引言
针对中心机房功耗越来越大的问题,某些电信运营商制定了采购设备功耗每年降低20%的目标。半导体是功耗问题的关键所在,其解决方法是重新设计芯片实施和交付方案,而最新一代FPGA可以说是主要的推动力量。通过采用基于40nm的半导体最新制造工艺以及创新方法来优化这些复杂的器件,设计人员能够在单芯片中集成更多的功能。这不但降低了总功耗,而且还可以降低后续工艺节点每一相应功能的功耗。
TPACK便是能够充分发挥低功耗优势的公司之一,它是世界上最大的电信系统供应商之一,可提供基于Altera Stratix IV FPGA的运营商级以太网芯片解决方案。Altera高性能、低功耗技术与TPACK高度集成复杂器件专业技术相结合,将为系统供应商提供低功耗的芯片方案,供他们在此基础上持续提高带宽容量,并完成更智能的处理。
此外,TPACK提供的芯片解决方案可以导入到最新的FPGA中,进一步降低功耗。最终实现的系统不但大大降低了目前的功耗,而且在未来几年中,仍能满足继续降低功耗的要求。
解决功耗挑战
在前沿硅片技术中处理功耗问题涉及到多种方法,包括工艺、体系结构和设计优化等。下面介绍开发功耗优化方案时采用的工艺优化、体系结构优化和设计优化方法。对功耗进行优化的关键方法是可编程功耗技术,根据一定的设计要求,可选择性地接通或者关断每个逻辑阵列模块(LAB)、存储器和数字信号处理(DSP)模块,从而降低功耗。
工艺优化
在针对功耗而优化Altera 40nm FPGA的各种技术中,每一种都有各自的优缺点:
■ 逻辑门多层氧化(三重氧化)
每个晶体管以静态功耗换取速度
■ 多阈值电压
每个晶体管以静态功耗换取速度
■ 低k金属间绝缘
降低动态功耗,提高性能。
■ 超应变硅
电子和空穴移动能力提高30%
功耗和性能达到平衡
■ 铜互联
提高性能,减小IR降。
体系结构优化
电信线路卡根据到达数据包流量来进行路由选择。它需要高性能外部存储器来缓冲数据包,同时进行路由选择。Stratix IV FPGA提供动态片内匹配(OCT)功能,降低了线路卡功耗。在将数据包写入存储器时,动态OCT功能禁止写操作并行匹配,从而降低了静态功耗。
设计优化
根据设计要求,可编程功耗技术可以使每一个可编程LAB、DSP模块和存储器模块工作在高速或者低功耗模式下。没有针对功耗进行优化的FPGA中,模块以最高速率运行来支持关键时序通路。而应用Altera的可编程功耗技术后,阵列中除了设计为关键时序通路的LAB,其他LAB都可以设置为低功耗模式。只把关键时序通路设置为高速模式,从而有效降低了功耗。
Altera进行创新的另一关键技术是具有功耗预知能力的Quartus II开发软件综合以及布局布线引擎。这一降低功耗的方法对设计人员而言是透明的,可以通过简单的编译设置来实现。设计工程师把时序约束作为设计输入过程的一部分来进行设置,对设计进行综合以满足性能要求。Altera和第三方工具为每一逻辑自动选择所需的性能,通过功耗预知布局布线和时钟来降低功耗。
最终设计满足了设计人员的低功耗要求,他们可以选择最低程度或者最大程度优化,后者可最大限度地降低功耗,但是编译时间较长。根据设计和所选择的优化程度,结果会有所不同。这一功能的目的是不需要设计人员的干预便能够降低功耗,同时对设计性能的影响最小。