PDF文件下载 - 电子工程世界

用 Virtex ® -6 和 Spartan ® -6 FPGA
构 建 功 耗 优 化 的 设 计
梁 晓 明
亚 太 区 通 信 业 务 拓 展 高 级 经 理
美 国 赛 灵 思 公 司
2009 年 2 月 10 日

世 界 正 在 变 绿
如 果 给 出 具 有 相 同 特 性 和 价 格 的 两 种 产 品 ,
我 们 的 客 户 ( 终 端 用 户 ) 将 告 诉 我 们 , 他
们 会 选 择 耗 能 最 低 的 产 品 , 目 的 在 于 实 现
绿 色 环 保 。
一 个 主 要 设 备 生 产 商 的 产 品 工 程 经 理
2008 年 10 月 23 日
用 赛 灵 思 产 品 进 行 绿 色 设 计
V6 / S6 Low Power Page 2
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

赛 灵 思 公 司 介 绍
• 全 球 可 编 程 解 决 方 案 领 导 企 业
– 成 立 于 1984 年
– 2008 财 年 收 入 18 亿 美 元
– 全 球 拥 有 3,500 名 员 工
– 在 全 世 界 拥 有 20,000 多 家 客 户
• 无 晶 圆 厂 半 导 体 业 务 模 式 (Fabless) 的 先 行 者
• 现 场 可 编 程 门 阵 列 (FPGA) 的 发 明 者
– 最 早 推 出 180nm, 150nm, 130nm, 90nm 和 65nm 工 艺 制 程
– 目 前 在 65nm 高 端 FPGA 出 货 量 上 拥 有 95% 的 市 场 份 额
• 拥 有 50% 的 可 编 程 逻 辑 器 件 (PLD) 市 场 份 额
– 是 所 有 其 它 竞 争 对 手 市 场 份 额 的 总 合
V6 / S6 Low Power Page 3
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

赛 灵 思 25 年 发 展
珍 贵 的 资 产 : 辉 煌 发 展 及 光 明 未 来 的 坚 实 基 础
绝 佳 的 主 要 客 户 关 系
思 科
索 尼
华 为
大 唐
中 兴
通 信
客 户 领 域 广 泛 , 市 场 种 类 丰 富 数 据 处 理 7%
16%
消 费 与 汽 车
44%
33%
工 业 与 其 它
卓 越 的 财 务 表 现
50%
市 场 占 有 率
运 营 现 金 流 :
581 5.81 亿 美 元
财 务 状 况 稳 定
现 金 与 投 资
18 亿 美 元
V6 / S6 Low Power Page 4
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

设 立 “ 优 秀 管 理 企 业 ” 的 标 准
赛 灵 思 屡 获 殊 荣 的 2008 年
• 中 兴 通 讯 全 球 最 佳 合 作 伙 伴 奖 , 2008-2009 2009 年 度
• 最 受 尊 敬 半 导 体 上 市 公 司 , 全 球 半 导 体 联 盟 (GSA), 2008 年 度
• 华 为 卓 越 核 心 供 应 商 奖 , 2008 年 度
• 2008 中 国 最 受 欢 迎 半 导 体 品 牌 , 中 国 电 子 报
• 年 度 “ 最 佳 产 品 奖 ”( 数 字 IC 与 可 编 程 器 件 类 ), Virtex-5 5FXT
FPGA,
– 《 电 子 设 计 技 术 》2008 年 度 创 新 奖
• 年 度 “ 优 秀 产 品 奖 ” ( 开 发 工 具 与 软 件 类 ), ISE 10.1 设 计 工 具 ,
– 《 电 子 设 计 技 术 》2008 年 度 创 新 奖
• 影 响 中 国 的 十 大 嵌 入 式 系 统 新 技 术 奖 (FPGA/DSP),Virtex-5
FXT FPGA,《 电 子 产 品 世 界 》 杂 志 , 2008 年 度
• 十 大 影 响 中 国 的 嵌 入 式 系 统 新 技 术 提 名 奖 (FPGA/MCU),
MicroBlaze v7 嵌 入 式 处 理 器 ,《 电 子 产 品 世 界 》 杂 志 , 2008 年 度
• 十 大 影 响 中 国 的 嵌 入 式 系 统 新 技 术 提 名 奖 ( 开 发 工 具 ),
• AccelDSP & System Generator for DSP
• 《 电 子 产 品 世 界 》 杂 志 ,2008 年 度
• 爱 丽 丝 工 业 合 作 奖 , CERN 2008
• 最 佳 企 业 公 民 100 强 , CRO 杂 志 2008
• 2008 年 编 辑 选 择 奖 – Spartan-3A FPGA, Portable Design 杂 志
V6 / S6 Low Power Page 5
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

