产，设计人员关注的重点是以尽可能低的功耗获得最佳性能。Altera在功耗和性能上的不断创新，那其28nm高端FPGA如何实现功耗和性能的平衡？具体有何优势？

　　从工艺选择到设计直至投产，设计人员关注的重点是以尽可能低的功耗获得最佳性能。利用Altera在功耗和性能上的不断创新，设计人员能够为他们的最终客户开发独具优势的高性能系统。特别是与其他高端FPGA相比，Altera的28nm高端FPGA功耗降低了15%，而性能却提高了1 个速率等级，更具有功耗优势。

　　Altera认识到，满足所有需求的方法并不适用于28nm节点。设计人员在其目标应用中需要合适的器件，因此，Altera为其高端FPGA选择了台积电公司（TSMC）的28nm高性能（28HP）工艺，在低成本和中端系列中采用了28nm低功耗（28LP）工艺。

　　为其Stratix V FPGA选择了28HP工艺之后，Altera做出了几项开发选择以降低器件功耗。本文将介绍从工艺选择到工具以及建模的步骤，保证了在很有竞争力的电源布局下支持实现高性能。设计人员拥有合适的器件和工具，就能够以很低的功耗实现高性能，对设计进行较为精确的早期功耗估算。

　　功耗和性能考虑

　　定义28nm高端器件的结构时，需要作出很多决定（参考表1），以尽可能低的功耗实现最佳性能。

　　表1 功耗和性能考虑

　　以低功耗实现高性能的结构

　　在过去几年中，低功耗威廉希尔官方网站 越来越重要，在结构规划阶段就开始考虑降低功耗。Altera以前不断降低功耗的创新是可编程功耗威廉希尔官方网站 及更多地使用了嵌入式硬核知识产权（IP）。在28nm节点，以低功耗实现高性能的新方法包括对于不使用的模块关断SRAM、低电压（0.85 V）结构以及部分重新配置功能等。

　　使用合适的工艺

　　工艺选择是Altera 28nm器件系列的关键考虑。如前所述，目标是帮助设计人员针对特定的目标市场和应用来定制功耗。在28nm系列产品上采用两种不同的半导体工艺，与前一代同类产品相比，Altera的28nm FPGA功耗降低了40%。

　　图1显示了TSMC提供的三种28nm工艺选择。在这些工艺中，大量晶体管具有较大的静态功耗范围。左侧的晶体管静态功耗较低，而右侧的较大。这也体现了静态功耗与这些晶体管性能之间的关系。总体上，晶体管性能越好，静态功耗也就越高。

　　图1 TSMC 28nm工艺选择

　　据TSMC资料，28HP工艺是使用高k金属门（HKMG）工艺威廉希尔官方网站 的首选。28HP工艺具有优异的速度和性能，主要面向CPU、GPU、FPGA、PC、网络和消费类电子应用。在同样的漏电/电路门条件下，28HP工艺比40G工艺的速度提高了45%。

　　Altera选择TSMC 28HP HKMG工艺，借助与TSMC长达20年的合作关系，优化了Stratix V FPGA低功耗工艺。表2详细介绍了Altera使用高性能工艺降低功耗的步骤。

　　表2 28HP工艺威廉希尔官方网站 降低了功耗，提高了性能

　　说明：（1）专门提供仅供Altera 使用的工艺。

　　大部分TSMC客户必须使用标准工艺，而Altera与TSMC近20年的密切协作使得两家公司能够一起工作开发实现Altera的专用功能。对于28HP工艺，Altera采用可编程功耗威廉希尔官方网站 ，联合开发了定制低漏电晶体管和减小了器件体漏电。这两项功能与高性能晶体管相结合，可以调整每一设计模块，以尽可能低的功耗实现最合适的性能。

　　在28nm时代，Altera继续采用以前Altera获得专利的创新可编程功耗威廉希尔官方网站 ，不需要更多的FPGA设计投入，降低了静态功耗。 Altera的Quartus II开发软件在时间关键通路上应用可选的反向偏压，调整逻辑电压阈值，在需要的地方实现高性能，同时降低了所有其他逻辑的静态功耗。这种可调整能力保证了 Stratix V FPGA设计人员降低了整个设计的静态功耗，同时实现了高性能。