FPGA功耗那些事儿(转载)
在项目设计初期,基于硬件电源模块的设计考虑,对FPGA设计中的功耗估计是必不可少的。笔者经历过一个项目,整个系统的功耗达到了100w,而单片FPGA的功耗估计得到为20w左右,有点过高了,功耗过高则会造成发热量增大,温度高最常见的问题就是系统重启,另外对FPGA内部的时序也不利,导致可靠性下降。其它硬件电路的功耗是固定的,只有FPGA的功耗有优化的余地,因此硬件团队则极力要求笔者所在的FPGA团队尽量多做些低功耗设计。笔者项目经历尚浅,还是第一次正视功耗这码事儿,由于项目时间比较紧,而且xilinx方面也比较重视这个项目,因此当时有xilinx的工程师过来对我们做了些培训,并且专门请了美国总部的专家过来与我们协同进行设计功耗估计,还是比较给力的。
以下是笔者在这比较短的时间内学习到的一些关于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。
(1) 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
(2)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;
(3)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
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。大家可以在xilinx官网上下载到:http://www.xilinx.com/power,它是一个基于EXCEL的工具,如图2所示,功能做的十分丰富,感叹EXCEL也未免太强大了吧。
3. 低功耗设计
关于FPGA低功耗设计,可从两方面着手:1). 算法优化;2). FPGA资源使用效率优化。
1) 算法优化
算法优化可分为两个层次说明:实现结构和实现方法
首先肯定需要设计一种最优化的算法实现结构,设计一种最优化的结构,使资源占用达到最少,当然功耗也能降到最低,但是还需要保证性能,是FPGA设计在面积和速度上都能兼顾。比如在选择采用流水线结构还是状态机结构时,流水线结构同一时间所有的状态都在持续工作,而状态机结构只有一个状态是使能的,显而易见流水线结构的功耗更多,但其数据吞吐率和系统性能更优,因此需要合理选其一,使系统能在面积和速度之间得到平衡;
另一个层面是具体的实现方法,设计中所有吸收功耗的信号当中,时钟是罪魁祸首。虽然时钟可能运行在 100 MHz,但从该时钟派生出的信号却通常运行在主时钟频率的较小分量(通常为 12%~15%)。此外,时钟的扇出一般也比较高。这两个因素显示,为了降低功耗,应当认真研究时钟。 首先,如果设计的某个部分可以处于非活动状态,则可以考虑禁止时钟树翻转,而不是使用时钟使能。时钟使能将阻止寄存器不必要的翻转,但时钟树仍然会翻转,消耗功率。其次,隔离时钟以使用最少数量的信号区。不使用的时钟树信号区不会翻转,从而减轻该时钟网络的负载。
2) 资源使用效率优化
资源使用效率优化是介绍一些在使用FPGA内部的一些资源如BRAM,DSP48E1时,可以优化功耗的方法。FPGA动态功耗主要体现为存储器、内部逻辑、时钟、I/O消耗的功耗。
其中存储器是功耗大户,如xilinx FPGA中的存储器单元Block RAM,因此在这边主要介绍对BRAM的一些功耗优化方法。
如图5中实例,虽然BRAM只使用了7%,但是其功耗0.601W占了总设计的42%,因此优化BRAM的功耗能有效地减小FPGA的动态功耗。
总结:
1.对于FPGA的功耗,主要分为 芯片静态功耗,设计静态功耗,设计动态功耗。芯片静态功耗和设计静态功耗不方便去优化,着重对设计动态功耗进行优化;
2.功耗定量分析公式:
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。
通过上式,若使得功耗降低,θJA可以通过加散热片或者散热风扇方法来设计;PD可以通过对算法和FPGA内部结构的设置减小总功耗;
(1)可以在前期RTL阶段,采用quartus II软件内部(笔者接触altera产品较多)自带的静态功耗估算功能,先大致计算FPGA动态功耗。功耗包括:I/O,时钟,存储器,内部逻辑;
(2)对FPGAN内部资源利用率进行设置,进一步降低功耗;
对上面功耗估算完毕之后,可以设计FPGA硬件板卡的电源部分,通常将电源部分提供的功率要比消耗功率的多20%;
FPGA功耗那些事儿(转载)的更多相关文章
- 【转载】FPGA功耗的那些事儿
在项目设计初期,基于硬件电源模块的设计考虑,对FPGA设计中的功耗估计是必不可少的. 笔者经历过一个项目,整个系统的功耗达到了100w,而单片FPGA的功耗估计得到为20w左右, 有点过高了,功耗过高 ...
