作者:叢秋波

　　在手持、移動和便攜式消費(fèi)電子市場快速增長的今天，用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的比重也在不斷增加。隨著半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)的提升，F(xiàn)PGA在規(guī)模、速度、價(jià)格等方面的競爭力都得到了極大的改善，而與此同時(shí)如何有效地控制FPGA的功耗則顯得越發(fā)棘手。
　　最近，Xilinx、Altera和QuickLogic等公司，在研發(fā)FPGA新產(chǎn)品時(shí)，都把降低功耗作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以加以重視，并先后推出一系列低功耗FPGA解決方案。
　　Xilinx：90nm工藝+架構(gòu)創(chuàng)新
　　Xilinx在全公司開展功率創(chuàng)新活動，其宗旨是使全公司都致力于為客戶提供滿足其迫切需求的電源管理解決方案。
　　Xilinx大批量產(chǎn)品市場營銷高級經(jīng)理Richard Terrill說，Xilinx在跨越了FPGA規(guī)模、速度和價(jià)格三個關(guān)鍵技術(shù)門檻之后，下一步所面臨的挑戰(zhàn)的焦點(diǎn)就是“低功耗”。Richard Terrill認(rèn)為，目前FPGA雖然還沒有達(dá)到ASIC的低乃劍啾惹捌誆罰延瀉艽蟮母墓邸ilinx最近推出的新型Spartan-3L FPGA系列產(chǎn)品采用的獨(dú)特的新型休眠模式提供兩種降低功耗的方式，一種是簡單的備用模式能使靜態(tài)功耗降低68%，另一種內(nèi)置功率管理模式可降低靜態(tài)功耗達(dá)98%。同時(shí)由于采用了改進(jìn)的90nm工藝，與0.13mm工藝相比，動態(tài)功耗也降低50%左右。
　　Richard Terrill介紹說，Xilinx通常采用門類齊全的工具和多種技術(shù)的融合來解決電源管理方面的問題。例如，在電路設(shè)計(jì)方面，Xilinx采用CMOS門可去除Vcc-GND電流通路，達(dá)到高速、小電流的目的；在架構(gòu)方面，為用戶提供可配置的休眠模式降低功耗；在器件結(jié)構(gòu)上則使用低速晶體管來“一次性”配置單元；而在工藝方面，Xilinx為用戶實(shí)現(xiàn)更低功耗單元的工藝選項(xiàng)，例如提供三個氧化層厚度選項(xiàng)——Xilinx在新推出的Virtex-4 FPGA產(chǎn)品中，就增加了第三個氧化層厚度選項(xiàng)，可以精細(xì)地調(diào)整功率特性；制造方面Xilinx與UMC合作，在Spartan-3L中開發(fā)了用來實(shí)現(xiàn)低功率區(qū)域的關(guān)鍵工藝步驟，使其具有更低的靜態(tài)功耗額定值，同時(shí)沒有放寬任何AC數(shù)據(jù)表的參數(shù)要求；此外，Xilinx還通過在FPGA中集成硬IP核的方式降低設(shè)計(jì)對于功耗較高的可編程邏輯資源的消費(fèi)。
　　Altera：功率分析軟件助陣
　　Altera公司最近也推出Quartus Ⅱ軟件4.2版本，該版本的主要新特性就是引入了業(yè)界最先進(jìn)的可編程邏輯功率分析和優(yōu)化套件——PowerPlay技術(shù)。
　　Altera公司亞太區(qū)產(chǎn)品營銷經(jīng)理Eric Lam介紹說，PowerPlay套件的分析功能可以詳細(xì)估算靜態(tài)和動態(tài)功率，在從設(shè)計(jì)構(gòu)想到實(shí)施的整個設(shè)計(jì)過程中，為設(shè)計(jì)人員提供詳細(xì)的幫助。設(shè)計(jì)人員可以在一個工程的開始階段，利用PowerPlay Early Power Estimator表單估算靜態(tài)和動態(tài)功耗。而在設(shè)計(jì)的實(shí)施階段，可以使用新的PowerPlay Power Analyzer工具，對功率進(jìn)行詳細(xì)估算。該工具結(jié)合了先進(jìn)的“標(biāo)量功率分析”算法和布局布線結(jié)果，提高了估算精度。如果使用任意功能仿真矢量或者門級仿真矢量輸入，設(shè)計(jì)人員都可以得到更加精確的估算結(jié)果。利用PowerPlay Analyzer工具，設(shè)計(jì)人員可以通過設(shè)計(jì)資源或者層次對全部功耗進(jìn)行仔細(xì)分析。依據(jù)這些數(shù)據(jù)資料，設(shè)計(jì)人員能夠快速達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，滿足功耗預(yù)算。Eric Lam表示，即將在2005年推出的Quartus 5.0版本中，PowerPlay 套件還會增加包括自動化工具在內(nèi)的更多功能。
　　除了在軟件工具方面的改進(jìn)，為了更好地解決靜態(tài)功耗問題，Altera在工藝和結(jié)構(gòu)方面也摸索出一系列有效的方法，如增加Vt（閾值電壓）、增加晶體管長度、采用4輸入LUT至7輸入可變ALM，以及采用低K絕緣工藝。Eric Lam并不贊成采用三次氧化處理技術(shù)，他認(rèn)為，三次氧化處理并不是主流的工藝技術(shù)，這是因?yàn)槿窝趸瘍H能控制泄漏功率，由于三次氧化厚度的增厚，反而會造成產(chǎn)品性能的下降。Eric Lam表示， Altera和TSMC長期的密切合作關(guān)系也加速了其在先進(jìn)工藝技術(shù)上的創(chuàng)新進(jìn)程。
　　QuickLogic：獨(dú)創(chuàng)mWatt技術(shù)
　　針對目前系統(tǒng)中日益苛刻的低功耗要求，QuickLogic公司特別設(shè)計(jì)開發(fā)了Eclipse Ⅱ系列首款μWatt（微瓦特）FPGA這一超低功耗的可編程解決方案。該器件使用了QuickLogic專利的ViaLink可編程技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)超低功耗以及低達(dá)17mA的待機(jī)功耗。
　　據(jù)了解，ViaLink可編程技術(shù)是在門與門、門與RAM塊等方面采用以金屬對金屬（metal-to-metal）互連技術(shù)，該技術(shù)可確保所開發(fā)器件的即時(shí)啟動、具有超低功耗以及芯片內(nèi)間的靈活性和互連性。
　　與此同時(shí)，QuickLogic還開發(fā)了一個功能豐富的軟件包來支持設(shè)計(jì)人員最大可能地降低功耗。