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低功耗特性顯現，FPGA進軍掌上型應用

在短短30年間,，電子產品不僅遍布整個世界,，而且產品推陳出新的速度越來越快。這種「典范轉移」使得利用FPGA進行設計成為大勢所趨,。而以快閃技術為基礎的現場可編程門陣列組件,，由于可滿足便攜式產品對功耗和外觀尺寸的嚴格需求，更在此一趨勢下備受市場矚目,。

隨著終端市場對產品可移植性的需求呈爆炸性增長,，這些產品內的低功耗子系統(tǒng)和芯片也面對同樣的壓力。此外,，由電子整合化和行動性所引發(fā)的各種可能,，讓這個世界越來越興奮，人們對新產品和新功能的需求越來越狂熱,，并希望新產品和新功能快速出現在商店的貨架上,。這種趨勢已經從根本上改變了電子設計的選擇和決策。由于成本成為市場的重要考慮因素,，昂貴的特定應用集成電路(ASIC)或專用IC完全無用武之地,，而只有能夠對準嚴格的市場需求，并適應不斷變化的技術標準,，才能取得成功,。 

低功耗方案大行其道五大分析重點不可輕忽 

隨著便攜式電池供電設備的日益增多，功耗已成為系統(tǒng)設計人員的頭號或第二關注焦點,。傳統(tǒng)的解決方案很簡單,，就是選擇一款可以幫助工程師最佳化功耗和成本的ASIC。然而時至今日,，世界上充斥著數千個中等規(guī)模的市場,，加上產品標準和市場要求都瞬息萬變，傳統(tǒng)的方法已不再適用,。 

許多不同現場可編程門陣列(FPGA)組件供貨商也看到此一趨勢及背后的龐大商機,，而以自家核心技術為基礎,，推出各種針對功耗最佳化的解決方案，但功耗估算實為一相當復雜的任務,，當設計人員要評估不同FPGA技術的功耗時,，至少須針對以下五個基本功率成分進行分析比較，分別是靜態(tài)功率,、動態(tài)功率,、通電功率(或突波功率)、配置功率,、睡眠(低功耗)模式功率,。系統(tǒng)整體功耗是上述五個功率成分的組合，唯有進行詳盡的分析,，才能挑選出最適合應用產品,。 

圖1的對比圖表列出了靜態(tài)隨機存取內存(SRAM)FPGA和快閃式(Flash)非揮發(fā)性FPGA的功耗比較。其中,，左邊為通電功率特性,，右邊為工作模式功率特性。

圖1　SRAM/Flash FPGA功率特性比較圖

快閃式FPGA包含了真正的非揮發(fā)性技術,，無須采用數百萬個耗電的SRAM配置位單元(Configuration Bit Cell),，而且快閃單元的尺寸遠小于SRAM單元，故可大大降低功耗,。因此,，其靜態(tài)功率將顯著小于以SRAM為基礎的解決方案，促使快閃FPGA成為注重功率的掌上型應用的理想選擇,。

目前市場上有不少號稱低功耗的FPGA架構,，但它們的耗電量高達30毫安(mA)，這往往比典型的注重功率之電池供電應用設備所能容忍的耗電量高出了一至二個數量級,。與其它低功耗產品比較,，以快閃技術為基礎的FPGA通常可將電池壽命延長達十倍,；若是專為低功耗應用進行最佳化的快閃式FPGA,，每個輸入/輸出(I/O)的功耗更低至一般低功耗產品的十六分之一。圖2和圖3所示為不同組件的電池壽命延長比較,，相關數據來自廠商的功率分析工具軟件,。

圖2　在95%閑置條件下各類FPGA組件的電池壽命比較

圖3　在50%閑置條件下各個組件節(jié)省的電池壽命

另外，FPGA供貨商提供的開發(fā)環(huán)境能夠幫助用戶降低和管理應用的功率,，如功率導向布局布線(Power Driven Layout)選項及設計人員軟件工具便可幫助用戶大幅降低功耗,，而功耗分析功能更可協助設計人員獲得詳細的功率分析資料。 

整合度追求無止境　混訊架構應運而生 

手持便攜式應用產品的另一大要求是低成本。非揮發(fā)性FPGA解決方案有別于SRAM易失性FPGA,，它毋須支持組件,，從而節(jié)省了成本。若利用SRAM FPGA來創(chuàng)建系統(tǒng),，所需的額外部件(外部配置內存)可能導致材料清單(BOM)成本增加70%以上,。 

由于從材料清單中省卻了不必要的組件，非揮發(fā)性FPGA不僅節(jié)省成本,，還因此增強了可靠性,，降低系統(tǒng)整體功耗,，并降低了散熱要求和板卡空間要求,，同時電磁干擾(EMI)問題也得以減少。 

上述非揮發(fā)性FPGA的種種優(yōu)點,，加上更短的設計時間和簡化材料管理,，都能夠令客戶在新設計中節(jié)省更多成本。除了超低功耗FPGA外,，混合信號FPGA也在各種手持式應用中找到應用契機,。

