專利名稱：Sram型fpga的低功耗設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列)電路的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種當(dāng)前廣泛應(yīng)用的SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)單元)型FPGA的低功耗設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
一直以來(lái)，F(xiàn)PGA電路由于其設(shè)計(jì)周期短，開(kāi)發(fā)成本低等特點(diǎn)而受到電路設(shè)計(jì)者的廣泛關(guān)注。伴隨著芯片性能的不斷提升，基于SRAM型FPGA的電路設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用于通信工程、工業(yè)控制、嵌入式開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。但是，由于晶體管特征尺寸的縮小、閾值電壓的不斷降低，SRAM型FPGA的漏電功耗迅速增加，成為制約SRAM型FPGA進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸。功耗不但直接影響到芯片的封裝形式與成本，而且過(guò)高的功耗導(dǎo)致了溫度的增加，與此同時(shí)帶來(lái)電流過(guò)大等一系列問(wèn)題使得芯片的穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化，反過(guò)來(lái)會(huì)給芯片的可靠性等諸多方面帶來(lái)困難。SRAM型FPGA的漏電功耗主要由兩部分組成，包括亞閾值漏電功耗和柵極漏電功耗。其中，亞閾值漏電功耗是由于在晶體管處于關(guān)斷的狀態(tài)下，晶體管的源極和漏極之間仍然存在一定的電流而產(chǎn)生的功耗。隨著工藝的不斷進(jìn)步，F(xiàn)PGA芯片的電源電壓不斷降低， 為了在較低電壓條件下保持晶體管的開(kāi)關(guān)特性，晶體管的閾值電壓也隨著電源電壓不斷降低，導(dǎo)致亞閾值漏電功耗隨著閾值電壓的降低而呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。柵極漏電功耗是由于晶體管氧化層溝道效應(yīng)導(dǎo)致柵極到襯底之間存在微小電流而產(chǎn)生的功耗。為了提高晶體管的驅(qū)動(dòng)能力，晶體管氧化層厚度不斷減少，導(dǎo)致柵極漏電功耗急劇上升。資料顯示，在當(dāng)前主流 SRAM型FPGA中，大約60 % 70 %的漏電功耗發(fā)生在連線資源中。因此，針對(duì)SRAM型FPGA 連線資源的功耗優(yōu)化變得越來(lái)越重要。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外針對(duì)SRAM型FPGA的漏電功耗優(yōu)化主要分為兩類(I)修改SRAM型 FPGA的結(jié)構(gòu)，和(2)修改FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)的電路設(shè)計(jì)。對(duì)于(I)類方法即進(jìn)行SRAM型FPGA的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要采用晶體管可編程電源電壓，高閾值電壓晶體管設(shè)計(jì)等等。晶體管可編程電源電壓對(duì)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵路徑采用高電壓設(shè)計(jì)，保證電路運(yùn)行性能；對(duì)電路設(shè)計(jì)的非關(guān)鍵路徑采用低電壓設(shè)計(jì)，對(duì)電路漏電功耗和性能進(jìn)行折衷JtFPGA芯片中未使用的部分，不提供電源電壓，降低電路漏電功耗。對(duì)于高閾值電壓晶體管設(shè)計(jì)，由于亞閾值漏電功耗與晶體管閾值電壓呈指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系，因此，高閾值電壓晶體管電路設(shè)計(jì)能夠有效降低電路漏電功耗。對(duì)于(2)類方法即修改FPGA上實(shí)現(xiàn)的電路設(shè)計(jì)，主要修改設(shè)計(jì)內(nèi)查找表的配置比特。對(duì) FPGA 內(nèi)連線資源的 MUX 結(jié)構(gòu)進(jìn)行 SPICE (Simu lation Program with Integrated Circuit Emphasis,集成電路信號(hào)仿真程序)模擬發(fā)現(xiàn),當(dāng)MUX輸出邏輯為I時(shí)的平均漏電功耗比輸出邏輯為O時(shí)的平均漏電功耗低。因此，通過(guò)翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)中查找表內(nèi)的配置比特，盡可能地從查找表輸出邏輯I到連線MUX，可以降低連線資源中MUX的漏電功耗。但是，以上兩類低功耗設(shè)計(jì)方案均存在一些不足，主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面
