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低功耗特性显现,FPGA进军掌上型应用

在短短30年间,电子产品不仅遍布整个世界,而且产品推陈出新的速度越来越快。这种「典范转移」使得利用FPGA进行设计成为大势所趋。而以快闪技术为基础的现场可编程门阵列组件,由于可满足便携式产品对功耗和外观尺寸的严格需求,更在此一趋势下备受市场瞩目。


随着终端市场对产品可移植性的需求呈爆炸性增长,这些产品内的低功耗子系统和芯片也面对同样的压力。此外,由电子整合化和行动性所引发的各种可能,让这个世界越来越兴奋,人们对新产品和新功能的需求越来越狂热,并希望新产品和新功能快速出现在商店的货架上。这种趋势已经从根本上改变了电子设计的选择和决策。由于成本成为市场的重要考虑因素,昂贵的特定应用集成电路(ASIC)或专用IC完全无用武之地,而只有能够对准严格的市场需求,并适应不断变化的技术标准,才能取得成功。 

低功耗方案大行其道五大分析重点不可轻忽 

随着便携式电池供电设备的日益增多,功耗已成为系统设计人员的头号或第二关注焦点。传统的解决方案很简单,就是选择一款可以帮助工程师最佳化功耗和成本的ASIC。然而时至今日,世界上充斥着数千个中等规模的市场,加上产品标准和市场要求都瞬息万变,传统的方法已不再适用。 

许多不同现场可编程门阵列(FPGA)组件供货商也看到此一趋势及背后的庞大商机,而以自家核心技术为基础,推出各种针对功耗最佳化的解决方案,但功耗估算实为一相当复杂的任务,当设计人员要评估不同FPGA技术的功耗时,至少须针对以下五个基本功率成分进行分析比较,分别是静态功率、动态功率、通电功率(或突波功率)、配置功率、睡眠(低功耗)模式功率。系统整体功耗是上述五个功率成分的组合,唯有进行详尽的分析,才能挑选出最适合应用产品。 

图1的对比图表列出了静态随机存取内存(SRAM)FPGA和快闪式(Flash)非挥发性FPGA的功耗比较。其中,左边为通电功率特性,右边为工作模式功率特性。

图1 SRAM/Flash FPGA功率特性比较图

快闪式FPGA包含了真正的非挥发性技术,无须采用数百万个耗电的SRAM配置位单元(Configuration Bit Cell),而且快闪单元的尺寸远小于SRAM单元,故可大大降低功耗。因此,其静态功率将显著小于以SRAM为基础的解决方案,促使快闪FPGA成为注重功率的掌上型应用的理想选择。

目前市场上有不少号称低功耗的FPGA架构,但它们的耗电量高达30毫安(mA),这往往比典型的注重功率之电池供电应用设备所能容忍的耗电量高出了一至二个数量级。与其它低功耗产品比较,以快闪技术为基础的FPGA通常可将电池寿命延长达十倍;若是专为低功耗应用进行最佳化的快闪式FPGA,每个输入/输出(I/O)的功耗更低至一般低功耗产品的十六分之一。图2和图3所示为不同组件的电池寿命延长比较,相关数据来自厂商的功率分析工具软件。

图2 在95%闲置条件下各类FPGA组件的电池寿命比较

 


图3 在50%闲置条件下各个组件节省的电池寿命

另外,FPGA供货商提供的开发环境能够帮助用户降低和管理应用的功率,如功率导向布局布线(Power Driven Layout)选项及设计人员软件工具便可帮助用户大幅降低功耗,而功耗分析功能更可协助设计人员获得详细的功率分析资料。 

整合度追求无止境 混讯架构应运而生 

手持便携式应用产品的另一大要求是低成本。非挥发性FPGA解决方案有别于SRAM易失性FPGA,它毋须支持组件,从而节省了成本。若利用SRAM FPGA来创建系统,所需的额外部件(外部配置内存)可能导致材料清单(BOM)成本增加70%以上。 

由于从材料清单中省却了不必要的组件,非挥发性FPGA不仅节省成本,还因此增强了可靠性,降低系统整体功耗,并降低了散热要求和板卡空间要求,同时电磁干扰(EMI)问题也得以减少。 

