FPGA如何估算分析功耗

1SRAM FPGA为什么比Flash FPGA功耗高？

FPGA的功耗由4部分组成：上电功耗、配置功耗、静态功耗和动态功耗。一般的FPGA都具有这4种功耗，但是Actel Flash FPGA由于掉电数据不丢失，无需配置芯片，所以上电后不需要一个很大的启动电流，也不需要配置过程，只有静态功耗和动态功耗，没有上电功耗和配置功耗。 

同时，基于Flash架构的FPGA每个可编程的开关都是由2个晶体管构成，而基于SRAM技术的FPGA每个可编程开关是由6个晶体管构成，所以单纯从开关的功耗上分析，Flash FPGA的开关消耗功耗要比SRAM FPGA低很多，并且SRAM FPGA通常具有较高的静态功耗和动态功耗。

虽然Actel Flash FPGA功耗低，但是工艺没有SRAM FPGA高，可容纳的逻辑资源也没有SRAM FPGA多，制造成本更高，所以目前常用的还是SRAM FPGA，只有在一些低功耗、快速启动、安全高的情况下才会用到Actel Flash FPGA，也就是：每个产品各有所长，好的工程师不是一味的追求前沿牛逼技术，而是合理整合资源，取长补短，让系统更优。下面汇总各个FPGA的功耗估算分析工具，作横向对比和学习，并有所思有悟，指导我们以后产品的设计。 

2EDA自带的功耗估算分析工具

各个厂商都会有自带的EDA设计工具，既然FPGA是他们做的，那么他们当然对自己的FPGA内部结构更清楚，也一定有很多对应的设计工具，功耗估算工具自然不在话下。这也是我们学习中常用的一种思路：从源头去找解决的方法是最快最高效的学习思路。

①Altera

Altera厂商提供2种功耗估算工具：一种是Excel-based功耗计算器，用于设计前期的初步估算，参数手动输入或者由Project导出文件导入；另一种是基于仿真的功耗估算器（simulation-based），是设计并仿真完成使用，对工程设计提供了一个准确的功耗估算方法。

其中，基于Excel-based功耗计算器的PPE功耗估算器如下图，详细使用方法可查看对应的用户手册。

而基于仿真的功耗估算器（simulation-based），需要导入门级仿真生成的VCD文件作为PowerPlay Power Analyzer的输入文件后输出功耗估算报告，报告图界面如下图：

②Xilinx

Xilinx厂商也提供相似的2种功耗估算工具：一种是简单的速查Excel估算工具XPE，针对设计初期的功耗进行估算，参数手动输入或由Project导出文件导入；另一种是ISE或Vivado下专用功耗分析工具XPower，针对设计完成后输出详细的功耗报告。

其中，速查Excel估算工具XPE界面如下图，详细使用方法可查看对应的用户手册。

专用的功耗分析工具XPower在Vivado下的界面如下图：

③Actel

Actel FPGA生产商也提供了和其它厂商相似的功耗估算工具：一种是简单的Excel工具PolarFire Power Estimator，也是用于设计前期的功耗初步估算；另一种就是LiberoSOC软件自带的功耗分析工具，用于设计完成后的详细分析及优化。

其中，PolarFire Power Estimator界面如下图，详细使用方法可查看对应的用户手册。

LiberoSOC软件自带的功耗分析工具界面如下图：

3CPU功耗估算

    有人会问：FPGA中有这么好用的功耗估算分析工具，那CPU了？同样的道理，我们使用的CPU应该都有对应的功耗估算工具供我们设计时使用分析功耗，通过找对应的生产商肯定可以找到对应的设计分析工具。因为在ZYNQ中不仅有FPGA逻辑PL部分，还有ARM属于CPU部分，所以，Xilinx也提供了对ZYNQ中PS的功耗估算，XPE中对应的界面如下图。

4FPGA功耗设计步骤

a. 首当其冲，当然是设计一个好的系统架构，好的系统架构，好的内部模块划分就是系统成功了一半，因为FPGA非常注重结构，好的结构会带来好的时序，资源使用更合理，功耗自然就低；

b. 接着，规划好整个系统的时钟资源，因为FPGA的功耗主要来源于动态功耗，而动态功耗又直接由时钟决定，所以好的时钟规划，时钟数尽可能少、时钟频率尽可能低，功耗自然会低；

c. 然后，规划合理的IO的标准，特别要把一些未用的IO设为高阻，刚开始接触FPGA时不懂，把所有IO没有关，就一个简单的计数器工程都让片子发烫，后来把IO设为高阻就好了；

d. 最后，就是工程设计中的一些技巧：用好EDA工具的低功耗综合配置、多使用时钟使能信号、需要情况下谨慎使用门控时钟、优化设计中的各个模块实现方式等。

在这里，特别要借助功耗估算分析对设计前期进行功耗评估，对设计后期进行功耗优化。

5总结

    FPGA产品设计中离不开功耗的估算，用好EDA下的工具会让我们事半功倍，而且如果你够细心，你会发现：1.各个厂商的FPGA估算途径都相似；2.Xilinx的ZYNQ加入了对CPU的功耗估算；3.使用Excel来对产品前期进行功耗估算，需要你对FPGA内部资源足够熟练，所以其实优化功耗好的同时，也帮你在优化资源，把控整个系统，多看看PPE、XPE和PolarFire Power Estimator功耗估算Excel工具，对你了解FPGA内部结构和系统帮助甚大，是了解FPGA内部组成的一条好的捷径。

来源： 本文转载自FPGA2嵌入式公众号