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功率技術/新能源  

具Flash*Freeze技術的FPGA推動低功耗設計

上網時間: 2007年05月18日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:IGLOO  live at power-up  LAPU  CPLD  Flash*Freeze 

由於更嚴格的功耗限制、規格和標準要求,今天的系統設計師比任何時候都關注功耗問題。針對新一代設計,功耗預算通常會獲得穩定的控制或是降低,但卻增加了更多功能和處理能力需求。通常,儘管產品特性和性能需求不斷增加,功耗預算仍然非常緊縮,功能和性能的增加與降低功耗的目標相互矛盾。摩爾定律效應縮小了製程尺寸,但加大了功耗問題;高電晶體泄漏也增加了靜態功耗。

數位相機、無線手持設備、智慧電話和多媒體播放器這些電池供電應用的成長,推動了對低功耗半導體元件的需求。這種需求的爆發性成長加上對節能不斷提高的要求,特別是與電池壽命相關的節能要求,導致對低功耗半導體技術的全球性需求。其結果是,半導體設計師開始研究如何在不增加系統的功率條件下,不斷提高性能、降低成本並延長電池壽命。

需要低功耗的半導體技術應用可以是電池供電的電子裝置、具有可靠性考量的熱感測應用,或是具有嚴格功率預算及冷卻方法受限的交流電供電應用。需要低功耗解決方案的應用範圍極廣,包括可攜式電子產品、工業測試和測量設備、行動式醫療電子設備、汽車應用和軍事/航太應用等。

針對這些應用,最終目標是實現更低功耗並提供更長的系統閒置時間,這可透過使系統快速進入和退出低功耗模式來達成。其它考量還包括設計安全性、原型建構、外形尺寸、設計再使用及現場可升級能力。

傳統上,專用積體電路(ASIC)和複雜可編程邏輯元件(CPLD)解決了可攜式市場的需求。然而,目前某些低功耗應用中採用的CPLD開始失去魅力,主要是由於對高階特性需求的增加、需要額外的邏輯以及相對較高的成本導致。由於產品上市時間更長,並在滿足不斷變化的標準以及後期的設計修改上缺乏足夠的靈活性,使用ASIC的風險日益增高,對某些可攜式應用而言並不適用,這些應用的市場改變導致更傾向於採用低功耗的PLD和FPGA。

如此一來,隨著終端產品壽命縮短、競爭加劇以及產品上市時間對產品的成功有極大影響,可編程半導體平台成為首選方案。使用可編程解決方案是最容易且能最快上市與獲利的。然而,這些可編程平台還應滿足所有其它設計要求,如成本、功能和性能、尺寸、安全性,以及必然的功率問題。市場研究公司iSuppli預測,20億美元的ASIC市場中,可能有3億美元會轉移到低功耗現場可編程閘陣列(FPGA)解決方案。

可編程的全功能FPGA,如基於快閃記憶體的Actel IGLOO系列,能滿足可攜式市場的短產品壽命週期和激烈競爭問題。這些元件能滿足可攜式設計需求,如以ASIC的單位成本實現更高的設計安全性、更小產品尺寸、上電即用(LAPU)、更短的產品上市時間,使其成為ASIC和CPLD最具吸引力的替代產品。可編程單晶片系列的靜態功耗僅5μW,與最接近的競爭產品相較,靜態功耗降低4倍,與領先的可編程邏輯元件相較,可攜式應用可實現超過5倍的電池壽命,為低功耗設定了全新標準。

為實現低功耗並保持FPGA的內容,該系列元件採用了Flash*Freeze技術,允許元件進入和退出超低功耗模式(如圖1所示)。IGLOO元件不需要額元件就能切斷I/O或時脈,同時保持設計資訊、SRAM內容和暫存器。Flash*Freeze技術結合了系統內可編程特性,能讓用戶在製造後期或應用中快速且輕易地升級和更新設計。支援1.2V核心電壓還能進一步降低功耗,獲得最低的整體系統功耗。

圖1:Actel IGLOO系列採用Flash*Freeze技術,允許元件進入和退出超低功耗模式。
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圖1:Actel IGLOO系列採用Flash*Freeze技術,允許元件進入和退出超低功耗模式。

Flash*Freeze技術允許用戶讓所有連接到該元件的電源、I/O和時脈處於正常工作狀態。當元件進入Flash*Freeze模式時,元件將自動切斷時脈以及到FPGA核心的輸入;當元件退出Flash*Freeze模式時,所有活動都將恢復,數據也能保留。這種低功耗特性加上可編程、單晶片、單電壓和小尺寸特性,使其相當適合可攜式電子產品。

有許多方法可實現可用功率的最大化,另外還有其他多種可用的低功耗模式。在元件必須保持I/O、SRAM、暫存器與邏輯功能而處於完全運作狀態時,靜態閒置條件下的低功耗啟動功能也考量到了超低功耗特性。這將允許元件根據外部輸入來管理系統功耗(即掃描鍵盤激勵),因此僅消耗極小的功率。另一方面,在睡眠模式下,當FPGA核心電壓切斷時,更大的元件可實現更多功耗節省。這種基於快閃記憶體方案的上電可用特性,能將系統從睡眠模式迅速喚醒。

此外,像數位相機、智慧手機和MP3播放器等手持設備通常採用高階嵌入式處理器。這些嵌入式處理器需要與一個或數個常用的儲存介面共同運作,如IDE、CE-ATA、SDIO或CF。因此需要有效的記憶體介面管理,將這些由處理器負責的任務卸載到低功耗可編程FPGA上。這些元件可輕易管理VLIO或AMBA匯流排與不同記憶體間的介面。

本文小結

越來越嚴格的功耗限制、規格和標準為整體系統功耗設定了侷限,系統設計師正面臨越來越多挑戰。此外,終端產品需要更多功能和更高處理能力,這些都導致功耗的增加。基於快閃記憶體的全功能可編程FPGA正成為可攜式市場的首選解決方案。這些新出現的產品滿足可攜式市場嚴格的設計要求,如能以ASIC的單位成本獲得低功耗、更大設計安全性、更小外形尺寸、上電即用及快速上市的優勢,成為傳統ASIC和CPLD的替代方案。

作者:

Hezi Saar

產品行銷資深經理

articlefeedback@actel.com

Actel公司




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