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低功耗特性顯現(xiàn)，F(xiàn)PGA進(jìn)軍掌上型應(yīng)用

在短短30年間，電子產(chǎn)品不僅遍布整個(gè)世界，而且產(chǎn)品推陳出新的速度越來越快。這種「典范轉(zhuǎn)移」使得利用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)成為大勢(shì)所趨。而以快閃技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列組件，由于可滿足便攜式產(chǎn)品對(duì)功耗和外觀尺寸的嚴(yán)格需求，更在此一趨勢(shì)下備受市場(chǎng)矚目。

隨著終端市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品可移植性的需求呈爆炸性增長，這些產(chǎn)品內(nèi)的低功耗子系統(tǒng)和芯片也面對(duì)同樣的壓力。此外，由電子整合化和行動(dòng)性所引發(fā)的各種可能，讓這個(gè)世界越來越興奮，人們對(duì)新產(chǎn)品和新功能的需求越來越狂熱，并希望新產(chǎn)品和新功能快速出現(xiàn)在商店的貨架上。這種趨勢(shì)已經(jīng)從根本上改變了電子設(shè)計(jì)的選擇和決策。由于成本成為市場(chǎng)的重要考慮因素，昂貴的特定應(yīng)用集成電路(ASIC)或?qū)Ｓ肐C完全無用武之地，而只有能夠?qū)?zhǔn)嚴(yán)格的市場(chǎng)需求，并適應(yīng)不斷變化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，才能取得成功。 

低功耗方案大行其道五大分析重點(diǎn)不可輕忽 

隨著便攜式電池供電設(shè)備的日益增多，功耗已成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的頭號(hào)或第二關(guān)注焦點(diǎn)。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(shí)至今日，世界上充斥著數(shù)千個(gè)中等規(guī)模的市場(chǎng)，加上產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)要求都瞬息萬變，傳統(tǒng)的方法已不再適用。 

許多不同現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)組件供貨商也看到此一趨勢(shì)及背后的龐大商機(jī)，而以自家核心技術(shù)為基礎(chǔ)，推出各種針對(duì)功耗最佳化的解決方案，但功耗估算實(shí)為一相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)，當(dāng)設(shè)計(jì)人員要評(píng)估不同F(xiàn)PGA技術(shù)的功耗時(shí)，至少須針對(duì)以下五個(gè)基本功率成分進(jìn)行分析比較，分別是靜態(tài)功率、動(dòng)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(gè)功率成分的組合，唯有進(jìn)行詳盡的分析，才能挑選出最適合應(yīng)用產(chǎn)品。 

圖1的對(duì)比圖表列出了靜態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)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(shù)，無須采用數(shù)百萬個(gè)耗電的SRAM配置位單元(Configuration Bit Cell)，而且快閃單元的尺寸遠(yuǎn)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(chǔ)的解決方案，促使快閃FPGA成為注重功率的掌上型應(yīng)用的理想選擇。

目前市場(chǎng)上有不少號(hào)稱低功耗的FPGA架構(gòu)，但它們的耗電量高達(dá)30毫安(mA)，這往往比典型的注重功率之電池供電應(yīng)用設(shè)備所能容忍的耗電量高出了一至二個(gè)數(shù)量級(jí)。與其它低功耗產(chǎn)品比較，以快閃技術(shù)為基礎(chǔ)的FPGA通常可將電池壽命延長達(dá)十倍；若是專為低功耗應(yīng)用進(jìn)行最佳化的快閃式FPGA，每個(gè)輸入/輸出(I/O)的功耗更低至一般低功耗產(chǎn)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(guān)數(shù)據(jù)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(gè)組件節(jié)省的電池壽命

另外，F(xiàn)PGA供貨商提供的開發(fā)環(huán)境能夠幫助用戶降低和管理應(yīng)用的功率，如功率導(dǎo)向布局布線(Power Driven Layout)選項(xiàng)及設(shè)計(jì)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(xié)助設(shè)計(jì)人員獲得詳細(xì)的功率分析資料。 

整合度追求無止境　混訊架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生 

手持便攜式應(yīng)用產(chǎn)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(nèi)存)可能導(dǎo)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(qiáng)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(shí)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(diǎn)，加上更短的設(shè)計(jì)時(shí)間和簡化材料管理，都能夠令客戶在新設(shè)計(jì)中節(jié)省更多成本。除了超低功耗FPGA外，混合信號(hào)FPGA也在各種手持式應(yīng)用中找到應(yīng)用契機(jī)。