可 编 程 器 件 的 市 场 份 额
2008 年 第 三 季 度
PLD 部 分
Lattice
Actel QuickLogic: 1%
其 它 : 1%
6% 6%
FPGA 部 分
Xilinx
36%
50%
54%
35% 11%
Altera Xilinx
Altera 所 有 其 它 公 司
源 引 : 公 司 报 告
可 用 的 最 新 信 息 : 第 四 季 度 滚 动 计 算
赛 灵 思 的 市 场 份 额 超 过 所 有 其 它 专 业 PLD 公 司 的 总 和 。
V6 / S6 Low Power Page 6
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

日 程
• 低 功 耗 设 计 简 介
• 降 低 静 态 和 动 态 功 耗
• 功 耗 估 计
• 低 功 耗 产 品 用 户 设 计 技 巧
• 功 耗 估 计
• 软 件 的 功 耗 优 化
• 总 结
V6 / S6 Low Power Page 7
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

降 低 功 耗 的 好 处
• 简 化 热 管 理 系 统
– 采 用 更 小 的 ( 或 不 用 ) 散 热 器
– 具 有 更 低 的 气 流 要 求
• 简 化 电 源 设 计
– 元 件 数 量 更 少 ,PCB 板 面 积 更 小
• 提 高 系 统 可 靠 性
– 温 度 更 低 而 且 元 件 数 量 减 少
非 Xilinx
Xilinx
面 积 更 小 , 电 源 更 少
• 价 格 更 低 , 电 源 更 少
– 更 低 的 BOM (0.50 美 元 -1.00 美 元 / 瓦 )
– 更 低 的 运 营 成 本 (1.00 美 元 / 瓦 / 年 )
系 统 设 计 更 简 单 , 功 耗 更 低
V6 / S6 Low Power Page 8
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

技 术 趋 势 将 增 加 功 耗
趋 势
对 功 耗 的 影 响
晶 体
管
尺 寸
• 晶 体 管 的 尺 寸 更 小 , 数 量 更 多
• 更 薄 的 栅 氧 化 层 , 更 短 通 道 的 晶 体 管
( 摩 尔 定 律 )
会 带 来 更 多 泄 漏
泄 漏
速 度
• 增 强 的 FPGA 性 能 有 助 于 达 到 更
高 的 时 钟 频 率
动 态
• 动 态 功 耗 = CV 2 f
• 更 高 频 率 = 更 多 功 耗
密
度
• 更 大 的 逻 辑 容 量 是 以 往 各 代 产 品
的 二 倍
动
态
及
静 态
• 更 多 逻 辑 = 每 个 器 件 产 生 更 多 功 耗
• 更 多 结 点 开 关 ( 动 态 功 耗 )
• 更 多 晶 体 管 ( 静 态 功 耗 )
赛 灵 思 利 用 40 和 45 nm 工 艺 解 决 了 这 些 挑 战 !
V6 / S6 Low Power Page 9
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

关 于 功 耗 的 各 种 焦 点
选 择
• 电 压 调 节 选 择
工 具
• 及 早 的 功 耗 估 计
• 精 密 的 功 耗 分 析
架 构
• 改 进 的 路 由 、 时 钟 、LUT 架 构
• 硬 IP 模 块
• 电 源 管 理 特 点
工 艺 技 术
• 三 栅 极 氧 化 层 技 术
• 更 小 的 几 何 尺 寸
• 低 K 电 介 质
V6 / S6 Low Power Page 10
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

降 低 静 态 和 动 态 功 耗

两 种 功 耗
• 静 态 功 耗 ( 静 止 或 待 机 状 态 )
门
– 主 要 是 晶 体 管 漏 电 流
• 门 电 流
源
I 门
漏
• 源 漏 电 流
– 针 对 专 用 电 路 的 某 些 直 流 电
I S→D
• 动 态 功 耗 ( 活 动 状 态 )
− 充 电 / 放 电 电 容 器
• 位 于 FPGA 核 和 I/O 中
− 取 决 于 结 点 电 容 , 电 源 电 压 和 开 关 频 率
Buf
C
Buf
• CV 2 f
V6 / S6 Low Power Page 12
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

