在选用FPGA进行设计时如何降低功耗
基于FPGA的高效计算平台设计与优化
基于FPGA的高效计算平台设计与优化随着信息技术的不断发展，计算机的性能越来越强大，能够处理的数据量越来越大，但是在面对一些特殊的计算任务时，如人工智能、数据挖掘、图像处理等，传统的计算机结构已经不能满足需求，需要更加高效的计算平台来支持这些工作。
而基于FPGA的高效计算平台正是这方面的一个有力的解决方案。
FPGA是一种可编程逻辑门阵列，通过对其内部逻辑单元进行编程，可以实现不同的功能。
因此FPGA具有非常强的可扩展性和灵活性，能够满足各种不同的应用场景需求。
FPGA计算平台的优势在于它能够高效地处理并行计算任务，同时能够实现低功耗的计算过程。
在设计FPGA计算平台时，需要考虑各种因素，如计算任务的特点、可用资源的数量和功耗等。
从计算任务的特点来看，如果任务需要大量的并行计算，则可以采用多个FPGA设备进行计算，从而提高计算效率。
在设计时，需要考虑不同FPGA设备之间的数据传输，以及如何协调不同设备的工作，从而避免数据丢失和错误。
同时，还需要考虑具体任务使用的资源量，从而合理配置FPGA设备资源，避免浪费和不足。
除了任务的特点之外，FPGA计算平台设计还需要考虑功耗问题。
在设计时，需要考虑如何降低功耗，以避免过高的运行成本。
一种方法是通过切断不必要的点位或时钟资源来降低功耗。
同时，还可以采用低功耗的设计策略，这样能够使整个平台在运行时能够更加高效地使用能源。
在优化FPGA计算平台时，需要考虑的因素很多。
其中最重要的因素是将计算任务映射到FPGA硬件上。
由于FPGA计算平台是可编程的，因此可以对其进行定制化编程，将计算任务转换为适合FPGA硬件实现的形式。
当然，在实际应用中，可能需要对任务进行适当的修改和调整，以适应FPGA硬件的特点。
此外，还需要考虑FPGA编程语言的选择。
目前，常用的FPGA编程语言有Verilog和VHDL两种。
因为两者各有特点，在具体应用时需要结合实际需求选择不同的编程语言。
FPGA低功耗设计要点
【低功耗】FPGA的功耗概念与低功耗设计研究摘要: 随着半导体工艺的飞速发展和芯片工作频率的提高，芯片的功耗迅速增加，而功耗增加又导致芯片发热量的增大和可靠性的下降。
因此，功耗已经成为深亚微米集成电路设计中的一个重要考虑因素。
本文围绕FPGA功率损耗的组成和产生原理，从静态功耗、动态功耗两大方面出发，分析了影响FPGA功率耗散的各种因素，并通过Actel产品中一款低功耗的FPGA进一步进行说明。
最后提出了在FPGA低功耗设计中的一些问题。
引言芯片对功耗的苛刻要求源于产品对功耗的要求。
集成电路的迅速发展以及人们对消费类电子产品——特别是便携式（移动）电子产品——的需求日新月异，使得设计者对电池供电的系统已不能只考虑优化速度和面积，而必须注意越来越重要的第三个方面——功耗，这样才能延长电池的寿命和电子产品的运行时间。
很多设计抉择可以影响系统的功耗，包括从器件选择到基于使用频率的状态机值的选择等。
1 FPGA功耗的基本概念（1）功耗的组成功耗一般由两部分组成：静态功耗和动态功耗。
静态功耗主要是晶体管的漏电流引起，由源极到漏极的漏电流以及栅极到衬底的漏电流组成；动态功耗主要由电容充放电引起，其主要的影响参数是电压、节点电容和工作频率，可以用式（1）表示[1]。
（2）静态功耗静态功耗主要是由漏电流引起。
漏电流是芯片上电时，无论处于工作状态还是处于静止状态，都一直存在的电流，来源于晶体管的三个极，如图1所示。
它分为两部分，一部分来自源极到漏极的泄漏电流ISD，另一部分来自栅极到衬底的泄漏电流IG。
漏电流与晶体管的沟道长度和栅氧化物的厚度成反比[2]。
图1 静态功耗的组成源极到漏极的泄漏电流是泄漏的主要原因。
MOS管在关断的时候，沟道阻抗非常大，但是只要芯片供电就必然会存在从源极到漏极的泄漏电流。
随着半导体工艺更加先进，晶体管尺寸不断减小，沟道长度也逐渐减小，使得沟道阻抗变小，从而泄漏电流变得越来越大，而且源极到漏极的漏电流随温度增加呈指数增长。
优化FPGA功耗的设计和实现
优化FPGA功耗的设计和实现为设计寻找完美FPGA 的重要性日渐升级，其中功耗已成为主要考虑因素。
功耗管理在大部分应用中都非常关键。
