使用Stratix Ⅲ FPGA实现功耗更低、性能更高的系统
Stratix IV FPGA功耗管理和优势功耗管理及优势
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图 6 所示为一个典型的余度直方图，大部分通路 ( 左侧 ) 都有一定的余度，只有少量关键通路 ( 右侧 ) 需 要性能最好的逻辑以达到时序要求。
影响
主要
小 小 可忽略
敏感性
供电电压 栅极阈值电压 温度 沟道长度
栅极氧化层厚度 供电电压
栅极氧化层厚度 供电电压
N/A 至低电压 CMOS
设计方法
降低内核电压 提高电压阈值 增加逻辑门长度
双门氧化
双门氧化
不需要
动态功耗是器件工作时由于信号触发和容性负载冲放电所带来的功耗。如图 3 所示，影响动态功耗的主要 因素是电容充电、供电电压和时钟频率等。按照摩尔定律，小工艺尺寸减小了电容和电压，从而降低了动 态功耗。而难点在于小工艺尺寸上实现了更多的电路，提高了最大时钟频率。随着工艺节点的减小，相同 电路的功耗在降低，但是 FPGA 容量在不断加倍，最大时钟频率不断提高。
■ 低功耗模式，Quartus II 软件减小反向偏置电压 ( 使其更小，负值 )，使得晶体管很难接通。这降低了时序 不重要电路的亚阈值漏电流和不需要的静态功耗。
■ 高性能模式，Quartus II 软件增大反向偏置电压 ( 使其增大，负值 )，在几个关键时序通路上的晶体管更容 易接通，以满足设计中规定的时序约束要求，提高性能。
可编程功耗技术
FPGA 内核主要包括逻辑、存储器和数字信号处理 (DSP) 模块。在 Virtex-5 FPGA 等标准 FPGA 中，所有逻辑 模块都设计运行在一个速率上——最大速率，由图 4 中黄色模块表示，导致非常大的功耗。
实现低功耗FPGA电子系统优化技巧与方法
实现低功耗FPGA电子系统优化技巧与方法本文首先与实测系统功耗进行对比，验证了Xilinx公司ISE软件包中FPGA 功耗估算工具XPower的准确性。
然后对FPGA设计中影响系统功耗的几个相互关联的参数进行取样，通过软件估算不同样点下的系统功耗，找到功耗最低的取样点，得到最佳设计参数，从而达到优化系统设计的目的。
实验中通过这种方法，在一个FPGA读写SRAM 的系统中，在单位时间读写操作数固定的条件下，选取了读写频率与读写时间占空比这两个参数来优化系统功耗。
最终测试数据证明了该方法的正确性。
FPGA在各种电路设计中广泛应用，如何对FPGA系统进行低功耗优化成为一个重要的现实问题。
从最早的FPGA功耗模型的建立[1]，到较完善的FPGA功耗估算模型[2]，再到现在功耗估算工具的出现[3]，FPGA设计时对功耗的预估已经越来越准确，节约功耗的方法也越来越多样。
本文基于FPGA功耗的预估，提出将影响功耗的因素做为功耗函数的参数，根据参数取样并预估样点功耗找到功耗函数的最小值，从而得到最佳参数以优化系统设计并节约系统功耗的方法。
设计了一个FPGA读写常用存储器SRAM的系统，选取了读写频率与读写时间占空比这两个参数来优化系统功耗，通过对比预估值与实测值证明了该方法的正确性。
1 FPGA功耗估算工具1.1 XPower介绍Xilinx公司的ISE Design Suite工具套件中提供了功耗仿真器XPower Analyzer，它可以对可编程逻辑器件的功耗进行分析[3]。
功耗来源分静态功耗和动态功耗两部分[1]。
静态功耗主要由晶体管的泄漏电流和FPGA偏置电流引起，它与工艺技术、晶体管特性、晶体管个数、采用的绝缘介质等因素有关，这些是由FPGA本身决定的，与电路活动无关。
晶体管的泄漏电流主要由三部分组成：亚阈值漏电流、栅极漏电流和源漏极反偏漏电流，已经有文献对它们的值进行精确建模[4]。