降 低 静 态 功 耗
• 工 艺 技 术
– 实 现 更 小 的 几 何 结 构 和 更 低 的 电 源 电 压
– 多 种 晶 体 管 选 择 提 供 了 更 多 的 设 计 自 由
• 产 品 架 构
– 最 优 的 特 性 组 合 ( 逻 辑 、 存 储 器 、DSP、IO)
– 专 用 的 硬 IP
– 电 源 管 理 特 性
• 暂 停 / 休 眠 ( 仅 适 用 于 Spartan-6 )
• 部 分 重 新 配 置
• 核 电 压 调 节
– “-1L” 的 更 低 功 耗 选 择
对 降 低 静 态 功 耗 的 整 体 研 究
V6 / S6 Low Power Page 13
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

Virtex-6 中 额 外 的 晶 体 管 类 别
Virtex-5 65 nm 模 块
( 晶 体 管 分 布 )
最 高 泄 漏 (65 nm 低 V T )
较 低 泄 漏 (65 nm 规 则 V T )
Virtex-6 40 nm 模 块
( 晶 体 管 分 布 )
最 低 泄 漏 (45 nm 规 则 V T )
低 泄 漏 (40 nm 规 则 V T )
中 等 泄 漏 (45 nm 低 V T )
最 高 泄 漏 (40 nm 低 V T )
氧 化 层 厚 度 , 阈 值 电 压 和 通 道 长 度
影 响 晶 体 管 的 速 度 和 泄 漏 电 流
更 广 泛 的 晶 体 管 选 择 实 现 了 功 耗 和 性 能 的 平 衡
V6 / S6 Low Power Page 14
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

利 用 工 艺 技 术 降 低 静 态 功 耗
Spartan
Virtex
100%
80%
-50%*
-30%*
-50%
60%
-70%
40%
20%
0%
S3A(1.2V) S6(1.2V) S6-1L(1V)
V5(1V)
V6(1V) V6-1L(0.9V)
90nm
45nm
65nm
40nm
* 芯 片 代 工 厂 ,Xilinx IC 设 计 ,TD 模 型
静 态 功 率 还 受 到 逻 辑 、BRAM 和 DSP 单 元 的 实 际 利 用 率 的 影 响
V6 / S6 Low Power Page 15
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

降 低 动 态 功 耗
• 更 小 的 几 何 结 构
– 更 低 的 V CCINT 、 更 小 的 面 积 、 更 低 的 电 容
晶 体 管
• 低 K 电 介 质
– 更 低 的 互 连 电 容
源 极
W
L
poly
漏 极
• 架 构 增 强
–LUT6、 时 钟 门 控 、 硬 IP
寄 生
电 容
互 连
• 可 选 的 核 电 压 缩 放
金 属 平 面
– “-1L” 更 低 的 功 耗 选 择
途 径
P=CV 2 f
动 态 功 耗 与 V CCINT 的 平 方 成 正 比
V6 / S6 Low Power Page 16
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

更 低 的 V CCINT 和 更 低 的 电 容
降 低 静 态 功 耗
Spartan
Virtex
100%
80%
-40%
-58%
-30%
-44%
60%
40%
20%
0%
S3A(1.2V) S6(1.2V) S6-1L(1V)
V5(1V)
V6(1V)
V6-1L(0.9V)
90nm
45nm
65nm
为 Spartan-6 节 能 58%, 为 Virtex-6 节 能 44%
40nm
V6 / S6 Low Power Page 17
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

利 用 门 控 时 钟 降 低 动 态 功 耗
• BUFGCE
– 动 态 可 门 控 全 局 时 钟 缓 冲 ( 最 大 值 =32)
– 降 低 了 高 使 能 (CE) 输 出 端
– 适 用 于 Spartan-6 和 Virtex-6
Clocking
BUFGCE and BUFHCE
• 用 于 Virtex-6 的 新 资 源 :BUFHCE
– 动 态 可 门 控 的 微 处 理 器 时 钟
– 降 低 了 高 使 能 (CE) 输 出 端
– 是 Virtex-6 中 的 新 资 源
– 与 元 件 大 小 成 比 例
• 在 最 大 的 Virtex-6 元 件 中 , 有 200 多 个
• 用 于 Spartan-6 的 新 资 源 :BUFH
– 减 少 了 负 载 , 进 而 降 低 了 电 容 , 最 终 降 低 了 动 态 功 耗
注 意 : 在 使 用 这 些 资 源 时 的 软 件 支 持
BUFHCE
CEY
CEX
BUFGCE
BUFHCE
CEZ
时 钟 门 控 显 著 降 低 了 动 态 功 耗
V6 / S6 Low Power Page 18
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

