IGLOO─業(yè)界極低功耗的FPGA

　　隨著半導(dǎo)體工藝的飛速發(fā)展和芯片工作頻率的提高，芯片的功耗迅速增加，而功耗增加又將導(dǎo)致芯片發(fā)熱量的增大和可靠性的下降。因此，功耗已經(jīng)成為深亞微米集成電路設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要因素。為了使產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力，工業(yè)界對(duì)芯片設(shè)計(jì)的要求已從單純追求高性能、小面積轉(zhuǎn)為對(duì)性能、面積、功耗的綜合要求。

　　芯片對(duì)功耗的苛刻要求源于產(chǎn)品對(duì)功耗的要求，由于集成電路的迅速發(fā)展和對(duì)消費(fèi)類電子產(chǎn)品，特別是便攜式(移動(dòng))電子產(chǎn)品的需求日新月異，使得設(shè)計(jì)者對(duì)電池供電的系統(tǒng)已不能只考慮它優(yōu)化的兩個(gè)方面——速度和面積，而必須要注意它已經(jīng)表現(xiàn)出來(lái)的且變得越來(lái)越重要的第三個(gè)方面─功耗，這樣才能延長(zhǎng)電池的壽命和電子產(chǎn)品的運(yùn)行時(shí)間。

　　本文主要介紹基于FPGA功耗的相關(guān)知識(shí)，例如功耗的分類、功耗的組成、如何降低功耗以及選擇一個(gè)合適的低功耗器件等，讓讀者對(duì)FPGA的功耗具有感性的認(rèn)識(shí)。

　　1.FPGA功耗的基本概念

　　(1) 功耗的組成

　　無(wú)論是FPGA還是MCU，功耗的一般都是由兩部分組成：靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗，靜態(tài)功耗主要是由晶體管的漏電流引起，由源極到漏極的漏電流以及柵極到襯底的漏電流組成;動(dòng)態(tài)功耗主要由電容充放電引起，其主要的影響參數(shù)是電壓、節(jié)點(diǎn)電容和工作頻率，可以用公式(1)表示。

　　P=α×CL×V2dd×f                (1)

　　(2) 靜態(tài)功耗

　　靜態(tài)功耗主要是由漏電流引起，漏電流是在芯片上電的時(shí)候，無(wú)論是處于工作還是處于靜止?fàn)顟B(tài)，都一直會(huì)存在的一個(gè)電流，來(lái)源于晶體管的三個(gè)極，如圖1所示，它分為兩部分，一部分是來(lái)自源極到漏極的泄漏電流IS-D，另一部分是來(lái)自柵極到襯底的泄漏電流IG，漏電流與晶體管的溝道長(zhǎng)度和柵氧化物的厚度成反比。

　　源極到漏極的泄漏電流IS-D：也稱為亞閥值電流，是泄漏的主要原因，我們都知道MOS管在關(guān)斷的時(shí)候，溝道阻抗非常大，但是再大都會(huì)有一個(gè)值，所以只要芯片供電必然會(huì)存在一個(gè)從源極到漏極的泄漏電流，隨著半導(dǎo)體工藝不斷先進(jìn)，晶體管尺寸不斷減小，溝道長(zhǎng)度也逐漸減小，使得溝道阻抗變小，從而IS-D變得越來(lái)越大，而且源極到漏極的漏電流隨溫度增加呈指數(shù)增長(zhǎng)，例如：結(jié)溫從25℃上升到85℃時(shí)源極到漏極的泄漏電流會(huì)增加5倍之多。

　　柵極到襯底的泄漏電流IG：雖然沒有亞閥電流那么關(guān)鍵，但是也非常重要，柵極的漏電流隨著柵氧化物的厚度減小而增大，特別在65nm、45nm的技術(shù)中顯得尤為突出。

圖1 漏電流示意圖