聊一聊FPGA低功耗设计的那些事儿

　　以下是笔者一些关于FPGA功耗估计和如何进行低功耗设计的知识：

　　1. 功耗分析

　　整个FPGA设计的总功耗由三部分功耗组成：1. 芯片静态功耗；2. 设计静态功耗；3. 设计动态功耗。

　　芯片静态功耗：FPGA在上电后还未配置时，主要由晶体管的泄露电流所消耗的功耗

　　设计静态功耗：当FPGA配置完成后，当设计还未启动时，需要维持I/O的静态电流，时钟管理和其它部分电路的静态功耗

　　设计动态功耗：FPGA内设计正常启动后，设计的功耗；这部分功耗的多少主要取决于芯片所用电平，以及FPGA内部逻辑和布线资源的占用

　　显而易见，前两部分的功耗取决于FPGA芯片及硬件设计本身，很难有较大的改善。可以优化是第3部分功耗：设计动态功耗，而且这部分功耗占总功耗的90%左右，因此所以降低设计动态功耗是降低整个系统功耗的关键因素。上面也提到过功耗较大会使FPGA发热量升高，那有没有一个定量的分析呢？答案当然是有，如下式：

　　Tjmax > θJA * PD + TA

　　其中Tjmax表示FPGA芯片的最高结温（maximum junction temperature）；θJA表示FPGA与周围大气环境的结区热阻抗（Junction to ambient thermal resistance），单位是°C/W；PD表示FPGA总功耗（power dissipation），单位是W；TA表示周围环境温度。

　　以XC7K410T-2FFG900I系列芯片为例，θJA = 8.2°C/W，在TA = 55°C的环境中，想要结温Tjmax不超过100°C的情况下，可以推算FPGA的总功耗：PD <（Tjmax – TA）/θJA=（100 - 55）/8.2=5.488W，之前估算的20W与之相差太远，因此优化是必不可少的：

　　1） 降低θJA：热阻抗取决于芯片与环境的热传导效率，可通过加散热片或者风扇减小热阻抗

　　图1

　　2） 减小PD：通过优化FPGA设计，降低总功耗，这也是本文重点讲解的部分。

　　2. 功耗估计

　　在讲解低功耗设计之前，介绍一下xilinx的功耗估计工具XPE（Xilinx Power Estimator），XPE主要是在项目初期，处于系统设计，RTL代码并未完善阶段功耗估计时使用，它是一个基于EXCEL的工具，如图2所示，功能做的十分丰富。

　　图2

　　在设计完成综合实现后，则可以使用vivado自带的功耗分析工具进行精确计算功耗。打开综合实现后的设计，点击report power即可得到功耗分析的结果，如图3，4所示。

　　图3

　　图4