FPGA工程师面试资料【4】——低功耗设计及资源、速度优化

低功耗设计

功耗分为静态功耗和动态功耗；

• 动态功耗：发生在门开关或状态翻转的瞬间，负载电容充放电时引起的功耗，包括翻转功耗和短路功耗。其中翻转功耗是数字电路要完成功能计算必须消耗的功耗，称为有效功耗；短路功耗是由于CMOS在翻转过程中PMOS管和NMOS管同时导通时消耗的功耗，称为无效功耗；

• 静态功耗：总是存在；是由于电源和地之间的静态导通电流或漏电流引起的；

动态功耗

P _ d y n a m i c = k × C × V 2 × f + m × V × I _ s c P\_dynamic= k\times C\times V^2 \times f + m \times V \times I\_scP_dynamic=k×C×V2×f+m×V×I_sc
动态功耗的计算公式如上，其和电压、负载电容、工作时钟频率、信号翻转率、短路电流有关；

电压角度：

1. 降低工作电压；
2. 多电压域；
3. 动态电压缩放技术（处理器在不同工作模式下使用不同的电压）；
4. 电源关断技术；

负载电容角度：（与工艺有关）

1. 按比例缩小集成度，降低器件电容；
2. 多芯片系统中考虑多芯片封装，降低接口间电容；
3. 合理的布局布线；

工作时钟频率角度：

1. 降低工作频率；
2. 多时钟域；
3. 加入门控时钟，减少反转率，通过合理规划芯片的工作模式，控制芯片各模块的时钟及复位来控制功耗；

数据翻转角度：

1. 引入并行结构，一定程度上降低某一区域的频率，从而降低功耗；
2. 引入流水结构，即可在一定程度上降低时钟频率，从而可以采用较低的电源电压来驱动系统；
3. 优化编码，用格雷码等状态翻转较少的编码；
4. 数据不操作时，保持上次的值，不强制置0或置1；
5. 操作数隔离；操作数隔离就是通过降低组合模块输入的翻转次数，来降低组合模块的有效翻转率达到降低组合模块功耗的目的
6. 减少毛刺出现的概率；

静态功耗

P _ s t a t i c = V × I _ l e a k P\_static = V\times I\_leakP_static=V×I_leak
静态功耗的计算公式如上，其和电压以及漏电流有关，而漏电流和工艺有关；

电压角度：

1. 将低工作电压；
2. 动态电压缩放技术（处理器在不同工作模式下使用不同的电压）；
3. 电源关断技术；
4. 多电压域；

电流角度：

1. 使用HVT高阈值晶体管，漏电流小；
2. 多阈值工艺；低阈值的标准逻辑单元：速度快、漏电流大；高阈值的标准逻辑单元：速度慢、漏电流小。在设计中可以在关键路径上使用低阈值的标准逻辑单元来优化时序，在非关键路径上使用高阈值的标准逻辑单元来优化漏电流；

FPGA相关优化

资源优化

• 资源共享：针对数据通路中耗费逻辑资源较多的模块，通过选择、复用的方式共享使用该模块，达到减少资源使用的目的；对于计数器，若一个需要0-255计数，一个需要0-1023计数，则弄一个大计数器即可；
• 串入并出：例如，串行传输时钟频率为100MHz，若将串行数据转为4bit并行数据输出，并行传输的时钟频率将降低至25MHz，这是串入并出的基本设计思想；
• 删除复位：在一个设计中，如果不需要加复位信号，则不添加复位信号，若需要加，则最好选择异步复位信号，因为根据逻辑器件本身寄存器自身结构，可知寄存器的异步复位不需要消耗额外的资源。
• 采用合适的编码方式：one hot bit速度更快，但是资源消耗得也更多；

速度优化

• 流水线设计：复杂组合逻辑之间添加寄存器的方法，是最常用的速度优化技术之一；创建流水的时候，需要更多的资源来保存中间值或者需要复制一些需要并行运行的运算结构，所以需要消耗更多的面积。
• 乒乓操作：以面积换速度；