I、時(shí)序影響較大。第(I)類低功耗設(shè)計(jì)方法配置電路電源電壓及晶體管閾值電壓，會(huì)影響晶體管開(kāi)關(guān)特性，進(jìn)而影響電路時(shí)序性能。2、應(yīng)用范圍受到局限。第(I)類低功耗設(shè)計(jì)方法從FPGA芯片結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行優(yōu)化， 會(huì)對(duì)FPGA芯片的工藝制造過(guò)程產(chǎn)生影響，對(duì)現(xiàn)有FPGA芯片不適用。3、存在額外面積開(kāi)銷。第(I)類低功耗設(shè)計(jì)方法會(huì)引入額外的電源電壓控制結(jié)構(gòu)，高閾值電壓晶體管設(shè)計(jì)需要修改晶體管尺寸，均會(huì)引入額外的面積開(kāi)銷。4、優(yōu)化粒度較粗。第⑵類低功耗設(shè)計(jì)方法僅考慮了 MUX結(jié)構(gòu)輸出邏輯值與平均漏電功耗的關(guān)系，未進(jìn)一步細(xì)化考慮MUX結(jié)構(gòu)中漏電功耗與通路邏輯和旁路邏輯之間的關(guān)系，低功耗優(yōu)化空間受限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種SRAM型FPGA的低功耗設(shè)計(jì)方法，在有效降低電路漏電功耗的同時(shí)減少對(duì)電路時(shí)序性能產(chǎn)生影響。本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，首先，在FPGA電路實(shí)現(xiàn)的布線階段，提取電路漏電功耗的相關(guān)信息，抽象出電路漏電功耗信息圖。所述漏電功耗信息圖是指提取出FPGA內(nèi)各線段之間的連接關(guān)系，并包含用于漏電功耗分析的連線邏輯概率信息的抽象圖。然后，根據(jù)漏電功耗信息圖，對(duì)電路布線過(guò)程的漏電功耗進(jìn)行評(píng)估。最后，將評(píng)估得到的漏電功耗引入FPGA 的布線代價(jià)函數(shù)，最終得到綜合考慮電路時(shí)延、連線擁塞和漏電功耗的電路設(shè)計(jì)。FPGA布線代價(jià)函數(shù)是指在布線過(guò)程的每一階段，計(jì)算按該布線方式實(shí)現(xiàn)后的電路相應(yīng)的開(kāi)銷。傳統(tǒng)的布線過(guò)程考慮電路實(shí)現(xiàn)的時(shí)延開(kāi)銷和連線擁塞開(kāi)銷，因此代價(jià)函數(shù)也由這兩部分組成。 在本實(shí)施例中，引入漏電功耗開(kāi)銷，因此布線代價(jià)函數(shù)同時(shí)包含電路時(shí)延、連線資源擁塞和漏電功耗三個(gè)因素，最終的FPGA電路實(shí)現(xiàn)也是綜合考慮這三個(gè)因素后得到的最優(yōu)實(shí)現(xiàn)方式。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種SRAM型FPGA的低功耗設(shè)計(jì)方法，包括步驟一、 根據(jù)FPGA結(jié)構(gòu)及電路信息，建立漏電功耗信息圖；步驟二、在布線階段對(duì)各MUX所對(duì)應(yīng)的漏電功耗進(jìn)行評(píng)估，得到漏電功耗；步驟三、將所述漏電功耗引入布線代價(jià)函數(shù)，從而在布線過(guò)程中降低電路漏電功耗。可選的，步驟一中的漏電功耗信息圖包含兩類信息第一類信息是電路布線實(shí)現(xiàn)過(guò)程中各線段之間的連接關(guān)系；第二類信息是電路網(wǎng)表中各連線的邏輯概率。可選的，步驟二包括根據(jù)MUX所有可能的輸入向量，通過(guò)下述方式計(jì)算其對(duì)應(yīng)的狀態(tài)漢明距離SHD
權(quán)利要求
1.一種SRAM型FPGA的低功耗設(shè)計(jì)方法，包括步驟一、根據(jù)FPGA結(jié)構(gòu)及電路信息，建立漏電功耗信息圖；步驟二、在布線階段對(duì)各MUX所對(duì)應(yīng)的漏電功耗進(jìn)行評(píng)估，得到漏電功耗；步驟三、將所述漏電功耗引入布線代價(jià)函數(shù)，從而在布線過(guò)程中降低電路漏電功耗。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低功耗設(shè)計(jì)方法，其中，步驟一中的漏電功耗信息圖包含兩類信息第一類信息是電路布線實(shí)現(xiàn)過(guò)程中各線段之間的連接關(guān)系；第二類信息是電路網(wǎng)表中各連線的邏輯概率。