架 构 案 例 研 究
LUT4 与 LUT6 架 构
LUT4 架 构
(Spartan-3A, Virtex-4)
LUT6 架 构
(Spartan-6,Virtex-5, 6Vi Virtex-6)
LUT4
LUT4
LUT6
LUT4
LUT4
LUT6
LUT6
LUT4
LUT6
Telecom Design LUT Nets Connections
Routing
Resources
LUT4 架 构 18,371 26,417 100,641 95,200
LUT6 架 构 14,585 22,510 89,569 82,408
降 低 率 % -21% -14.8% -11% -13.5%
LUT6 降 低 了 静 态 和 动 态 功 耗
V6 / S6 Low Power Page 19
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

硬 IP 块 降 低 了
静 态 和 动 态 功 耗
• 降 低 静 态 功 耗
– 大 大 减 少 了 晶 体 管 的 数 量
• 降 低 了 动 态 功 耗
– 省 去 了 大 多 数 可 编 程 互 连
– 大 大 缩 短 了 走 线 长 度
功 耗 降 低 高 达 10X 并 可 实 现 同 等 的 “ 软 件 ” 功 能
V6 / S6 Low Power Page 20
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

Spartan-6 和 Virtex-6 硬 IP 块
BlockRAM
采 用 ChipSync
技 术 的 SelectIO
DSP 区 块
低 功 耗
串 行
收 发 器
时 钟 管 理
DCM † 和 PLL
PCI-Express
硬 区 块
硬
内 存
控 制 器
†
AES 加 密
10/100/1000 Mbps
以 太 网
MAC 区 块 *
* 仅 适 用 于 Virtex-6
†
仅 适 用 于 Spartan-6
赛 灵 思 FPGA 提 供 了 丰 富 的 硬 IP 块
V6 / S6 Low Power Page 21
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

硬 IP 块 的 降 耗 ─
以 Spartan-6 为 例
其 它 FPGA*
Spartan-6*
内 存
控 制 器
PCIe
界 面
DSP 逻 辑
通 用
逻 辑
~45K
逻 辑 单 元
器 件
整 体
节 能
40%
~25K
逻 辑 单 元
器 件
硬 内 存
控 制 器
硬 PCIe
界 面
硬
DSP48A
两 个 DRAM 控 制 器
PCIe 界 面
DSP (FFT, FIR, 对 称 TAP 等 等 )
通 用 逻 辑
总 计
6K 逻 辑 单 元
6K 逻 辑 单 元
11K 逻 辑 单 元
22K 逻 辑 单 元
45K 逻 辑 单 元
硬 区 块
硬 区 块
硬 区 块
~24K 逻 辑 单 元
24K 逻 辑 单 元
( 为 IP 包 装 增 加 逻 辑 )
硬 IP 块 降 低 了 功 耗 ( 采 用 更 少 的 可 编 程 逻 辑 )
V6 / S6 Low Power Page 22
© 2008 Xilinx Incorporated All Rights Reserved | Confidential 22
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

千 兆 位 级 收 发 器
Spartan-6 LXT
(GTP)
Virtex-6 LXT/SXT
(GTX)
Virtex-6 HXT
(GTH)
线 路 速 度 高 达 3.125 Gbps 高 达 6.5 Gbps 高 达 10 Gbps 以 上
典 型 功 耗
( 取 决 于 线 路 速 度
并 假 定 共 用 PLL)
100-150 mW 120-160 mW ~ 250 mW
V6 / S6 Low Power Page 23
© 2008 Xilinx Incorporated All Rights Reserved | Confidential 23
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

