FPGA厂商出击低功耗技术瓶颈

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        在手持、移动和便携式消费电子市场快速增长的今天,用可编程逻辑器件实现系统设计的比重也在不断增加。随着半导体制造工艺技术的提升,FPGA在规模、速度、价格等方面的竞争力都得到了极大的改善,而与此同时如何有效地控制FPGA的功耗则显得越发棘手。  

      最近,Xilinx、Altera和QuickLogic等公司,在研发FPGA新产品时,都把降低功耗作为设计准则以加以重视,并先后推出一系列低功耗FPGA解决方案。  

      Xilinx:90nm工艺+架构创新  

      Xilinx在全公司开展功率创新活动,其宗旨是使全公司都致力于为客户提供满足其迫切需求的电源管理解决方案。  

      Xilinx大批量产品市场营销高级经理Richard Terrill说,Xilinx在跨越了FPGA规模、速度和价格三个关键技术门槛之后,下一步所面临的挑战的焦点就是“低功耗”。Richard Terrill认为,目前FPGA虽然还没有达到ASIC的低功耗,Xilinx最近推出的新型Spartan-3L FPGA系列产品采用的独特的新型休眠模式提供两种降低功耗的方式,一种是简单的备用模式能使静态功耗降低68%,另一种内置功率管理模式可降低静态功耗达98%。同时由于采用了改进的90nm工艺,与0.13mm工艺相比,动态功耗也降低50%左右。  

        Richard Terrill介绍说,Xilinx通常采用门类齐全的工具和多种技术的融合来解决电源管理方面的问题。例如,在电路设计方面,Xilinx采用CMOS门可去除Vcc-GND电流通路,达到高速、小电流的目的;在架构方面,为用户提供可配置的休眠模式降低功耗;在器件结构上则使用低速晶体管来“一次性”配置单元;而在工艺方面,Xilinx为用户实现更低功耗单元的工艺选项,例如提供三个氧化层厚度选项——Xilinx在新推出的Virtex-4 FPGA产品中,就增加了第三个氧化层厚度选项,可以精细地调整功率特性;制造方面Xilinx与UMC合作,在Spartan-3L中开发了用来实现低功率区域的关键工艺步骤,使其具有更低的静态功耗额定值,同时没有放宽任何AC数据表的参数要求;此外,Xilinx还通过在FPGA中集成硬IP核的方式降低设计对于功耗较高的可编程逻辑资源的消费。  

       Altera:功率分析软件助阵 

       Altera公司最近也推出Quartus Ⅱ软件4.2版本,该版本的主要新特性就是引入了业界最先进的可编程逻辑功率分析和优化套件——PowerPlay技术。  

      Altera公司亚太区产品营销经理Eric Lam介绍说,PowerPlay套件的分析功能可以详细估算静态和动态功率,在从设计构想到实施的整个设计过程中,为设计人员提供详细的帮助。设计人员可以在一个工程的开始阶段,利用PowerPlay Early Power Estimator表单估算静态和动态功耗。而在设计的实施阶段,可以使用新的PowerPlay Power Analyzer工具,对功率进行详细估算。

       该工具结合了先进的“标量功率分析”算法和布局布线结果,提高了估算精度。如果使用任意功能仿真矢量或者门级仿真矢量输入,设计人员都可以得到更加精确的估算结果。利用PowerPlay Analyzer工具,设计人员可以通过设计资源或者层次对全部功耗进行仔细分析。依据这些数据资料,设计人员能够快速达到优化目标,满足功耗预算。Eric Lam表示,即将在2005年推出的Quartus 5.0版本中,PowerPlay 套件还会增加包括自动化工具在内的更多功能。  

       除了在软件工具方面的改进,为了更好地解决静态功耗问题,Altera在工艺和结构方面也摸索出一系列有效的方法,如增加Vt(阈值电压)、增加晶体管长度、采用4输入LUT至7输入可变ALM,以及采用低K绝缘工艺。Eric Lam并不赞成采用三次氧化处理技术,他认为,三次氧化处理并不是主流的工艺技术,这是因为三次氧化仅能控制泄漏功率,由于三次氧化厚度的增厚,反而会造成产品性能的下降。Eric Lam表示, Altera和TSMC长期的密切合作关系也加速了其在先进工艺技术上的创新进程。  

      QuickLogic:独创mWatt技术  

       针对目前系统中日益苛刻的低功耗要求,QuickLogic公司特别设计开发了Eclipse Ⅱ系列首款μWatt(微瓦特)FPGA这一超低功耗的可编程解决方案。该器件使用了QuickLogic专利的ViaLink可编程技术,能够实现超低功耗以及低达17mA的待机功耗。  

       据了解,ViaLink可编程技术是在门与门、门与RAM块等方面采用以金属对金属(metal-to-metal)互连技术,该技术可确保所开发器件的即时启动、具有超低功耗以及芯片内间的灵活性和互连性。

       与此同时,QuickLogic还开发了一个功能丰富的软件包来支持设计人员最大可能地降低功耗。

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