某些标准已为单卡或者单个系统设定了功耗上限。
鉴于此，设计人员必须在设计过程中更早地对功耗问题加以考虑，一般来说应该从选择FPGA 开始。
减少FPGA 的功耗可以降低供电电压，简化电源设计和散热管理，降低对电源分配面的要求，从而简化电路板设计。
低功耗还可以延长电池寿命，提高系统的可靠性（运行温度较低的系统寿命更长）。
功耗挑战伴随每一代工艺技术的问世，晶体管的尺寸可依照摩尔定律不断缩小。
但这种现象也会带来副作用，即每个晶体管内的漏电流会增大，进而导致静态功耗增大（未工作状态下FPGA 消耗的总电流增大）。
FPGA 性能的提升会提高时钟速率，使动态功耗上升。
静态功耗是晶体管漏电流造成的，动态功耗则取决于可编程逻辑和I/O 的开关频率。
由于每一代FPGA 的容量都在增大，会使两种功耗不断增加。
更高的逻辑容量意味着每个器件会有更多漏电流和更多在更高速度下运行的晶体管。
鉴于这些问题的存在，设计人员必须在设计过程中尽早对电源和热管理问题有更加清楚的认识。
给器件加上散热器并不足以解决这些问题。
因此设计人员必须尽量减少设计中的逻辑用量。
首先来看几点指南，有助于理解在设计过程各个阶段应采取何种措施来降低FPGA的功耗。
很明显，在设计过程的初期彻底理解这些问题能带来最大的收益。
图 1 说明了包括FPGA 选择以及低功耗设计技巧在内的贯穿整个设计过程的不同设计点7 系列工艺技术在选择FPGA 的过程中，应谨慎考虑工艺技术，它能帮助用户判断器件的漏电流和性能。
赛灵思7 系列FPGA 采用28 HPL （28nm 高性能低功耗）工艺，在。
fpga降低功耗方法
（原创版4篇）编制:_______________审核:_______________审批:_______________编制单位:_______________编制时间:_______________序言下面是本店铺为大家精心编写的4篇《fpga降低功耗方法》，供大家借鉴与参考，希望能够帮助到大家。
下载文档后，可根据您的实际需要进行调整和使用。
（4篇）《fpga降低功耗方法》篇1FPGA 设计降低功耗的方法涉及到多个方面，包括硬件设计、软件算法、功耗分析工具和个人设计方法。
以下是一些常见的 FPGA 降低功耗的方法：1. 选择低功耗的 FPGA 器件：选择功耗更低的 FPGA 器件可以降低整个系统的功耗。
2. 优化硬件设计：通过优化硬件设计，如减少不必要的连线和逻辑单元，可以减少 FPGA 的功耗。
3. 优化软件算法：使用高效的软件算法可以减少 FPGA 的功耗。
例如，使用流水线技术、数据压缩和解压缩技术等。
4. 使用功耗分析工具：使用功耗分析工具可以帮助设计师了解 FPGA 的功耗分布，从而选择合适的降功耗方法。
5. 个人设计方法：设计师可以根据自己的经验和判断，采用一些有效的设计方法来降低功耗。
例如，尽量减少使用高速时钟、合理分配逻辑资源和内存等。
《fpga降低功耗方法》篇2FPGA 功耗的降低方法涉及到多个方面，包括硬件设计、软件算法、系统设计和功耗分析工具等。
以下是一些常见的 FPGA 降低功耗的方法：1. 选择低功耗的 FPGA 器件：选择具有更低功耗的 FPGA 器件，如 Xilinx 的 Ultrascale+和 Intel 的 Arria 10 等，可以减少功耗。
2. 使用高效的硬件设计方法：使用高效的硬件设计方法，如使用较小的逻辑单元、较少的级联、优化的时钟树和布局布线等，可以降低功耗。
3. 优化软件算法：使用优化的软件算法，如基于特征的合成、时序约束和门级优化等，可以减少 FPGA 的功耗。
FPGA设计优化及方案改进
FPGA设计优化及方案改进引言FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种灵活的集成电路，可以在设计完成后进行编程，其可重构能力使其在嵌入式系统领域得到广泛应用。
然而，在进行FPGA设计时，设计师常常会面临面临多方面的挑战，包括资源利用率、时序和功耗等方面需要优化的问题。
本文将介绍FPGA设计优化的方法，并提出一些方案改进的建议。
FPGA设计优化方法1.资源利用率优化在FPGA设计中，资源利用率是一个非常关键的指标。
设计师应该尽可能地利用FPGA的资源，以提高系统的性能和效率。