降 低 的 I/O 功 耗
• 可 编 程 的 转 换 速 率 和 驱 动 强 度
– 通 过 最 低 的 转 换 / 功 耗 来 完 成 工 作
• 动 态 的 三 态 DCI (Virtex-6)
– 在 存 储 器 写 入 的 过 程 中 消 除 端 接 功 耗
I/O
Programmable Power
T_DCI
Watt
Watt
Watt
• HSLVDCI (Virtex-6)
– 采 用 最 低 功 率 的 串 行 终 端
( 正 常 信 号 质 量 与 HSTL)
PAD
Ref. Recvr
Watt
IODELAY
• 可 编 程 的 IODELAY (Virtex-6)
– 对 低 功 耗 或 高 性 能 的 选 择
Transmitter
• 可 编 程 的 基 准 接 收 器 (Virtex-6)
– 对 低 功 耗 或 高 性 能 的 选 择
(HSTL, SSTL, LVDS)
极 大 降 低 了 静 态 功 耗
V6 / S6 Low Power Page 24
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

SelectIO 降 低 功 耗 的 特 性 –
Virtex-6 示 例
IDELAY – 高 性 能 模 式
IDELAY – 低 功 耗 模 式
输 入 基 准 接 收 器 – 高 性 能
输 入 基 准 接 收 器 – 低 功 耗 ( 仅 适 用 于 Virtex-6)
1.8V 时 的 DCI
1.5V 时 的 DCI
FPGA 输 入 引 脚 (SSTL/HSTL)
功 耗 (m mW)
35
30
25
20
15
输 入 功 率
From
Memory
Device
10
5
0
DCI
基 准
输 入 接 收 器
IDELAY
模 块
I/O 功 耗 降 低 一 半
V6 / S6 Low Power Page 25
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

低 功 耗 “-1L” 部 件
• 核 功 耗 随 电 压 非 线 性 的 变 化
– 静 态 功 率 变 化 V 3
CCINT
– 动 态 功 率 变 化 V
2
CCINT
低
Spartan-6
标 准 功 耗
(-2) 选 择
(-1L) *
V CCINT 1.2V 1V
静 态 功 耗 额 定 值 – 42%
动 态 功 耗 额 定 值 – 31%
* Spartan-6 -1L 低 于 标 准 部 件 (-2)
Virtex-6
标 准
(-1)
低
功 耗
选 择
(-1L) **
V CCINT 1V 0.9V
静 态 功 耗 额 定 值 – 26%
动 态 功 耗 额 定 值 –20%
** Virtex-6 -1L 与 标 准 部 件 有 相 似 的 最 低 速 度 (-1)
Spartan-6 -1L 选 择 将 “ 内 核 功 耗 ” 降 低 了 30-40%
Virtex-6 -1L 选 择 将 “ 内 核 功 耗 ” 降 低 了 20-25%
V6 / S6 Low Power Page 26
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

系 统 的 功 耗 管 理 特 性
• 强 劲 的 暂 停 操 作 功 能
– 保 存 所 有 的 内 部 状 态
– 将 I/O 转 换 成 预 定 状 态
– 禁 止 所 有 的 输 入 信 号
– 关 闭 内 部 操 作
暂 停 模 式 电 路
• 简 单 易 用
– 没 有 复 杂 的 设 计 要 求
– 系 统 同 步 : 可 以 快 速 、 方 便 的 唤 醒 系 统
– 眼 图 张 开 : 多 个 引 脚 允 许 暂 停 退 出 模 式
– 与 10VV 1.0 V CCINT 相 兼 容
– 与 同 步 暂 停 触 发 器 进 行 信 号 交 换
额 外 降 低 了 40% 的 静 态 功 耗
V6 / S6 Low Power Page 27
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

Spartan-6 的 降 耗 –
Spartan-6 示 例
总 静 态 功 耗 V CCINT + V CCAUX
300
240
290 mw
工 艺
40%- 60%
功 耗 (mW W)
180
120
60
163 mw
电 压 缩 放
30%- 40%
107 mw
电 源 管 理
20%- 30%
降 低 的 总
功 耗 达 到 70%
83 mw
0
V6 / S6 Low Power Page 28
Spartan-3 系 列
3SD3400A
1.2V
Spartan-6
Spartan-6
45K 逻 辑 单 元
45K 逻 辑 单 元
1.2V
1.0V
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.
Spartan-6
45K 逻 辑 单 元
1.0V
电 源 管 理
28