动态功耗是器件核心或I/O在开关状态切换中消耗的能量[1]。
列举altera公司的cpld和fpga产品。
Altera公司是一家知名的半导体公司，致力于生产和销售可编程逻辑器件（PLD）和现场可编程门阵列（FPGA）等产品。
下面将列举Altera公司旗下的CPLD和FPGA产品，帮助大家更好地了解这家公司的产品线。
一、CPLD产品线1. MAX 7000系列MAX 7000系列是Altera公司推出的一款CPLD产品，具有低功耗、高性能和可编程性强的特点。
该系列产品广泛应用于通信、工业控制、汽车电子等领域，为客户提供了稳定可靠的解决方案。
2. MAX 9000系列MAX 9000系列是Altera公司的另一款CPLD产品，采用了先进的CMOS工艺和可编程逻辑单元，具有高密度、可靠性高的特点。
该系列产品在航空航天、国防安全、医疗设备等领域有着广泛的应用。
二、FPGA产品线1. Stratix系列Stratix系列是Altera公司旗下最为知名的FPGA产品之一，拥有高速、高密度、低功耗等特点，适用于需要大规模数据处理和高性能计算的应用场景。
该系列产品常用于人工智能、云计算、数据中心等领域。
2. Cyclone系列Cyclone系列是Altera公司针对中小规模应用市场推出的FPGA产品，具有低成本、低功耗、高性能等特点。
该系列产品在嵌入式系统、工业自动化、网络通信等领域有着广泛的应用。
3. Arria系列Arria系列是Altera公司旗下的高性能FPGA产品，具有高速、低功耗、灵活性强等特点，适用于需要高性能和灵活性的应用场景。
该系列产品在无线通信、高性能计算、高清视频等领域有着广泛的应用。
通过以上列举，我们可以看到Altera公司在CPLD和FPGA领域拥有丰富的产品线，为不同领域的客户提供了多样化的解决方案。
期待Altera在未来能够持续推出更多高性能、低功耗的PLD和FPGA产品，满足客户不断增长的需求。
Altera公司作为半导体行业的领军企业，一直以来致力于为全球各行业提供高性能、低功耗的可编程逻辑器件（PLD）和现场可编程门阵列（FPGA）产品。
fpga 低功耗设计方法
fpga 低功耗设计方法小伙伴们！今天咱们来聊聊FPGA低功耗设计方法呀。
FPGA可是个很厉害的东西呢，但要是能让它功耗低一些就更棒啦。
一种办法就是优化时钟策略哦。
你想啊，时钟就像FPGA的心跳一样，跳得太快太猛，那功耗肯定蹭蹭往上涨。
所以呢，能降低时钟频率的地方就降低一点，不过也不能降得太过分啦，不然它就不好好干活喽。
还有啊，那些用不到的时钟就别让它一直跳啦，把它关掉，就像睡觉的时候把灯关掉一样，能省不少电呢。
再有呢，就是数据通路的优化啦。
数据在FPGA里面跑来跑去的，要是路线规划得不好，那也会浪费很多能量。
就像你出门开车，如果老是走弯路，油就费得多呀。
所以要让数据走最短的路径，减少不必要的转换和缓冲。
比如说，在设计算法的时候，尽量让数据的处理简单直接，不要绕来绕去的。
还有一个很重要的点，就是合理使用FPGA的资源。
不能一股脑儿地把所有资源都用上，就像你收拾东西，不能把所有东西都堆在一个小盒子里，那样既乱又占地方。
要根据实际的功能需求来分配资源，多出来的就别让它空转啦，该休息就休息。
比如说一些逻辑块，要是没用到，就别让它在那空耗电啦。
电源管理也不能忽视哦。
给FPGA提供合适的电压，就像给手机充电，电压太高或者太低都不好。
有的FPGA有多种电源模式可以选择，那就根据实际情况挑一个最省电的模式呗。
在代码编写方面也有小窍门呢。
比如使用一些低功耗的库函数，这就像是给FPGA 穿上了一件节能的小衣服。
而且写代码的时候要简洁明了，不要写那些复杂又费电的代码结构。
