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電池供電和功耗敏感應用的迅猛增長刺激了全球對低功耗半導體的需求。今天，功耗敏感應用的人員面對更加嚴格的系統總體功耗限制、規范和標準。今天，功耗敏感應用的設計人員正面對著更嚴格的系統總體功耗限制、規范和標準。與此同時，這些應用對功能、性能和復雜性的要求也在增加，但卻不能增加電池消耗或成本。 設計人員過去依賴ASIC而不是FPGA來滿足其設計中的低功耗約束。由于開發周期較長，一次性工程費用（NRE）高，缺乏應對標準變化及進行后期設計修改的靈活性，所以采用硬連線ASIC風險較高，對產品生命周期較短的應用不太實際。隨著競爭加劇，上市時間對產品的成敗越來越重要，PLD 逐漸成為首選的解決方案。市場研究機構iSuppli預測，在約值200億美元的ASIC市場中，高達30億美元的份額將會轉向低功耗FPGA解決方案。 事實上，設計人員已逐漸發現要適應不斷演進的標準、縮短開發周期并達到下一代先進半導體產品所要求的封裝尺寸和功耗指標，必須采用低功耗的可重編程解決方案。例如，用于智能手機的FPGA必須在超低功耗和手機內各種不同技術 (如存儲、觸摸屏或鍵盤) 的高效控制及接口能力之間實現平衡。 FPGA的選擇 當然，并非所有的可編程邏輯技術都能很好地滿足低功耗要求。事實上，當今市場某些所謂的“低功耗”器件的電流消耗高達30mA，這往往比對功率敏感的典型電池供電應用所能容忍的耗電量高出1～2個數量級。 可編程器件在上電和配置之后的功耗分為兩種基本形式——靜態功耗和動態功耗。靜態功耗是器件上電配置后閑置狀態下的耗電量；而動態功耗則是指器件在工作狀態下的耗電量。以往，動態功耗是功耗的主要部分，為了解決動態功耗問題，器件電源電壓 (Vcc) 曾經隨工藝尺寸的縮小而不斷降低，系統電壓也隨之減小，但是繼續降低器件Vcc的日子已不復存在。不僅如此，由于基于SRAM的器件晶體管密度極高，每一次半導體制造工藝節點的縮小都意味著靜態功耗的增加。因為工藝節點縮小后，量子隧道效應（quantum tunneling）和亞閾區泄漏（sub-threshold leakage)之類的問題變得更加嚴重，這對面向功耗敏感應用的器件來說，是一個實實在在的挑戰。隨著漏電流加劇，靜態功耗開始成為功耗的主要部分，成為人門最關心的問題。 由于不需要數百萬耗電的 SRAM 配置數據存儲單元，故基于閃存的非易失性FPGA的靜態功耗比基于SRAM解決方案要低得多，因而成為功率敏感應用的理想選擇。 針對功耗和I/O而優化的FPGA 以基于閃存的IGLOO PLUS FPGA為例，它針對I/O密集的應用進行了優化，除提供可編程邏輯器件通常具有的可定制及上市速度快等優點之外，還可為工業手持應用 (如RFID讀取器) 的設計人員提供與多個器件連接的能力。如圖1所示，在這類控制應用中，IGLOO PLUS FPGA可用于電平轉換、通用I/O擴展、地址和數據總線的多路復用/解碼、排序、接口轉換，以及膠粘邏輯 (glue logic)。 在給定封裝尺寸下，IGLOO PLUS系列可提供極佳的每I/O功耗、面積、邏輯和功能比率。與采用同類封裝的競爭可編程邏輯器件相比，IGLOO PLUS的靜態功耗降低至其1/6；動態功耗減少50%；I/O密度提高1倍；邏輯密度高出1.7倍。 I/O解決方案設計人員面對各種各樣的實現方案和配置選擇，這些選擇可能直接影響其最終設計的效率和效能。這種靈活的I/O結構支持寬泛的電壓和I/O標準，能夠幫助用戶應對日益增多的各種不同應用的挑戰。愛特公司 Libero集成設計環境(IDE) 提供了一種簡易的I/O實現方法，從而開發出強大而穩健的設計。 結語 隨著電池供電和功率敏感應用的急劇增長刺激了全球對低功耗半導體的需求，設計人員正逐漸發現需要采用低功耗可重編程解決方案來適應不斷演進的標準和技術；加快上市速度，并提供下一代前沿硅解決方案所需的封裝和功耗性能。對于當前采用可編程邏輯技術的設計人員來說，確定哪一種是最佳器件主要取決于功耗、性能、邏輯和I/O數量等設計約束。 |