赛 灵 思 的 所 有 新 开 发 板 都 可 以 测 量 功 耗
• 所 有 Spartan-6* 和 Virtex-6 开 发 板 都 具 有 测 量 功 耗 的 性 能
– 用 于 测 量 线 路 功 耗 的 Kelvin 电 阻 器
– 内 置 显 示 或 用 户 直 接 测 量
• Xilinx 新 开 发 板 上 高 质 量 电 源 系 统 的 最 佳 实 践
– 在 FPGA 中 感 应 V CC 水 平 , 并 将 其 反 馈 给 电 源 模 块
• 将 IR 压 降 减 到 最 小
• 为 FPGA 获 取 精 确 的 电 压
– 采 用 带 有 外 部 感 应 线 的 电 源
赛 灵 思 所 采 用 的 是 最 佳 的 电 源 系 统 设 计 实 践
* SP601 不 具 有 电 源 管 理 性 能
V6 / S6 Low Power Page 29
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

赛 灵 思 的 节 能 降 耗
全 面 总 结
• Spartan-6 与 Spartan-3A/3ADSP
– 静 态 功 耗 : 降 低 50%; 动 态 功 耗 : 降 低 40%
• Virtex-6 与 Virtex-5
– 静 态 功 耗 : 降 低 30%; 动 态 功 耗 : 降 低 30%
• 最 低 的 总 功 耗
– 降 低 静 态 功 耗
• 工 艺 和 架 构 的 创 新
– 降 低 动 态 功 耗
• 更 低 的 结 点 电 容 和 架 构 创 新
– 更 多 的 硬 IP 功 能
– 更 低 的 I/O 功 耗
– 与 电 压 成 比 例 的 降 低 功 耗 -1L
• 进 一 步 降 低 功 耗
• Spartan-6 的 额 外 降 耗 >-30%, Virtex-6 的 额 外 降 耗 >-20%
赛 灵 思 在 其 新 的 高 端 和 高 容 量 产 品 中
极 大 的 降 低 了 功 耗
功 耗
频 率
V6 / S6 Low Power Page 30
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

功 耗 估 计
– 逻 辑 设 计 实 现 之 前 的 工 具
– 逻 辑 设 计 实 现 之 后 的 工 具

设 计 实 现 之 前 的 工 具 –
XPower 估 计 器 (XPE)
• 提 供 了 及 早 而 快 速 的 功 耗 估 计
– 根 据 资 源 利 用 、 计 时 频 率 和 负 载 等 等
– 在 构 建 设 开 发 板 甚 至 在 采 用 ISE 之 前 即 可 估 计
– 帮 助 设 计 电 源 、 调 节 器 和 散 热 器 、 风 扇 等
系 统 制 冷 解 决 方 案 。
• 基 于 GUI 的 、 简 单 易 用 的 工 具
– 丰 富 的 特 性 集
– 允 许 从 早 期 的 系 列 中 移 植 XPE 设 计
V6 / S6 Low Power Page 32
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

XPower 估 计 器
• 器 件 : Virtex-5/6; Spartan-3A/DSP/6 选 择
• 电 压 源 总 结 : 如 果 通 过 电 源 电 压 ( 特 别 是
V CCINT ) 调 节 来 测 试 功 耗 , 结 果 将 如 何
• 模 块 总 结 : 每 个 模 块 的 功 耗
• 热 性 能 信 息 / 总 结 : 允 许 用 户 对 散 热 器 、PCB
属 性 和 温 度 信 息 进 行 选 择
• 功 耗 总 结 : 总 的 静 态 和 动 态 功 耗
• 各 个 部 分 相 对 应 的 页 面
• 对 电 源 / 散 热 器 适 当 的 尺 寸 估 计
• FPGA 所 运 行 的 特 定 温 度 范 围 的 验 证
– C 级 0-85°C, I 级 -40 – 100°C
V6 / S6 Low Power Page 33
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

设 计 实 现 之 后 的 工 具 ─
XPower 分 析 器 (XPA)
• 提 供 更 加 精 确 的 功 耗 估 计
– 从 设 计 实 现 中 提 供 资 源 信 息
– 采 用 实 际 设 计 中 的 特 性 电 容
• 估 计 内 部 转 换 率
– 基 于 用 户 测 试 矢 量 和 仿 真
– 通 过 无 向 量 功 耗 估 计
• 指 出 最 可 能 实 现 降 耗 的 区 域
• 设 计 用 于 实 现 Xilinx 产 品 的 功 耗 优 化
V6 / S6 Low Power Page 34
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