FPGA的低功耗设计就像是照顾一个小宠物一样，要从各个方面去关心它，从时钟到数据通路，从资源利用到电源管理，还有代码编写。
只要把这些小细节都做好了，就能让FPGA在低功耗的状态下好好工作啦，是不是很有趣呢？。
Stratix III FPGA 信号完整性
白皮书Stratix III FPGA 信号完整性2006年11月，1.0版1WP-01008-1.0随着器件开关速率的提高以及器件引脚数量的增多，信号和电源完整性成为非常突出的问题，它既可以成就一个系统也可能毁掉一个系统。
在90nm 工艺技术上工作良好的芯片设计未必能够适应65nm 芯片。
较差的信号完整性降低了可靠性，劣化了系统性能，最糟糕的情况下会导致系统彻底失败。
在前代Stratix II 系列基础上，Stratix ® III FPGA 进行了全面改进，提高了信号和电源完整性。
这些改进包括管芯和封装级信号回路优化，其8:1:1用户I/O 至地/电源比降低了环路电感；改进的去耦合方案；动态片内匹配(OCT )；可编程LVDS 缓冲；以及新的摆率和交差输出延迟控制功能，这一功能使设计人员可以控制器件的噪声电平。
本白皮书介绍Altera ®Stratix III FPGA 的这些新特性和改进措施是怎样通过提高信号和电源完整性，简化印刷电路板(PCB )设计来解决这些问题，帮助客户进行系统设计的。
引言当今的系统需要更高的性能和更大的带宽，促使器件采用更快的开关速率和更多的引脚，特别是在FPGA 中，引脚以成百的数量增加。
系统运行在吉赫兹速率上时，时序余量下降，而器件边沿速率增大，杂散电容电感对器件信号和电源完整性的影响成为设计人员最关心的问题。
交叉串扰、振铃、同时开关噪声(SSN )、反射、抖动，以及由于传输线效应导致的信号衰减等现象妨碍了信号完整性，增加了PCB 设计的难度和复杂度。
必须仔细的设计PCB 和芯片电源分配网络(PDN )，否则，PDN 将影响系统的电源完整性。
信号完整性的影响系统设计人员在管理信号完整性以及运行系统性能仿真时必须非常小心。
较差的信号完整性降低了可靠性，劣化了系统性能，最糟糕的情况下会导致系统彻底失败，因此，他们投入了大量的时间和精力进行系统调试。
Xilinx高性能SPARTAN-3ADSP平台FPGA又添低功耗器件(精)
Xilinx高性能SPARTAN-3A DSP平台FPGA又添低功耗器件XtremeDSP产品线新增器件进一步优化高性能DSP的功耗Xilinx公司时间:2007年08月08日字体: 大中小关键词:<"cblue" "/search/?q=SPARTAN-3A" target='_blank'>SPARTAN-3A<"cblue""/search/?q=DSP" target='_blank'>DSP<"cblue" "/search/?q=Xilinx" target='_blank'>Xilinx全球可编程逻辑解决方案领导厂商赛灵思公司（Xilinx, Inc. (NASDAQ: XLNX)）今天宣布其Xtreme<"cblue""/search/?q=DSP" title="DSP">DSP?信号处理解决方案产品系列新增功耗优化的Spartan?-3A DSP器件。
这个目前业已投入量产的FPGA新器件，为低成本且低功耗FPGA领域的应用如军事通信战术无线电系统、无线接入点和便携式医疗设备等，提供了高性能的数字信号处理(DSP)能力。
与标准器件产品相比，<"cblue""/search/?q=Spartan-3A" title="Spartan-3A">Spartan-3A DSP低功耗 (LP)器件的静态功耗降低了50%，而在待机模式下静态功耗的降低更是高达70%。
同时，Spartan-3A DSP低功耗器件还具有工业额定等级。