上述非挥发性FPGA的种种优点,加上更短的设计时间和简化材料管理,都能够令客户在新设计中节省更多成本。除了超低功耗FPGA外,混合信号FPGA也在各种手持式应用中找到应用契机。

这类整合了混合信号模拟电路、闪存和可编程逻辑结构的FPGA可让设计人员能够迅速地从概念步向完整的设计,并将功能丰富的系统推向市场。这种先进技术利用快闪FPGA的独特属性,如高隔离度和三井制程技术(Triple-well Process),能够支持高压晶体管,满足混合信号系统设计的严苛要求。Fusion拥有闪存、可配置模拟电路和快闪可程序逻辑的独特组合,能够降低成本,节省板卡空间及缩短设计时间。图4阐释了混合信号FPGA如何在系统中整合各种不同功能,以降低成本和板卡空间要求。

图4 以混合信号FPGA进一步取代众多离散组件

影像控制/人机接口成两大主力应用

便携式电子产品通常会采用多种不同类型的液晶显示器(LCD)和各种创新的人机界面(HMI),以满足用户不同的喜好和价位需求。然而,设计人员却因而必须使用模块化电路板来支持所有类型的显示器或接口设计,这为解决方案的应用灵活性带来一大挑战。也让FPGA得以大显身手。 

以LCD显示控制来说,终端产品制造商无不希望能用单一解决方案尽可能支持各种不同尺寸的显示装置,并且可轻松实现各种不同的功能组合,如色度空间转换、缩放、透明图层混合(Alpha Blending)、屏幕选单显示(OSD)、页面缓冲存储器控制器和视讯时序发生器。此外,该控制方案也必须具备连接各种不同处理器、内存和显示器的接口,并能驱动来自不同制造商,或是采用各种接口或分辨率之显示面板。 

上述需求对于市面上现有的各种LCD控制、驱动芯片而言,都是很难实现的目标。因为标准产品方案的设计应用弹性通常较为受限。而FPGA可被视为具有客制化功能的灵活LCD控制器,与市面上的LCD控制芯片不同,可为特定系统提供灵活性和独特的解决方案。图5为一个简单的LCD控制器,其中包括一个用于连接中央处理单元(CPU)的接口、一个页面缓冲存储器控制器和一个视讯时序发生器。

图5 以FPGA实现LCD控制器功能

人机接口则是近年来掌上型装置制造商彼此绞尽脑汁、争奇斗艳的一大焦点,因此在新型手持便携式设备中,系统与用户之间的人机接口是一个设计关键。各种各样的HMI接口,如字母数字(Alphanumeric)键盘或QWERTY键盘、使用白光或彩色发光二极管(LED)背光照明的触控键盘/触控屏幕、可编程按键/开关、操纵杆、滚轮,以及蜂鸣器/扬声器等,已渐渐成为掌上型设备的常见功能。 

由于这些人机接口设计花样百出,规格需求不一而足,因此具有灵活特性的FPGA组件自然也有一定的应用利基,特别是具有超低静态功耗与快速唤醒特性的快闪式FPGA,在此一领域的优势更是显著。目前FPGA在人机接口设计的应用有以下几种主流,分别是执行键盘控制等功能的客制化人机接口控制器、白光LED亮度控制、红绿蓝三色LED颜色混合、音调产生器等功能。其中后三者的共同元素为脉冲宽度调变(PWM)技术,这也是一种混合信号的应用。图6所示的设计能够在单一快闪FPGA上实现多种人机接口控制功能。

图6 人机界面示例

低功耗FPGA应用前景可期

过去数10年,随着半导体技术不断创新,消费者对便于携带、功能无限的应用设备的要求也越来越高,为电子产品设计人员带来更大的压力。即便在医疗机构和工厂这类固定使用环境,掌上型电子设备由于能以低成本撷取更精确的数据及提高生产力,遂能大行其道。 

但这些手持式设备市场的规模通常只属中等。事实上,目前有能力负担ASIC解决方案的大批量市场已越来越少。快闪式FPGA结合了无一次性工程成本(NRE)及快速上市的传统优点,加上低功耗、通电即运行、安全性、封装选择及可重编程等创新特性,正好填补了此一市场空白。在设计过程中,上述优势能够帮助新一代系统设计人员开发出新的创新产品,满足多个亟需手持解决方案的市场之需求。 

 

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