满足28 nm迫切的低功耗需求

理想的低功耗元器件

制定了这些低功耗目标后，产品开发人员必须进一步提高产品性能，同时降低能耗。而且，降低功耗还有助于帮助最终用户提高经济收益。例如，对于服务供应商依靠电子产品作为其商业模型的情况，降低功耗可以减少与电子设备供电和散热相关的运营开支。而且，降低总功耗能够降低实际供电需求。所有这些因素都有利于减小设备规模，降低投入和运营成本。如通过供应链来降低功耗需求所示，这些最终用户需求转换为设备供应商的需求，最终是元器件供应商的需求。

图3.通过供应链来降低功耗需求

FPGA和可编程逻辑器件(PLD)非常适合产品开发人员通过以下方式，以低成本来控制功耗：

●将大量的板上逻辑、存储器和处理器元件迅速集成到很少的器件中，甚至是一个器件中。

●减少支持元件和供电电源数量，减小电路板面积，降低实现复杂电子系统所需要的功耗。

●支持采用不同的实现方法和算法来精确的调整功耗。

灵活的可编程逻辑具有低功耗优势，在综合考虑全定制硅片的成本和产品及时面市时，它是非常有吸引力的选择。

在28 nm定制功耗

在28-nm节点，设计人员利用Altera器件可以针对特定的目标市场和应用来定制功耗。Altera的方法在28-nm系列产品中利用了多种半导体工艺，针对产品和某些系列体系结构进行了优化，增强了IP。结果，与前一代同类产品相比，Altera的28 nm FPGA功耗降低了40%。

TSMC的28-nm工艺选择 显示了台积电(TSMC)的三种28-nm工艺技术，该公司是可编程逻辑供应商的28-nm节点半导体代工线。在这些工艺中，大量晶体管具有较大的静态功耗范围。左侧的晶体管静态功耗较低，而右侧的较大。这也体现了静态功耗与这些晶体管性能之间的关系。总体上，晶体管性能越好，静态功耗也就越高。Altera在28 nm产品上同时使用了28LP和28HP工艺来提高性能范围，以及多种功耗选择。第三种工艺选择是28HPL，某些晶体管的静态功耗较低，位于标以“HPL Option”的部分中，但是大量使用这类晶体管会导致FPGA运行较慢，对于很多设计人员而言是无法接受的。相应的，FPGA的28HPL工艺需要使用高速低泄漏晶体管，无法体现静态功耗的优势。

图4.TSMC的28-nm工艺选择

在28-nm节点，Altera器件是所有FPGA中总功耗最低的。这些器件之所以具有优异的功耗特性，是因为在产品开发的所有阶段都非常注重降低功耗。从28HP和28LP半导体工艺就开始重视降低功耗。

与Stratix V系列不同，Altera的其他28-nm FPGA产品——Cyclone V和Arria V系列，设计用于不需要绝对最高性能和带宽的应用。结果，它们基于28LP工艺，设计用于提供最低总功耗，如TSMC所述：

“与TSMC的40LP技术相比，基于SiON的28LP工艺采用了该系列中最低总功耗和高性价比技术，其逻辑密度将翻倍，速度提高50%，功耗降低30-50%。”

其他在28-nm节点寻求绝对最低功耗的主要半导体供应商也选择了28LP工艺，正如Qualcomm所宣称的那样：“Qualcomm与TSMC合作，推出了我们的Snapdragon S4类处理器，包括Snapdragon S4 MSM8960，它是高度集成的双核SoC，设计满足了前沿智能电话和平板电脑的低功耗需求。Snapdragon S4类处理器采用了TSMC非常复杂的28LP工艺，使Qualcomm能够突破性的实现了高性能和超低功耗的移动设备。”

在低功耗基础上，Altera还采取了其他措施来降低28LP器件的静态功耗，包括大量使用“低泄漏”晶体管等，从而降低了静态电流。此外，Cyclone V和Arria V系列还提供一些可以禁用的器件特性，包括收发器、I/O块、PCI Express模块、存储器模块以及分段式PLL等。这些特性相结合，与前一代FPGA相比，器件静态功耗降低了70%。例如，Arria V系列的器件功耗在500K LE时不到750mW，比目前的中端和高端40-nm FPGA静态功耗低得多。而竞争28-nm FPGA的静态功耗是Arria V FPGA的2.6倍。 Arria V静态功耗对比显示了Arria V GX器件的典型静态功耗，以蓝色实线表示，而以蓝色点线表示最差情况下的功耗。类似的，红色实线表示竞争中端28-nm FPGA的典型静态功耗，点线表示最差情况下的功耗。借助这些特性，在同类FPGA中，Arria V器件的静态功耗是最低的。

图5.Arria V静态功耗对比

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