這類整合了混合信號模擬電路、閃存和可編程邏輯結構的FPGA可讓設計人員能夠迅速地從概念步向完整的設計,，并將功能豐富的系統(tǒng)推向市場,。這種先進技術利用快閃FPGA的獨特屬性，如高隔離度和三井制程技術(Triple-well Process),，能夠支持高壓晶體管,，滿足混合信號系統(tǒng)設計的嚴苛要求。Fusion擁有閃存,、可配置模擬電路和快閃可程序邏輯的獨特組合,，能夠降低成本，節(jié)省板卡空間及縮短設計時間,。圖4闡釋了混合信號FPGA如何在系統(tǒng)中整合各種不同功能,，以降低成本和板卡空間要求。

圖4　以混合信號FPGA進一步取代眾多離散組件

影像控制/人機接口成兩大主力應用

便攜式電子產品通常會采用多種不同類型的液晶顯示器(LCD)和各種創(chuàng)新的人機界面(HMI),，以滿足用戶不同的喜好和價位需求,。然而，設計人員卻因而必須使用模塊化電路板來支持所有類型的顯示器或接口設計,，這為解決方案的應用靈活性帶來一大挑戰(zhàn),。也讓FPGA得以大顯身手。 

以LCD顯示控制來說,，終端產品制造商無不希望能用單一解決方案盡可能支持各種不同尺寸的顯示裝置,，并且可輕松實現各種不同的功能組合，如色度空間轉換、縮放,、透明圖層混合(Alpha Blending),、屏幕選單顯示(OSD)、頁面緩沖存儲器控制器和視訊時序發(fā)生器,。此外,，該控制方案也必須具備連接各種不同處理器、內存和顯示器的接口,，并能驅動來自不同制造商,，或是采用各種接口或分辨率之顯示面板。 

上述需求對于市面上現有的各種LCD控制,、驅動芯片而言,，都是很難實現的目標。因為標準產品方案的設計應用彈性通常較為受限,。而FPGA可被視為具有客制化功能的靈活LCD控制器,，與市面上的LCD控制芯片不同，可為特定系統(tǒng)提供靈活性和獨特的解決方案,。圖5為一個簡單的LCD控制器,，其中包括一個用于連接中央處理單元(CPU)的接口、一個頁面緩沖存儲器控制器和一個視訊時序發(fā)生器,。

圖5　以FPGA實現LCD控制器功能

人機接口則是近年來掌上型裝置制造商彼此絞盡腦汁,、爭奇斗艷的一大焦點，因此在新型手持便攜式設備中,，系統(tǒng)與用戶之間的人機接口是一個設計關鍵,。各種各樣的HMI接口，如字母數字(Alphanumeric)鍵盤或QWERTY鍵盤,、使用白光或彩色發(fā)光二極管(LED)背光照明的觸控鍵盤/觸控屏幕,、可編程按鍵/開關、操縱桿,、滾輪,，以及蜂鳴器/揚聲器等，已漸漸成為掌上型設備的常見功能,。 

由于這些人機接口設計花樣百出,，規(guī)格需求不一而足，因此具有靈活特性的FPGA組件自然也有一定的應用利基,，特別是具有超低靜態(tài)功耗與快速喚醒特性的快閃式FPGA,，在此一領域的優(yōu)勢更是顯著。目前FPGA在人機接口設計的應用有以下幾種主流,，分別是執(zhí)行鍵盤控制等功能的客制化人機接口控制器,、白光LED亮度控制、紅綠藍三色LED顏色混合、音調產生器等功能,。其中后三者的共同元素為脈沖寬度調變(PWM)技術,，這也是一種混合信號的應用。圖6所示的設計能夠在單一快閃FPGA上實現多種人機接口控制功能,。

圖6　人機界面示例

低功耗FPGA應用前景可期

過去數10年,，隨著半導體技術不斷創(chuàng)新，消費者對便于攜帶,、功能無限的應用設備的要求也越來越高,，為電子產品設計人員帶來更大的壓力。即便在醫(yī)療機構和工廠這類固定使用環(huán)境,，掌上型電子設備由于能以低成本擷取更精確的數據及提高生產力,，遂能大行其道。 

但這些手持式設備市場的規(guī)模通常只屬中等,。事實上,，目前有能力負擔ASIC解決方案的大批量市場已越來越少?？扉W式FPGA結合了無一次性工程成本(NRE)及快速上市的傳統(tǒng)優(yōu)點，加上低功耗,、通電即運行,、安全性、封裝選擇及可重編程等創(chuàng)新特性,，正好填補了此一市場空白,。在設計過程中，上述優(yōu)勢能夠幫助新一代系統(tǒng)設計人員開發(fā)出新的創(chuàng)新產品,，滿足多個亟需手持解決方案的市場之需求,。