•减小资源占用：在设计中，可以通过选择适当的元件和数据路径，减小设计对资源的需求。
比如，可以使用小型的逻辑元件替代大型的逻辑块，或者通过选择合适的数据存储结构来减小内存的占用。
•优化布局：在布局设计中，可以通过合理的划分和布局电路模块，减少数据路径的长度和数据冒泡现象的发生，从而提高系统的性能和资源利用率。
•逻辑复用：逻辑复用是一个有效的资源利用策略。
设计师可以合理地设计逻辑电路，使得多个逻辑功能共享同一片FPGA资源，从而提高资源利用率。
2.时序优化时序是FPGA设计中一个重要的指标，它决定了系统是否能够按照预期的时序要求正常运行。
在进行FPGA时序优化时，可以采取以下方法：•时钟树优化：时钟树是FPGA设计中的一个重要部分，它决定了时钟信号的传输速度和质量。
设计师可以通过优化时钟树的布局和路由，减小时钟信号的延迟和抖动，从而提高系统的时序性能。
•时钟分频和锁相环（PLL）：在FPGA设计中，时钟分频和锁相环是常用的时序优化方法。
通过合适的时钟分频和PLL设置，可以降低时序要求，提高系统的时序容忍度。
•引入流水线：通过引入流水线，可以将一个复杂的逻辑操作划分为多个较简单的阶段，从而减小每个阶段的时延，提高系统的时序性能。
3.功耗优化功耗是FPGA设计中需要考虑的一个重要指标，尤其对于嵌入式系统来说。
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？。
FPGA设计中的低功耗解决方案
州 户很 难 阻 止 时 钟 进 入器 件 。 此 场 合 ． 户 可使 用 与 Ｃ Ｋ 存 用 ＬＡ 或Ｃ Ｋ Ｌ Ａ相邻的 正常输 人引脚并在设计 中加进 Ｃ Ｋ Ｎ 。这样 ． Ｌ ＩＴ 时
钟 将 通 过 靠 近时 钟 引脚 的 正常 输 入 进 入 器 件 ．冉通 过 Ｃ Ｋ Ｎ 向 Ｌ ＩＴ 器 件提 供 时 钟 资 源 。 采用 这 种 输 入 电路 后 ，１ 常 规 Ｉ Ｉ于 ｌ ｝ ／ ０足 ｊ 态 的 ， 此 Ｊ 户 不 必 闽 ｝ Ｊ
会 引 起 电参 数 的 漂 移 、器 件 的 失 效 和 有 关 封 装 的 故 障 。 本 文 以 Ａ ｔ Ｘ系列 以及 Ｓ ， — ｅｌ ｅｅ Ｘｓ Ａ系列器件为例『１详细描述 ｒ器件 的 Ｘ １， 结 构特 点 与 ｉ 技 巧 。根 据 Ｐ ｃ Ｖ Ｄ ｆ 耗 分 析 ， 功 耗 的 电路 殳计 ＝￣ Ｄ ２ 功 Ｃ 低 设 计 可以从 减 小 开关 活 动 的 次 数 、 低 丁作 电 和 降 低 ｌ 频 率 降 Ｔ作 等 几方 面进 行 考 虑 。 其 中功 耗 Ｉ Ｄ 的 平 方 成 正 比 ，所 以 Ｖ Ｄ ＿Ｖ Ｄ Ｄ 的 降低 是 降低 电路 功 耗最 有效 的方 法 。 他 参数 的优 化 设 计 ｃ 『 其 乜口 以 一 定 程 度 上 降低 电路 的 功牦 。在 具体 的 电 路设 计 巾 。 系 统 架 从 构到具体 电路的实现 ， 再到 版 罔 的 设计 。 综 合 利 用 以 上 的 相 关 要 参数 ， 从不 同的层面进行功耗的优化 ， 从而达 到降低功耗 的 目的 ． 基 于 Ｃ Ｓ的 设 计 主 要 消 耗 ｊ 类 切 率 ： ＭＯ 内部 的 （ 路 ）漏 电 的 （ 短 、 静 态的 ） 以及 开 关 的 （ 容 ） ¨ 电路 瞬变 时 ， Ｉ 与 地 之 间 短路 连 电 。 Ｖ） Ｄ 接 消 耗 内部 功 率 。 电功 耗 是 Ｃ Ｓ丁艺 普 遍 存在 的 寄 生效 应 引 漏 Ｍ０ 起 的 。而 开 关 功耗 则 是 自负 载 电 容。 电 造成 的 。开 关 功 耗 与 短路 放 功 耗 合 在 一起 称 为 动 态 功 耗 。本 文 土要 介绍 ， 降 低 静 态 功 耗 『１ 种 ２ 和 动 态 功耗 的设 汁技 巧 。
聊一聊FPGA低功耗设计的那些事儿
聊一聊FPGA低功耗设计的那些事儿以下是笔者一些关于FPGA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。