降低的功耗与Spartan-DSP系列固有的因集成专用DSP电路而拥有的动态功耗优势互为补充、相得益彰。
三种高斯随机序列的FPGA实现分析
三种高斯随机序列的FPGA实现分析作者：夏阳范红旗卢再奇付强来源：《现代电子技术》2011年第17期摘要：对目前常用的产生高斯随机序列的方法进行了总结，在Stratix Ⅲ系列的芯片EP3SE260F1152C3上进行了仿真验证，并且分别利用软件SPSS和QuartusⅡV7.1对三种方法所产生的高斯序列进行了正态性检验和资源消耗的对比。
最后从工程实用的角度出发，分别对这三种方法进行了分析比较，对于在工程上实现高斯随机序列具有一定的参考意义。
关键词：均匀分布；高斯分布； CORDIC； FPGA中图分类号：TN911-34; TP391.9 文献标识码：A文章编号：1004-373X(2011)17-0010-05Realization and Analysis of Three Methods of Generating Gaussian Random Sequence on FPGA XIA Yang， FAN Hong-qi， LU Zai-qi， FU Qiang(ATR Key Lab, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)Abstract： The common method of generating Gaussian random sequence is summarized. The simulation is implemented on EP3SE260F1152C3 which is belong to the series of Stratix Ⅲ,and the comparison between normality testing and resource consuming is made for the Gaussian random sequence generated by the three methods using software SPSS and QuartusⅡV7.1. From a practical point of engineering, three methods are analyzed and compared, some reference value is provided in the project to achieve Gaussian random sequence.Keywords： uniform distribution; Gaussian distribution; CORDIC; FPGA0 引言在许多雷达系统、通信系统、武器制导系统中，都需要用噪声发生器来检测系统的抗噪声干扰能力，而符合高斯分布的噪声是最常用的一种噪声［1］。
Stratix系列的CPLD器件的性能及应用研究
Stratix系列的CPLD器件的性能及应用研究近年来，随着集成芯片制造技术的发展，可编程逻辑器件（PLD）在速度和集成度两方面得到了飞速提高。
由于它具有功耗低、体积小、集成度高、速度快、开发周期短、费用低、用户可定义功能及可重复编程和擦写等许多优点，应用领域不断扩大，越来越多的电子系统开始采用可编程逻辑器件来实现数字信号处理，从而使通用DSP芯片难于完成的一些时序组合逻辑和某些简单的大运算量的数学计算得以实现。
继QuickLogic 和XILINX分别开发了内含嵌入式FIR core的CPLD之后，ALTERA公司又推出了新一代可编程逻辑器件Stratix系列，其性能完全满足高速数字信号算是系统的设计要求。
