借助PowerSmart通用FPGA推進“無處不在的Actel”戰略
FPGA,便攜設備市場上也是較佳元器件
近年來,以手機為代表,便攜式數字音頻播放器、數碼相機及數碼攝像機、PDA等移動產品市場取得了長足發展。支撐這一發展的正是在半導體元器件的高性能化,以及在此基礎上,半導體元器件小型化、低耗電化以及低成本化的結果。
在迅速發展的移動產品市場上,要想確保競爭力,必需進一步實現高性能化和更低耗電化,以及靈活應對較短的產品壽命周期及規格更新的要求。
圖1 Actel的PowerSmart解決方案
“作為滿足移動產品市場這一需求的元器件,ASIC的風險大且缺乏靈活性,而微控制器以及DSP則在耗電量及性能方面稍顯遜色。另外,CPLD的規模較小且性能貧乏,而且耗電量也不夠小。與此相比,FPGA由于能夠以可編程方式生成硬件電路,因此,可同時實現高性能化及低耗電化。另外,由于可在短期內完成開發等,因此我們認為,FPGA也是移動產品市場的較佳元器件”,美國Actel公司董事長兼首席執行官John East力推FPGA。
Actel是開發及提供“ProASIC系列”、“Fusion”、“IGLOO”等閃存FPGA以及“Axcelerator”、“eX”、“sSX-A”、“MX”等Antifuse FPGA器件的FPGA廠商。除了致力于元器件本身的低耗電化之外,還提供低耗電IP、設計工具以及用于電力和系統管理等綜合性低耗電化的解決方案(圖1)。
“我們用PowerSmart這個詞來體現Actel所做的工作。本來,這個詞指的是低耗電IP,現在我們將其用于更大的概念。也就是說,我們提供PowerSmart元器件及開發PowerSmart系統的解決方案”(John East)。
提供與閃存相同結構的“閃存FPGA”
元器件本身的低耗電化,其根源在于Actel的FPGA是“閃存FPGA”。
一般來說,可擦寫的FPGA分為結構與閃存相同的“閃存FPGA”以及結構與SRAM相同的“SRAM FPGA”。
“SRAM FPGA由于需要保存數據所以需要較多電流,啟動時的啟動電流也較大,所以其耗電量比閃存FPGA大。另外,構成SRAM時需要較多的晶體管,因此,漏電流也必然增大。相反,閃存FPGA由于無需用于保存數據的電流,晶體管數量也較少,因此,可降低泄漏電流”(John East)。
另外,SRAM FPGA每次啟動系統時必須有生成電路的可重構功能。因此,需要另外準備保存重構數據的閃存。而另一方面,閃存FPGA不僅無需外設閃存,而且由于不需要重構,可通過Live At Power Up(插入電源后立即運行)來縮短系統的初始化時間,John East如此介紹說。
憑借0.12mW的靜態電流大大延長電池壽命
作為閃存FPGA,Actel目前提供ProASIC系列產品、Fusion和IGLOO。
其中較新產品為“IGLOO”產品群。該產品群以基于130nm工藝、Actel的第三代閃存FPGA——ProASIC3閃存FPGA為基礎,進一步實現了低耗電化。
電源電壓除了1.5V運行模式之外,還新增加了1.2V運行模式。另外,憑借Flash*Freeze模式、低耗電主動模式(Active Mode)、睡眠模式這三種低耗電模式,實現了極低的耗電性能。尤其是在Flash*Freeze模式下,實現了5μW的超低耗電量。可以說是PowerSmart特點的真正體現。
IGLOO較大可支持:系統門(System Gate)數300萬、504kbit雙端口SRAM、6個PLL、616個用戶I/O。
“比較100萬門電路FPGA的靜態電流,可以發現,號稱低耗電的基于其他公司SRAM的FPGA為40mW~150mW,而IGLOO僅為0.12mW,即僅消耗前者1/300~1/500的電力”(John East)。
絕對低的靜態耗電量,對于待機時間較多的多功能手機(Smart Phone)及手機的電池壽命來說,都將帶來極大的益處(圖2)。
圖2 智能手機使用各種元器件時的電池壽命對比
使用閃存FPGA的IGLOO時,由于靜態電流極小,可大幅延長手機的電池壽命
為IGLOO而較優化開發的ARM Cortex-M1內核
Actel在2007年10月發布了推進PowerSmart元器件戰略的產品:面向IGLOO進行了較優化的ARM Cortex-M1內核、以及支持ARM Cortex-M1內核的IGLOO元件“M1 IGLOO”。
面向IGLOO進行了優化的ARM Cortex-M1內核,實現了在靜態模式(Static Mode)下24μA、睡眠模式下3μA的極低耗電性能。此外,在Flash*Freeze模式下,可在保存SRAM及寄存器數據的同時,很容易地過渡或復位到低耗電模式,并可將漏電流降至20μA。
“低耗電的Cortex-M1處理器嵌入到同樣為低耗電的IGLOO元件中,將成為兼具成本、耗電、占用空間(Footprint)、設計方便性等多種優勢的One Chip Solution。此外,在Actel的FPGA中,使用這種由Actel進行了較優化的Cortex-M1時,完全無需支付ARM內核的技術授權費及使用費”(John East)。
如上所述,推進FPGA解決方案,正是Actel采取“Actel無處不在”戰略的一環。
“競爭對手中,有的FPGA廠商提供犧牲電力性能,以便在特定用途發揮高性能的元器件。相反,Actel則能夠提供PowerSmart、而且可廣泛應用的FPGA。唯其如此,我們的產品在所有類別產品中凡是需要FPGA的,都被大量采用”(John East)。
今后,Actel將繼續通過開發及提供PowerSmart的通用FPGA,大幅拓展FPGA的應用范圍,為系統的低耗電化、小型化以及高性能化作出貢獻。
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