- FPGA 功耗结构设计
1 相对于ASIC.FPGA是耗电器件,不适合超低功耗设计技术. 2 在CMOS技术中电路的动态功耗与门和金属引线的充放电有关,电容消耗电流的一般方程为 I=V* C*f V 是电压.对于FPGA来说 ...
- fpga配置过程(转载)
fpga 配置时序图如下 1.FPGA器件有三类配置下载方式:主动配置方式(AS)和被动配置方式(PS)和最常用的(JTAG)配置方式. AS 由FPGA器件引导配置操作过程, ...
- TCP 的那些事儿(转载)
无论是PC客户端开发还是移动开发,或是Web开发, 网络编程都是很重要的一块, 深入理解TCP/IP和HTTP协议是一个优秀程序员的必备技能.看到酷壳老大正好写了篇相关文章, 正好拿来学习, 转自 h ...
- FPGA设计中的电源管理(转载)
过去,FPGA设计者主要关心时序和面积使用率问题.但随着FPGA不断取代ASSP和ASIC器件,设计者们现正期望能够开发低功耗设计,在设计流程早期就能对功耗进行正确估算,以及管理和对与FPGA相关的各 ...
- 关于FPGA电源精度要求
FPGA对DC-DC精度的要求不断提升 FPGA厂商不断采用更先进的工艺来降低器件功耗,提高性能,同时FPGA对供电电源的精度要求也越加苛刻,电压必须维持在非常严格的容限内,如果供电电压范围超出了规范 ...
- PCIe调试心得_DMA part3
作者: East FPGA那点事儿 上一章讲述了PCIe总线如何提高DMA的效率. 本章以服务器常用的4通道1000M以太网卡为例讲述如何实现多个虚拟DMA通道. 1.多通道DMA发 4通道以太网卡 ...
- PCIe调试心得_DMA part2
作者:East FPGA那点事儿 上一章讲述了PCIe总线DMA的原理和XAPP1052存在的问题. 本章以服务器常用的4通道1000M以太网卡为例讲述如何提高DMA的效率. 1.内存重分配Wind ...
- PCIe调试心得_DMA part1
作者 :East FPGA那点事儿 1.PCIe的DMA介绍在PCIe中需要使用DMA的项目,一定要先看XAPP1052,里面包含一个DMA的参考设计,对初学者有极大的帮助. XAPP1052中包含 ...
随机推荐
- [记录] Linux Apache隐藏index.php
1. 在项目更目录下新建 .htaccess <IfModule mod_rewrite.c> Options +FollowSymlinks -Multiviews RewriteEng ...
- js实现上传前删除指定图片
"上传之前"移除选错图片代码: 此处效果为:点击需要删除的图片,确认删除就可以了.
- Oracle 学习总结 - 物理结构
参考了很多文章,学习自网络 数据库 = 实例(数据库启动时初始的进程和内存结构,进程会作用到对应的内存区域-数据写入器到写入内存缓冲区,日志写入器到日志缓冲区等) + 数据库(物理文件-控制文件,数据 ...
- 树莓派安装centos7
引用:https://blog.csdn.net/elesos/article/details/80514659 1,格式化 https://www.sdcard.org/downloads/form ...
- Linux后门入侵检测工具
一.rootkit简介 rootkit是Linux平台下最常见的一种木马后门工具,它主要通过替换系统文件来达到入侵和和隐蔽的目的,这种木马比普通木马后门更加危险和隐蔽,普通的检测工具和检查手段很难发现 ...
- How to Pronounce the Days of the Week
How to Pronounce the Days of the Week Share Tweet Share Vocabulary study: how to pronounce the days ...
- vc读取当前路径和读取配置ini文件
//获取路径 std::string GetApplicationDir() { HMODULE hModule = GetModuleHandleW(NULL); WCHAR wpath[MAX_P ...
- tabel 选中行变色和取当前选中行值等问题
先把代码贴出来 $("#tableId tbody tr").mousedown(function () { $('#tableId tr').each(funct ...
- 使用pickle进行存储变量
有时候我们需要把我们的变量内容存下来,这时我们就可以用pickle来操作. 存储操作如下所示: #!/usr/bin/python # -*- coding:utf-8 -*- import pick ...
- Applese走迷宫-bfs
链接:https://ac.nowcoder.com/acm/contest/330/C来源:牛客网 题目描述 精通程序设计的 Applese 双写了一个游戏. 在这个游戏中,它被困在了一个 n×mn ...