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在上世纪最后的十年里,重复可编程逻辑器件大放异彩,在通信行也得到了广泛的应用,这一时期FPGA 竞争基本上集中在容量,性能, IO 标准方面。而在便携应用方面因为FPGA 的高昂的价格,惊人的功耗基本上很少应用。
然而今天,随着全球环境恶化, 能源紧缺,各种个人电子消费产品便携式设备如MP3播放器, GPS导航仪,个人移动电话 ,游戏机价格猛烈下降,大量进入普通人家庭,能耗问题已变得日益重要,更由于产品平台化,竞争日趋白热化;产品生命周期的缩短,天文数字般的ASIC 掩模费用,工艺改进使得FPGA的功耗降到了可与传统ASIC 相当的水平,都使可编程器件在消费电子产品中可能找到自己的位置,最近非易失可编程器件的市场领导公司爱特公司 (ACTEL) 推出了它的低功耗,低价格,小封装的FPGA 产品 Nano IGLOO 和Nano ProASIC3 ,最低功耗为2uW,与竞争对手FPGA相比,功耗仅为其十五分之一。与此同时,封装尺寸缩减至3mmx3mm,价格低于1美元,从而打破FPGA在消费电子领域的最后一个障碍。 那么可编程器件又是如何适应在消费电子中应用呢? 通常都是电池供电的,电池寿命一直以来都是便携式电子设备最重要的设计指标之一,在过去的四十年间,半导体集成电路的发展基本上遵循摩尔定律,每十八个月电路容量提高一倍。对应工艺的改进,每个电路单元的功耗也相应减少一半。但由于电子设备功能的增加超过了功耗降低的速度,总体的来说,消费电子的功耗变的越来越大,直到现在我们也看不出有什么因素能改变这一趋势,但另一方面,电池技术的发展却相对缓慢,电池的供电能力并没有什么突飞猛进,十年前的手机的电池容量主流是700 mAhrs,今日大部分最新的手机电池是1250 mWhrs,但手机与过去相比,有 MP3、MPEG4 播放功能,有全球定位系统,具有蓝牙,有WI-FI,能上网,能收发电子邮件,能看电子书,能浏览照片,能玩游戏,具有300万像素的摄像头。在可预知的未来,还有更多的功能将被集成进来,因此我们只能从器件来改善,以在满足不断增加功能的条件下又能达到不低于过去的使用时间。 Actel Nano系列可编程器件,本身是非易失性器件,不需要常规的FPGA的上电配置(图1),这减少了每次开关机时电路上电带来的功率损失。 图1 Actel Nano FPGA可工作在1.2V 或1.5V的内核,1.2V 或1.5V 的输入输出端口可进一步降低功耗,在其独特的Flash*Freeze 模式下,功耗仅为2uW,同时能保留电路的内部和端口电平状态不变,而进入和退出该模式仅需要1 us在该模式下,你无需图2中的MOSFET 器件来关闭FPGA的内核电压,但可以获得与关掉内核几乎同样的节电效果。 图2 对于大批量生产的消费电子设备,PCB面积大小,组件清单的减少,器件单个价格直接影响着产品的竞争力,关系着产品的成败, Actel FPGA器件不需要配置ROM, 不需要上电过程,在减少了组件清单的同时,也减少了PCB 面积,而其本身仅占用3mmx3mm;同时,它的低功耗又降低了对电源模块以及系统散热的要求。 消费电子产品寿命的缩短,也给了FPGA用武之地,常规的手机芯片投放时间需要18个月左右,同时也需要数千万美元的掩模费用,而最近的统计表明,大部分中低端手机的寿命已缩短为6个月左右,一但用户需要增加新的应用,若原有的芯片集又没有足够的端口或资源来利用,客户只能坐看机会丧失,然而通过 Nano FPGA,客户就可能在原有芯片集设计的基础上,在两个月内很快的推出拥有新的性能的产品。 FPGA 可以很容易的实现手机或其它便携式系统以下功能,如键盘扫描, LCD控制,GPIO 扩展, 电平转换, LED 控制,手机马达控制,存储端口扩展,总线变换,逻辑胶合等,而所有这一切都可以不到一个美元来实现。 比如键盘扫描与常规的CPU 控制实现相比,不但很容易增加新的键盘按键,FPGA实现也大大减轻了CPU的负担,而且功耗更优化。 |
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