過去，FPGA設計人員考慮的是時序和面積使用率。但是，隨著FPGA正越來越多地取代ASSP和ASIC，設計人員期望開發(fā)功率較低的設計并提供更加精確的功率估計。最新FPGA分析軟件能提供一種精確和靈活的手段來模擬各種工作環(huán)境下的功耗。

與功能和時序驗證類似，功率分析以并行驗證的形式對設計流程進行跟蹤(見圖1)。早期的功率分析依賴于簡單的利用率和由設計者用“假設分析”方法提供的信號活性評估。后來，由于可以獲取布局后(post-layout)器件信息和門級仿真記錄的信號活性，功率估計變得更加精確了。

FPGA功率計算器可評估器件功耗，使設計者能夠導入布局和布線設計，并指定諸如電壓、溫度、工藝變化、氣流、散熱片及資源利用率、活性和頻率等參數。應用這些參數可以在不同的設計環(huán)境下形成盡可能精確的模型。

 
圖1：功率估計并行于傳統的驗證流程。

基本功耗計算

大多數FPGA功率分析工具可報告功耗的動態(tài)(AC)和靜態(tài)(DC)部分。靜態(tài)電流由器件的漏電流組成。靜態(tài)電流/功率與器件的溫度、工藝、電壓參數和條件有關。它在很大程度上取決于溫度，溫度與電路板及器件的熱特性相關。靜態(tài)功耗也是所有電源上的漏電流。

功耗的動態(tài)部分為所使用的資源在轉換時的功耗。動態(tài)部分的功耗直接與工作頻率(資源在該頻率下工作)和使用的資源數量成正比。

DC功率由下面的方程得出：總DC功率(器件)= A×eBT

其中：A是與參數相關的工藝，B是溫度系數，T是器件的結溫。

AC功率由下面的方程得出：總AC功率(資源) = Kr×fMAX× AF×Nr

其中：Kr是針對資源的功率常數(單位為mW/MHz)。fMAX是正在使用的資源的最大頻率。頻率用MHz量度。AF是資源組的活性因子?；钚砸蜃邮乔袚Q頻率的百分比。Nr是設計中使用的資源數目。

FPGA布線互連是整體功耗的主要來源，功耗與金屬層的電容和轉換率成正比。

活性因子(AF%)被定義為頻率(或時間)的百分比，在該頻率下信號被激活或者轉換輸出。大多數與時鐘域相關的資源以某頻率的百分比運行或轉換。功率分析工具的用戶可以手工將這些參數以百分比形式輸入，或者根據仿真結果導入活性因子?？舍槍γ總€布線資源、輸出或PFU計算出AF。如果未提供仿真結果，則對于一個占器件資源30%到70%的設計，通常建議AF%在15%到25%之間。AF(通常從仿真結果導入)的精確性取決于時鐘頻率，設計的激勵信號和最終輸出。

器件的I/O消耗大量的功率，對于一個指定設計可以將其配置成串行或混合結構。由用戶提供的信號(輸入情況)或作為設計的輸出(輸出情況)的信號決定了混合I/O的狀態(tài)。I/O轉換速率定義了它們的狀態(tài)。下列方程定義了輸出的轉換速率，用MHz表示。

轉換速率(MHz) = 1/2×fMAX×AF%

其它環(huán)境因素，如電路板的面積、散熱片和氣流都是計算動態(tài)和靜態(tài)功耗時的要素。

管理功耗

現今最關鍵的設計要素之一是必須降低系統的功耗，特別是對于手持設備和電子產品而言。用戶可以利用一些FPGA設計技術來有效地降低整個系統的功耗，包括：
1. 降低工作電壓。
2. 在指定的封裝溫度限制范圍內運作。
3. 使用優(yōu)化的時鐘頻率，因為動態(tài)功率直接與工作頻率成正比。設計者必須明確，如果設計的某部分可以以較低速率時鐘控制，那將會降低功耗。
4. 減小設計在器件中的跨度，緊密放置的設計可使用較少的布線資源以降低功耗。
5. 可能的話，減小I/O的電壓擺幅。
6. 可能的話，使用優(yōu)化的編碼。例如16位的二進制計數器平均只有12%的活性因子，7位的二進制計數器平均有28%的活性因子。另一方面，7位線性反饋移位寄存器的可以以50%活性因子轉換，這會導致較大的功耗。每個時鐘沿僅有一位改變的格雷碼計數器所消耗的功率最少，同時活性因子將低于10%。
7. 利用以下方法盡可能減小工作溫度：使用散熱性能較好的封裝，例如具有較低熱阻抗的封裝；在PCB上的器件周圍放置散熱片和散熱層；采用更好的氣流技術，如機械氣流導管和風扇(系統風扇和器件風扇)。