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低功耗設(shè)計(jì)方法，其中，步驟二包括根據(jù)MUX所有可能的輸入向量，通過(guò)下述方式計(jì)算其對(duì)應(yīng)的狀態(tài)漢明距離SHD SHDv= H{Stateon_path, Stateioff^ath)i=0其中，SHDv表示在MUX的輸入為V的情況下，通路輸入的邏輯值Statem_path與各旁路輸入i的邏輯值Stateit^path之間的漢明距離H的和At^path表示該MUX中旁路輸入的數(shù)量； 漢明距離# _，表示當(dāng)兩個(gè)參數(shù)&表示為字符串時(shí)對(duì)應(yīng)位置的不同字符的個(gè)數(shù)；通過(guò)分析每一個(gè)可能的狀態(tài)漢明距離值所對(duì)應(yīng)的MUX漏電功耗，并對(duì)MUX輸入端所有可能的狀態(tài)漢明距離取值i進(jìn)行遍歷，通過(guò)下述方式計(jì)算該MUX的漏電功耗Lmwc=YdPiSHD = IrL(SHD = I)1=0其中，Nsm為MUX輸入端所有可能的SHD值的數(shù)量，P (SHD = i)為該MUX輸入端狀態(tài)漢明距離為SHD = i的概率，L(SHD = i)為MUX輸入端狀態(tài)漢明距離為i時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏電功耗。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低功耗設(shè)計(jì)方法，其中，P (SHD = i)為所有滿足狀態(tài)漢明距離為i的輸入端向量V出現(xiàn)的概率的和，MUX輸入端輸入向量V出現(xiàn)的概率為MUX各輸入端同時(shí)出現(xiàn)輸入向量V所對(duì)應(yīng)分量的聯(lián)合概率； 對(duì)于各SHD值下所對(duì)應(yīng)的漏電功耗L (SHD = i)，通過(guò)建立MUX電路所對(duì)應(yīng)的SPICE模型，進(jìn)而對(duì)該模型在滿足各SHD值的輸入向量條件下進(jìn)行SPICE模擬得到。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低功耗設(shè)計(jì)方法，其中，步驟三中使用的漏電相關(guān)布線函數(shù)為Cost (Sn) = Crit (i, j) *delay (Sn) +(1-Crit (i，j)) *b (Sn) *h (Sn) *p (Sn) *L (Sn)其中，線段Cost(Sn)包含時(shí)延開(kāi)銷和連線擁塞開(kāi)銷兩部分；Crit (i，j)表示該線段所在連線時(shí)延與關(guān)鍵路徑時(shí)延的相對(duì)關(guān)系；b(Sn)是該線段的基礎(chǔ)開(kāi)銷，h(Sn)是歷史擁塞開(kāi)銷，P(Sn)是當(dāng)前線段擁塞開(kāi)銷；L(Sn)是漏電功耗開(kāi)銷。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低功耗設(shè)計(jì)方法，其中，線段Sn的漏電功耗的計(jì)算方法為 L(Sn) = Lmux (source-Sj+Lmux (Sn-Sink)當(dāng)選擇線段Sn進(jìn)行布線時(shí)，連接已有連線和Sn的輸入端的MUX上的漏電功耗記為L(zhǎng)mux(source-Sn);連接Sn的輸出端到已有連線的MUX上的漏電功耗記為L(zhǎng)mux (Sn_sink)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低功耗設(shè)計(jì)方法，步驟一之前還包括根據(jù)電路的概率偏移量，決定是否需要優(yōu)化；其中，所述概率偏移量為電路中各個(gè)連線邏輯概率與O. 5之間平均距離。
全文摘要
本發(fā)明提供一種SRAM型FPGA的低功耗設(shè)計(jì)方法，包括步驟一、根據(jù)FPGA結(jié)構(gòu)及電路信息，建立漏電功耗信息圖；步驟二、在布線階段對(duì)各MUX所對(duì)應(yīng)的漏電功耗進(jìn)行評(píng)估，得到漏電功耗；步驟三、將所述漏電功耗引入布線代價(jià)函數(shù)，從而在布線過(guò)程中降低電路漏電功耗。上述方法在布線階段對(duì)電路進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，在布線過(guò)程中綜合考慮電路時(shí)延開(kāi)銷、擁塞開(kāi)銷和漏電功耗開(kāi)銷，幾乎不會(huì)對(duì)電路時(shí)序性能產(chǎn)生影響。通過(guò)修改電路連線實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，與FPGA芯片結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，不會(huì)對(duì)FPGA芯片的工藝制造產(chǎn)生影響，對(duì)當(dāng)前主流FPGA均適用，而且不會(huì)引入額外的面積開(kāi)銷。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102609563SQ20121000736
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者李曉維, 胡瑜, 黃柯衡 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所