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27、低功耗FPGA实现:原理、技术与应用

低功耗FPGA实现:原理、技术与应用

1. 引言

在现代计算设计中,技术缩放和不断增加的功耗已成为令人担忧的问题。尽管FPGA在某些情况下相较于CPU/GPU的计算性能提升有限,但它通常以更低的时钟频率运行,而功耗与时钟频率直接相关。

在过去的80年代和90年代,技术的发展使晶体管数量增加,速度提高,功耗降低。然而,随着缩放的加剧,由于栅极氧化物厚度性能的不完善,漏电功率增加。栅极漏电与栅极氧化物厚度成反比,这已成为一个日益重要的问题。

转向FPGA可被视为高性能计算公司的低功耗解决方案,降低FPGA功耗有诸多重要原因。功耗与温度直接相关,改进的FPGA实现对整个系统的电源设计有直接好处,可降低系统成本、减少组件数量、缩小PCB面积并降低热管理成本。系统可靠性与散热问题相关,较低的功耗可延长芯片寿命。

2. 功耗来源

CMOS技术的功耗分为静态功耗和动态功耗。静态功耗是电路开启但不处理数据时消耗的功率,动态功耗是芯片积极处理数据时消耗的功率。

2.1 动态功耗

动态功耗可通过简单的反相器来考虑。假设向晶体管输入数据脉冲,对器件进行充电和放电。当栅极将其输出驱动到新值时会消耗功率,这取决于CMOS反相器中p和n晶体管的电阻值。

电容电流(iC(t))由下式给出(Wolf 2004):
[iC(t)=\frac{V_{DD}-v_{C}(t)}{R_{p}}]
其中(V_{DD})表示电源电压,(V_{SS})表示地电压,(R_{p})是p型晶体管的电阻,(C_{L})是负载电容。

电压(vC(t))为:
[v_{C}(t)=V

http://www.cnnetsun.cn/news/57046.html

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