這類整合了混合信號(hào)模擬電路、閃存和可編程邏輯結(jié)構(gòu)的FPGA可讓設(shè)計(jì)人員能夠迅速地從概念步向完整的設(shè)計(jì)，并將功能豐富的系統(tǒng)推向市場(chǎng)。這種先進(jìn)技術(shù)利用快閃FPGA的獨(dú)特屬性，如高隔離度和三井制程技術(shù)(Triple-well Process)，能夠支持高壓晶體管，滿足混合信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的嚴(yán)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(dú)特組合，能夠降低成本，節(jié)省板卡空間及縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。圖4闡釋了混合信號(hào)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(hào)FPGA進(jìn)一步取代眾多離散組件

影像控制/人機(jī)接口成兩大主力應(yīng)用

便攜式電子產(chǎn)品通常會(huì)采用多種不同類型的液晶顯示器(LCD)和各種創(chuàng)新的人機(jī)界面(HMI)，以滿足用戶不同的喜好和價(jià)位需求。然而，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，這為解決方案的應(yīng)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(chǎn)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(shí)現(xiàn)各種不同的功能組合，如色度空間轉(zhuǎn)換、縮放、透明圖層混合(Alpha Blending)、屏幕選單顯示(OSD)、頁面緩沖存儲(chǔ)器控制器和視訊時(shí)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(nèi)存和顯示器的接口，并能驅(qū)動(dòng)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(duì)于市面上現(xiàn)有的各種LCD控制、驅(qū)動(dòng)芯片而言，都是很難實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)應(yīng)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(dú)特的解決方案。圖5為一個(gè)簡單的LCD控制器，其中包括一個(gè)用于連接中央處理單元(CPU)的接口、一個(gè)頁面緩沖存儲(chǔ)器控制器和一個(gè)視訊時(shí)序發(fā)生器。

圖5　以FPGA實(shí)現(xiàn)LCD控制器功能

人機(jī)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(diǎn)，因此在新型手持便攜式設(shè)備中，系統(tǒng)與用戶之間的人機(jī)接口是一個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵。各種各樣的HMI接口，如字母數(shù)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(guān)、操縱桿、滾輪，以及蜂鳴器/揚(yáng)聲器等，已漸漸成為掌上型設(shè)備的常見功能。 

由于這些人機(jī)接口設(shè)計(jì)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(yīng)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(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)更是顯著。目前FPGA在人機(jī)接口設(shè)計(jì)的應(yīng)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(jī)接口控制器、白光LED亮度控制、紅綠藍(lán)三色LED顏色混合、音調(diào)產(chǎn)生器等功能。其中后三者的共同元素為脈沖寬度調(diào)變(PWM)技術(shù)，這也是一種混合信號(hào)的應(yīng)用。圖6所示的設(shè)計(jì)能夠在單一快閃FPGA上實(shí)現(xiàn)多種人機(jī)接口控制功能。

圖6　人機(jī)界面示例

低功耗FPGA應(yīng)用前景可期

過去數(shù)10年，隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷創(chuàng)新，消費(fèi)者對(duì)便于攜帶、功能無限的應(yīng)用設(shè)備的要求也越來越高，為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員帶來更大的壓力。即便在醫(yī)療機(jī)構(gòu)和工廠這類固定使用環(huán)境，掌上型電子設(shè)備由于能以低成本擷取更精確的數(shù)據(jù)及提高生產(chǎn)力，遂能大行其道。 

但這些手持式設(shè)備市場(chǎng)的規(guī)模通常只屬中等。事實(shí)上，目前有能力負(fù)擔(dān)ASIC解決方案的大批量市場(chǎng)已越來越少。快閃式FPGA結(jié)合了無一次性工程成本(NRE)及快速上市的傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，加上低功耗、通電即運(yùn)行、安全性、封裝選擇及可重編程等創(chuàng)新特性，正好填補(bǔ)了此一市場(chǎng)空白。在設(shè)計(jì)過程中，上述優(yōu)勢(shì)能夠幫助新一代系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員開發(fā)出新的創(chuàng)新產(chǎn)品，滿足多個(gè)亟需手持解決方案的市場(chǎng)之需求。