1 Stratix系列器件的主要特性同其它含有嵌入式FIR core的CPLD相比较，Stratix系列CPLD采用了1.5V内核，0.13μm全铜工艺，由QuartusII 2.0以上版本软件支持，可以重复编程，通过JTAG接口或者EPROM加载程序，内部有DSP模块、PLL、大带宽高速I/O接口和大容量存储模块。
主要内部资源参见表1。
表1 Stratix器件内部资源表该系列CPLD主要特点包括：·高性能体系：Stratix系列器件的新结构采用了DitrectDriveTM技术和快速连续MultiTrackTM互联技术。
MultiTrackTM互联技术可以根据走线不同长度进行优化，改善内部模块之间的互联性能。
Altera公司特有的DirectDriveTM技术保证片内所有的函数可以直接连接使用同一布线资源。
这两种技术与QuartusII 2.0以上版本软件提供的LogicLock （tm）功能相结合，便于进行模块化设计，简化了系统集成。
Stratix系统器件片内的全局和本地时钟资源提供了多达40个独立的系统时钟，有利于实现最丰富的系统性能；全新的布线结构，分为三种长度的行列布线，在保证延时可预测的同时，增加了布线的灵活性。
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辑 对性 能要 求较 高 的特 点 ，ｔ ｔ Ｉ 自动 配 置 ， 活 而 又 方 便 。 Ｓｒ ｉ Ｉ ｏｘ ｆ 灵
系 列 采 用 了可 编 程 功 耗技 术 ，即 保 该 系 列 Ｆ Ｇ 的 内核 电压 可 以 Ｐ Ａ
． １ 提 升 了性 能并 降 低 了功 耗 ， 括 ： 包 先 证 关 键 路 径 逻 辑 单 元 的 高 速 性 能 ， 由用 户 根 据 需 要选 择 ，选 择 １ Ｖ内 降低 对 速 度 要 求 不 高 的逻 辑 单 元 的 核 电压 可 以 实现 最 佳 性 能 ，而 选 择 进 的 ６ ｎ 工 艺 ； 变 硅 技 术 ， 高 ５ｍ 应 提
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Ｏｎ ｉ ｅ Ｓ ｌ ｅｍ ｉ ａｒ ｇｈ ｉ ｔ ｎ ｎ Ｈｉ ｌ ｇｈ ｓ
Ｃ ｉａ ｈ ｎ ＥＣＮｅ 。 ｔ
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使用 Ｓ Ｆ Ａ实现功耗 ａｉ Ｉ ｔｔ Ｉ Ｐ ｒ Ｉ Ｇ ｘ 更低 性能更高的系统
．Ｖ 芯 片 的 互 联 效 果 ；多 门 氧 化 加 厚 和 功 耗 ，并 使 未 使 用 的逻 辑 单 元 进 入 Ｏ９ 内 核 电 压 则 可 以 实 现 最 低 功 耗 。同时 ｆ ／ ０和 Ｐｌ 电压 不 受 影 响 ， Ｌ ＿ 多 阈值 电压 技 术 ，使 晶体 管 在 功 耗 休 眠状 态 。 此 外 Ｓｒｔ ｔ ｉ 系列 ＦＧ ｏ ｘ… Ｐ Ａ具 有 所 以 仍 能获 得 最 大 的 ｆ ／ ０接 口速 率 。
Ｉ ｐｌ ｅｎｔ ｏｗｅ ｏｗｅｒａｎｄ ｇｈｅ ｅｒｏ ｍ ａｎｃｅ ｍ ｅｍ Ｌ ｒＰ Ｈｉ ｒＰ ｆ ｒ
Ｓ ｓｅ ｔ ｔ ｉ Ｉ Ｐ ｙ ｔ ｍ ｗｉ Ｓｒ ｘ Ｉ ＧＡ ｈ ａｔ Ｉ Ｆ
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１ 前 Ｆ Ｇ 的 逻 辑 密 度 相 对 ０年 ＰＡ 较 小 、 度较 低 ， 速 因此 只 应 用 于胶 合 逻 辑 领 域 。随之 工 艺 的 改 进 和 技 术 的提 升 ，Ｆ Ｇ 逐 渐 被 用 作 控 制 逻 Ｐ Ａ 辑、 数据 通 路 甚 至 系 统 核 心 。Ａｌ ｒ ｔａ ｅ
和 速 率 上 达 到 均 衡 ；低 Ｋ金 属 间 绝 ８ ５ ０ ０个 逻 辑 块 ， 个 逻 辑 块 都 可 以 每