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 JA * PD + TA其中Tjmax表示FPGA芯片的最高结温（maximum juncTIon temperature）；JA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，JA = 8.2C/W，在TA = 55C的环境中，想要结温Tjmax不超过100C的情况下，可以推算FPGA的总功耗：PD （Tjmax TA）/JA=（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JA：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图1。
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在选用FPGA进行设计时如何降低功耗
如今，各种规范和标准都对系统的整体功耗提出了越来越严格的要求，以至于系统设计师面临越来越艰巨的挑战。
传统意义上，ASIC和CPLD是低功耗竞争中当仁不让的赢家。
但是由于相对成本较高，且用户对高端性能和额外逻辑的要求也越来越多，在低功耗应用中使用CPLD正在失去优势。
ASIC也面临相同的风险。
而例如FPGA这样日益增长的可编程半导体器件正逐步成为备受青睐的解决方案。
开始创建一个新的设计时，物料清单、成本、功耗、电路板尺寸和上市时间都是要认真考虑的因素。
在排定初始要求的优先顺序后，在选择FPGA进行系统设计之前，设计师还需要考虑多种因素。
应该
1. 列出你的设计要点。
要考虑FPGA在高速、低速或时钟停止情况下的运行时间分别有多长？还要考虑如果器件睡眠时间较长，那么在更高时钟频点的突发模式处理可以达到要求的吞吐量吗？让设计在较低的时钟频率下运行更长的时间是不是更好的选择呢？针对这一过程，FPGA供应商提供了功率分析和预测的辅助工具，但一些工具的分析结果较之实际情况显得过于乐观。
2. 对每一个产品状态都要计算功耗。
要计算覆盖整个产品生命周期或预期电池工作时间内的所有状态下的功耗，要考虑到上电、待机、空闲、动态和断电等多种状态。
一个应用于具有Wi-Fi通信功能的用户手持设备中的FPGA，其可能只有5%的时间处于工作模式，其它20%的时间处于静态，而75%的时间则处于待机状态。
计算最坏情况下的静态功耗。
较新的FPGA技术可能具有超出设计师想像的静态功耗，尤其是在过温条件下。
确保考虑了内核、I/O和任何辅助电源。
当计算静态功耗时，对每个元件都要应用P=IV计算功耗。
3. 分析可预料的温度和电压变化要覆盖整个产品功耗剖析过程。
产品运行期间的热量和电压变化需要计算在内。
4. 估算系统每种工作模式(如短期的高性能工作，长期的低性能工作) 下的电池的工作时间，进而确定最佳的选择。
图：与其它半导体器件不同，FPGA有着一些独特的功率特性。
不应该
1. 忘记使用低功率模式时需要考虑的因素。
一些节电模式要求实现时考虑电路板尺寸，因此要求设计应该能够适应这种情况。
一些模式不适合被使用，是因为实现过程过于复杂，而且在设备进入或离开某个模式时需要等待一段长到无法容忍的时间。
例如，SRAM或SRAM混合FPGA提供的低功率模式要求器件重配置，此时的功耗可上涌至1W。
2. 让用户静态RAM和高I/O电压吸收过多的功率。
当使用本地或区域时钟源创建时钟区域时，要使用“enabled”逻辑屏蔽系统中的时钟变化。
用户静态RAM可能会吸收过多的功率，因此要选用能少用RAM的技术。
I/O也会吸收大量功率，因此建议使用低电压的TTL标准和较低的I/O电压。
采用串行低压差分信号片到片数据传输要比片外并行总线节省更多的功率，而它可以采用双倍数据速率寄存器实现。
进一步检查元件能否被集成或者功能能否被精简，而较大的FPGA可以容纳微控制器软核，这些都可以节省功耗。
3. 仅依赖于测量得到的功率数据。
要根据理论和功率模拟器的数字进行计算，并了解这些数字是如何得来的。
这些数字考虑了硅片变化吗？要记住，今天在平台上测得的结果与明天交付的低功率器件的实际表现可能有很大的出入。
因此只根据测量数据计算功率时要十分小心。
4. 遗漏额外元件的功耗值。
有时用某种FPGA技术实现解决方案可能需要额外的元件。
例如，自启动设计可能需要用到存储器，而非易失性FPGA可提供单片实现方案。