XPower 分 析 器 (10.1i/11.1i)
• 功 耗 的 区 块 和 层 次 表 示
– 在 实 现 过 程 中 提 取 精 确 的 资 源 信 息
– 由 用 户 提 供 的 测 试 矢 量 和 仿 真 或 无 矢
量 功 耗 估 计
– 针 对 FPGA 设 计 中 物 质 资 源 的 特 性 电
容
• 基 于 矢 量 ( VCD 或 SAIF ) 的 估 计
或 无 矢 量 估 计
• 有 助 于 做 出 功 耗 最 优 化 选 择
– 指 出 最 可 能 实 现 降 耗 的 区 域
• 有 助 于 为 给 定 设 计 提 供 实 际 功 率 规 格
的 文 件
V6 / S6 Low Power Page 35
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

降 低 功 耗 的 资 源
Xilinx 功 耗 的 主 页 面 :
http://www.xilinx.com/power
Virtex-5 系 统 功 耗 设 计 依 据
http://www.xilinx.com/support/documentation/white_papers/wp285.pdf
信 号 完 整 性 与 功 耗 http://www.xilinx.com/support/documentation/application pp pp _ notes/xapp863.pdf
p
Virtex-5 封 装 指 南
http://www.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug195.pdf
Virtex-5 小 型 热 性 能 模 型
http://www.xilinx.com/support/download/virtex5ptm.htm
V6 / S6 Low Power Page 36
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

赛 灵 思 功 耗 优 化 软 件 的 演 进
ISE8.2i
ISE9.1/2i
ISE10.1i
ISE11.1i
XPE 功 耗 估 计 器
XPower 分 析 器
功 耗 优 化 路 线
XPE 功 耗 估 计 器
XPower 分 析 器
功 耗 优 化 路 线
功 耗 优 化 合 成
功 耗 优 化 放 置 器
LUT 的 降 耗 (Virtex-5)
新 XPA GUI (EA)
XPE 功 耗 估 计 器
XPower 分 析 器
功 耗 优 化 路 线
功 耗 优 化 合 成
功 耗 优 化 放 置 器
LUT 的 降 耗
基 于 活 动 的
功 耗 优 化
功 耗 优 化 的 BRAM (sp3)
XPE 功 耗 估 计 器
XPower 分 析 器
功 耗 优 化 路 线
功 耗 优 化 合 成
功 耗 优 化 放 置 器
LUT 的 降 耗
基 于 活 动 的 功 耗 优 化
功 耗 优 化 的 BRAM
BUFGCE 自 动 生 成
将 FF 封 装 到 最 小 的 时 钟 内
进 一 步 增 加 了 时 钟 门 控
进 一 步 增 强 了 合 成 度
2006 2007 2008 2009
每 一 代 软 件 对 于 功 耗 的 关 注 日 益 提 高
V6 / S6 Low Power Page 37
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

ISE 功 耗 优 化
11.11 对 于 客 户 设 计 的 测 试 结 果
• 利 用 XPA 推 算 降 耗 量
– 总 功 耗 降 低 9% ( 包 括 所 有 电 源 )
– 为 V CCINT 降 低 18% 的 动 态 功 耗
– 为 V CCINT 共 降 低 13% 的 静 态 和 动 态 功 耗
器 件 : Virtex-5 LX110T
• 客 户 测 量 的 开 发 板 级 功 耗 结 果
– 总 功 耗 降 低 了 13%
赛 灵 思 的 功 耗 优 化 软 件 达 成 目 标
V6 / S6 Low Power Page 38
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.

总 结

实 现 了 最 低 的 总 功 耗
• 赛 灵 思 始 终 在 为 降 低 FPGA 的 功 耗 而 不 懈 努 力
• 我 们 的 这 些 努 力 已 经 取 得 了 丰 硕 成 果
• 最 新 的 Spartan-6 和 Virtex-6 产 品 已 经 充 分 的 降 低 了 功 耗
• 我 们 提 供 了 关 于 降 耗 的 许 多 工 具 、 白 皮 书 和 应 用 指 南
• 赛 灵 思 是 成 为 节 能 降 耗 的 大 赢 家
赛 灵 思 : 轻 松 降 低 功 耗
V6 / S6 Low Power Page 40
© Copyright 1994-2009 Xilinx, Inc.