Cyclone II功耗对比——是同类90nm低成本FPGA功耗的一半
与同类90nm低成本FPGA相比，CycloneTM II 器件具有：
Cyclone II总体优势
-
在低功耗上首屈一指——是同类90nm低成本FPGA功耗的一半。
-
在价格上首屈一指——功耗降低而价格不变。同类的90nm低成本FPGA器件提高价格，以获得低功耗。
-
性能首屈一指——性能超出同类90nm低成本FPGA 60％。由单片FPGA实现低功耗和高性能。
总功耗的1/2
功耗数据表明Cyclone II FPGA功耗仅是Spartan-3和Spartan-3L FPGA全部功耗的一半。即使Cyclone II FPGA芯片处于85°C最差情况下，与25°C下的Spartan-3和Spartan-3L器件典型芯片相比，情况也是如此。如果能够满足Spartan-3 Web Power Tool 4.1.1所支持的最差情况（处理工艺和温度），那么Cyclone II功耗优势将更加明显。
图1显示了三种产品系列总功耗的对比，它们具有等价的资源利用率。Altera®和Xilinx产品采用了功耗估算工具，分别是Cyclone II PowerPlay early power estimator version 1.0和Spartan-3 Web Power Tool 4.1.1功耗估算工具。请参见表1、2和3，了解对比的详细信息。
图 1. Cyclone II与Spartan-3 & Spartan-3L总功耗对比
下面的表1显示了图1中对比所采用的处理工艺、电压和温度。
| 表1. 处理工艺，电压和温度条件 |
| 产品系列 |
处理工艺
|
电压
|
结温 (Tj) |
|
Cyclone II
|
最差情况处理工艺
|
内核 = 1.2 V
I/O = 3.3 V
|
85°C |
| Spartan-3 和 Spartan-3L |
典型处理工艺 (1)
|
内核 = 1.2 V
I/O = 3.3 V
辅助电压 (2) = 2.5 V
|
25°C (3) |
注释:
- Spartan-3 Web Power Tool 4.1.1不支持最差情况处理工艺。
- 与Cyclone II器件不同，Spartan-3和Spartan-3L器件需要其他的2.5 V辅助电源电压。
- Spartan-3 Web Power Tool 4.1.1不支持温度变化，结果显示为25°C。
器件资源和条件
下面的表2列出了图1对比所采用的器件资源使用情况。
基准测试基于以下标准：
| 表 2. 总功耗测量采用的器件资源 |
|
设计序号
|
器件
|
查找表(LUT)
|
触发器
(FFs)
|
嵌入式RAM
|
硬件乘法器
|
锁相环(PLL)/数字时钟管理 (DCM)
|
I/O
|
|
1
|
EP2C5
XC3S200
|
3,500
|
1,750
|
119 Kb
|
10
|
2
|
50
|
|
2
|
EP2C8
XC3S400
|
7,000
|
3,500
|
165 Kb
|
15
|
2
|
70
|
|
3
|
EP2C20
XC3S1000L
|
15,000
|
7,500
|
230 Kb
|
20
|
2
|
150
|
|
4
|
EP2C35
XC3S2000
|
25,000
|
12,500
|
480 Kb
|
40
|
2
|
200
|
|
5
|
EP2C50
XC3S4000L
|
40,000
|
20,000
|
590 Kb
|
95
|
2
|
250
|
|
6
|
EP2C70
XC3S5000
|
50,000
|
25,000
|
1,130 Kb
|
100
|
2
|
400
|
表3列出了图1中对比采用的器件条件。
| 表 3. 总功耗测量采用的条件 |
|
资源
|
条件
|
注释
|
|
LUT/FF
|
12.5 触发率
|
1 LUT + 1 FF
|
|
RAM
|
双端口，端口A 50％写操作，端口B 50％读操作
|
-
|
|
乘法器
|
18x18 乘法器
|
Xilinx设置高触发Altera设置50％触发
|
|
I/O
|
50/50％ I/O，30％触发率，100％输出使能， 3.3V LVCMOS 12mA, 10 pF
|
-
|
|
时钟布线
|
与逻辑数量正比
|
Xilinx模型中不包括
|
1/2静态功耗
Cyclone II器件比Spartan-3L FPGA消耗更少的静态功耗，是Spartan-3 FPGA静态功耗的一半。器件在最差情况工艺下对比时更是如此。此外，Cyclone II PLL静态功耗大约是Spartan-3和Spartan-3L DCM静态功耗的1/10。
采用Cyclone II PowerPlay early power estimator version 1.0以及Spartan-3数据手册和Spartan-3L v1.0数据手册Module 3 v1.5的静态电源电流特性，图2和图3中显示了Cyclone II、Spartan-3和Spartan-3L器件最差情况下静态功耗对比。
芯片处理工艺、电压和温度不同，其功耗也不相同。为了实现准确、可靠的功耗估算，FPGA公司有必要规定最差情况的处理工艺。由于功耗和温度之间关系密切，因此在功耗估算工具中指定最大温度规范对于功耗估算也非常关键。
图2的基准测试基于以下标准：
- Spartan-3数据手册的Module 3 v1.5没有规定最差情况下的处理工艺。Spartan-3最差情况基于Xilinx在Spartan-3器件1.2 V电源线上针对最差情况处理工艺2.0因子的建议。典型处理工艺差异最差情况下限可代表Spartan-3的典型处理工艺。