典型的功率分析方案

可以在FPGA設計流程的任何階段用FPGA功率分析工具估算功耗。例如，可以在實際設計完成之前、或在布局布線后導入最終設計數據庫時，用這個工具來估算功耗。當與映射后、布局后或者布線后的結果一起提供時，功率分析工具的精度得到提升。結合了功率分析的FPGA設計流程通?？商峁┲匾氖录候寗庸烙?、后布局布線，以及后仿真。圖2顯示了該流程以及在功率的FPGA設計流程中的典型重要事件。
1.驅動估計：采用的資源和轉換頻率由手工輸入。
2.Post-PAR：針對更加精確的模型導入后布局和布線資源。
3.后仿真：針對更加精確的活性因子和轉換速率模型，導入由HDL仿真器產生的轉換頻率。

 
圖2：面向FPGA功率分析的設計流程。

為適應提供給分析工具的不同模型數量，功率估計工具的運作可能是形式上的。在“驅動預計”模式下，分析引擎根據器件資源或者由用戶提供的模板計算功耗。在對器件評估和進行“假設分析”時，這種模式最初是非常有用的。在該模式下，設計者提供頻率、活性因子、電壓參數和器件利用率。還需要提供工作條件，例如環(huán)境溫度。利用先進的功率工具，設計者還可以選擇諸如電路板尺寸、散熱片和氣流等。

在一個更精確的計算模式下，這個工具在post-PAR分析期間根據從布局布線器件數據庫提取的器件資源計算功耗。數據庫包括使用的塊和布線信息?？蓮臄祿焯崛≡敿毜腇PGA塊利用率信息。FPGA通常包含普通的可編程結構塊，I/O、時鐘、嵌入式RAM塊、嵌入式DSP、PLL/DLL和SERDES I/O。

環(huán)境建模

功率分析環(huán)境提供了一種方法來模擬FPGA器件的環(huán)境，包括PCB的疊層、散熱片、氣流和環(huán)境溫度。

為給這個設計選擇熱阻模型，設計者可以用各種尺寸的電路板、散熱片和氣流設置進行實驗。電路板的選擇會影響熱阻接合面至電路板(Theta JB)，以及電路板至空氣(Theta BA)的值，散熱片和氣流選擇會影響散熱片至空氣(Theta SA)，以及接合面至空氣(Theta JA)的值。在某些情況下，可提供JEDEC電路板(2s2p)、JEDEC標準、JESD51-11來模擬電路板的特性，如最終尺寸、連線和電介質層。

規(guī)則的theta JA通?；?"×4"的4層JEDEC標準電路板。更復雜的PCB板尺寸為8"×8"，具有8～10層用于散熱。由于電路板可吸收和散去一部分熱，因此電路板設計非常關鍵。在電路板上將一些大功率器件排在一起會使它們爭奪“熱資源”，這將造成無法預計的后果。在電路板上加一些熱過孔有助于把熱傳播到不同的層，甚至可能是電路板之外。

因為散熱片特性影響功率計算，分析工具可適用于各種散熱片。電路板上的熱阻很大時(系統不能很快的散熱時)，要用散熱片。可以預先使用一些較新的器件熱模型和仿真工具來核查是否有任何熱方面的問題。

把氣流特性加到某一設計中能夠通過對流較好地散熱。這又有助于降低系統的整體熱阻。環(huán)境氣流(用英尺/分鐘(LFM)表示)是功率分析工具使用的另一個要素。環(huán)境溫度指的是在一個封裝中圍繞器件的介質的期望工作溫度(用攝氏度表示)。還應考慮FPGA與其它發(fā)熱器件的位置，因為在氣流路徑上的其它發(fā)熱器件會引起熱傳遞。

熱模型的發(fā)展

在熱設計工具的歷史上，元件建模一直依賴于表示IC封裝的物理結構的詳細模型。一個合適的詳細模型將精確地預測封裝的溫度，而不管它所放置的環(huán)境。這被稱為邊界條件獨立(BCI)。這些詳細而精確的模型是計算密集型的。1996年DELPHI聯盟開發(fā)了用于生成BCI緊湊模型的方法學，研究熱現象的JEDEC JC 15.1委員會積極地推動了這項工作。BCI緊湊模型是更抽象和行為級的。它們的目標是基于一些關鍵點(如連接處、外殼、引腳)精確地預測封裝溫度。

DELPHI緊湊模型由幾個熱電阻組成，這些熱電阻將代表裸片的節(jié)點連接到幾個表面結點上。熱連接也可以出現在表面結點之間(分流電阻)。圖3為DELPHI緊湊模型或一個帶引腳封裝。

 
圖3：DELPHI緊湊模型結構。

實際上，對于任何檢查了結溫和熱流量的環(huán)境，DELPHI緊湊模型產生的差錯小于10%。DELPHI詳細模型的計算時間是原來的5倍或更多。

本文小結

目前設計中最關鍵的因素之一是降低系統功耗，這對于手持設備和其它現代電子產品而言尤為重要。與其它仿真方案類似，FPGA功率分析采用的是并行驗證。分析工具支持面向“假設分析”的估計模式，或在可獲取詳細的器件和信號活性信息時支持計算器模式。大多數分析工具的特點是環(huán)境模式可選，例如PCB、裝配和氣流特性。功率計算器可以報告交流功率和直流功率。通過改進建模方法，如DELPHI緊湊模式，將能夠改善FPGA熱分析工具的性能。