降低 动 态 功 耗 ， 升 性 能 。 提 进 行 精 细 的 功 耗 和 性 能 优 化 ， 优 该 Ｓ ｒｔ ｔ ｉ ｏ ｘ…器件 通 过 芯 片优 化 ， 借 缘 ， 化 过 程 可 以通 过 软 件 根据 设计 需 求 针 对 设 计 中通 常 只 有 小 部 分 逻 助 可 编 程 技 术 、可 选 的 内核 电压 及 Ｑｕ ｒ ｓ ｆ软 件 ， 低 了系 统 功 耗 。 ａｔ ｌ ｕ 降
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公 司 提 供 的 Ｓｒｔ ｔ ｉ 系 列 Ｆ Ｇ 的 ａ ｘ… ＰＡ 关 键特 性 包 括 创 新 的 可 编程 功 耗 技
术 及 可 降 低 成 本 的 Ｈ ｒＣ ｐ 技 术 ， ａｄ ｏ ｙ
提 供 了超 低 功 耗 和 超 高性 能 。
Ｓｒ ｔ 系歹介绍 ｔ ｉｍ ａｘ ｌ ｊ
世界 电子元器件 ２ ０ ． ０ ７ ｗｗｗ．ｅ ｍａ ．ｏ ２ ｇ ｃ ｇｃ ｍ
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持 基 于 团 队 的 设 计 ；降低 了 设 计 改
动 所 花 费 的 时 间 和 精 力 。高 效 的 Ｑｕ ｒ ｓ ｌ 具有 助 于 提 高 用户 的 工 ａｔ 工 ｕｌ 作 性 能
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达到高性 能多输入查 找表的效果 ，
又 能 有 效 降 低 成 本 。 据 面积 优 化 根
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Ｈ・图 ３ Ｓｒｔ Ｉ 静 态 功 耗 改进 ｔ ｉＩ 的 ａ ｘＩ
用 结 果 ， 通 常 设 计 中采 用 ３至 ７输 入 查 找表 结 构 ，而 无 论 把 查找 表 定
Ｓｒｔ ｔ ｉ 系 列 器 件 可 分 成 四 大 ｏ ｘ… 类， 包括 具 有 逻 辑 、 储器 和 乘 法 器 存
的 面 向 普 通 应 用 的逻 辑 型 器 件 ；具 有丰 富 的 存 储 器 ， 向 Ｄ Ｐ应 用 的 面 Ｓ
１ ５ Ｇａ ｅ ． Ｍ ｔ ｓ
３ Ｏ Ｇａ ｅ ． Ｍ ｔ ｓ
系统速 率快２ ％ ５
Ｓ ｒ ｔｘⅢ ｔａｉ
一 ２Ｏ ． Ｏ
密度 提高２ 倍
Ｓｔａ ｉ ｒｔ ｘⅢ
义 为 哪 类 输 入 都 将 造 成 成 本 的 浪 费 ，不 利 于 速 度 优 化 。而 自适 应 的 逻 辑 模块 则可 划 分 为 各 类 不 同 的逻 辑 组 合 ，可 实现 所 有 的 ６输 入 逻 辑
邑
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Ｓ ｒｔ ｔ ｉ 性 能和体系 ａ ｘⅢ 架构
自适应逻辑模块
２ ０ 年 ， ｔ ｔ 系列 引 入创 新 的 ０ ４ Ｓｒ ｉ ａｘ 自适 应 逻 辑模 块 （ Ｌ ， Ｌ Ａ Ｍ） Ａ Ｍ既 可 以
０ ５ ０Ｋ １０ ０Ｋ １５ ０Ｋ ２ ０Ｋ ２５ Ｋ ０ ｏ ３ Ｋ ３ Ｋ ∞ ５０
” 图 １ 与 ９ ｎ 技 术相 比 功耗 降低 ５ ％ ０ｍ ０
增 强 型 器件 ；集 成 宽 带 接 口如 多 吉 比特 收 发器 的Ｇ× 件 ； 器 以及 适 用 于
大批 量 应 用 的 Ｈ ｒＣ ｐ ａｄ ｏ ｙ器 件 。
图 ２ 不 同 内核 电压 时 的性 能 功 耗 比较
创新 的功耗技术
功 能 ， ５ 、 ＋４逻 辑 组 合 ， 在 或 ＋３ ４ 而
鼍 பைடு நூலகம்
斓
’ 隅
露 甘 － 靛 罂