- Spartan-3器件静态功耗由Spartan-3数据手册的Module 3 v1.5静态电源电流分别与三个标称电源值相乘，并将结果相加来计算。
- 在Spartan-3数据手册v1.5、Spartan-3 Web Power Tool 4.1.1和Xpower中，Xilinx省略了Spartan-3 XC3S2000、XC3S4000和XC3S5000在85°C时的静态功耗。密度大于26,000等价逻辑单元（以点线表示）时，假设功耗随器件密度线性变化。
图 2. Cyclone II与Spartan-3静态功耗对比
注意：
图3的基准测试基于以下标准：
- Spartan-3L数据手册v1.0中没有规定最差情况下的处理工艺。Spartan-3最差情况基于Xilinx在Spartan-3L器件1.2 V电源线上针对最差情况处理工艺2.0因子的建议。典型处理工艺差异最差情况下限可代表Spartan-3L的典型处理工艺。
- Spartan-3L器件仅支持三种器件密度和一个速率等级。所有Cyclone II密度和速率等级均支持低功耗。
- Spartan-3L器件静态功耗由Spartan-3L v1.0数据手册的静态电源电流分别与三个标称电源值相乘，并将结果相加来计算。
图 3. Cyclone II与Spartan-3L静态功耗对比
注意:
1/2动态功耗
功耗数据表明Cyclone II器件在内核逻辑上消耗的动态功耗少于竞争90nm低成本FPGA动态功耗的一半。图4显示了在等价资源利用率情况下，三种产品系列的动态功耗对比。Altera和Xilinx器件分别采用Cyclone II PowerPlay early power estimator version 1.0和Spartan-3 Web Power Tool 4.1.1功耗估算工具。采用表2中列出的处理工艺、电压和温度条件。
图 4. Cyclone II与Spartan-3和Spartan-3L动态功耗对比
零输入浪涌电流
Cyclone II器件在上电时不会引起任何的输入浪涌电流上冲；上电时，电流单调上升，因此，不需要专门的上电管理。器件上电时，Cyclone II FPGA电源提供的电流单调上升至待机稳态ICCINT。待机CCINT仅消耗静态功耗。由于Cyclone II器件在上电时，电流单调增大，因此，其上电要求与静态电源一致。
与Cyclone II器件不同，Spartan-3和Spartan-3L器件在保证实现零输入浪涌电流上则有一定的局限。Spartan-3器件要求特定的上电顺序，必须在内核和I/O加电之前采用额外的辅助电压。Cyclone II器件没有任何的上电顺序要求。
热插拔支持
与许多其他的Altera器件相同，Cyclone II FPGA完全“可热插拔”：您可以在系统工作期间，插入或拔出电路板，而不会损坏系统或电路板。这也称作“热调换”或“热插入”。
要实现热插拔器件，器件必须符合三个标准：
- 在上电之前，就可以驱动器件，而不会损坏器件
- 在上电之前或上电过程中，器件不会被过度驱动
- 器件I/O引脚的外部输入信号不会通过器件内部通路对 VCCIO 或 VCCINT供电形成激励
Spartan-3、Spartan-3L和Spartan-3E不支持热插拔。
了解更多关于Altera器件片上热插拔支持的优势，请参考白皮书Altera Hot-Socketing & Power-Sequencing Advantages (PDF)。对于详细的特征数据，请参考白皮书Hot-Socketing & Power-Sequencing Feature & Testing for Altera Devices (PDF)。
更少的电源
Cyclone II器件所需电源少于Spartan-3、Spartan-3L和Spartan-3E器件。
此特性为工程师提供了多种有利条件。
- 电路板尺寸——电源数量降低，可释放电路板空间。
- 电路板成本——在额外的电源供电和电路板设计成本上花费更少。
- 电路板复杂性——采用更少的电源平面，简化了上电顺序问题。
设计实现低功耗
Cyclone II器件在TSMC 90nm工艺技术上生产制造。Altera与TSMC紧密合作，优化工艺节点，实现低功耗，而不会牺牲器件性能。表4所示为与低功耗应用相关的特性。该表还比较了Cyclone II FPGA与竞争产品中采用的这些方法。
| 表 4.低成本FPGA的低功耗特性 |
|
低功耗特性
|
Cyclone II
|
Spartan-3
|
Spartan-3L
|
Spartan-3E
|
对客户的益处
|
|
更低的1.2 V内核电压
|
是
|
是
|
是
|
是
|
降低电压，从而降低静态和动态功耗。
|
|
低k绝缘
|
是
|
否
|
否
|
否
|
动态功耗降低10％，提高性能。
|
|
零输入浪涌电流
|
是
|
否
|
否
|
否
|
没有上电顺序要求，不会增加电路板复杂性。
|
|
热插拔
|
是
|
否
|
否
|
否
|
在系统工作期间，能够插入或拔出电路板，而不会损坏系统或电路板。
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相关链接
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文档资料
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