采用Flash*Freeze技术进行低功耗设计
系统设计工程师越来越重视功耗问题。原因是系统整体功耗现在受制于各种更严格的功率限制、规范和标准。功率预算的多少将关系到产品的使用寿命、可靠性，以及产品是否满足各种标准的问题。
对于下一代设计来说，功率预算一般都有减无增，但设计需求列表中却希望系统能具有更多的功能和更高的处理能力。一般来说，要求的功能越多、性能越高，产品的功率预算就越紧张。此外，随着工艺的发展，晶体管漏电流引起的静态功耗不断增加，使得半导体技术发展与市场期望背道而驰。
电池供电应用 (如数码相机、无线手持设备、智能电话和多媒体播放器) 的增长驱动了市场对于低功耗半导体器件的需求。再加上业内要求节能的呼声越来越大，尤其是对电池寿命的关注，低功耗半导体器件已成为全球性的需求。因此，半导体设计工程师纷纷开始研究如何在不增加系统功耗的前提下继续提高性能、降低成本和延长电池寿命。
需要低功耗半导体器件的一般都是那些采用电池供电且容易因过热而产生可靠性问题的应用，或那些由市电供电但功率预算非常紧张及冷却条件受限的产品。这类应用的涵盖范围非常广，从便携式手持消费电子设备到工业测试测量仪器、移动医疗设备、汽车电子，以及军用和航天设备。
对于这些应用，需要解决的根本问题是让系统能够快速地进出低功耗模式，使其尽可能处于闲置状态，从而最大限度地降低功耗。当然还要考虑一些其它因素，例如设计安全性、原型构建、封装，以及设计可重用性及现场可升级等。
传统上，便携产品一直都采用ASIC和CPLD进行设计。然而，在如今的低功耗应用中，CPLD已经无法胜任，这主要是因为目前的设计对于高端功能的需求越来越多，采用CPLD会需要额外的逻辑电路及相对较高的成本。而ASIC器件开发时间较长，且不能灵活应对不断变化的标准，无法在设计后期进行修改，因此，采用ASIC具有较大风险，并不适合变化迅速的便携式应用市场。在这样的情况下，便携式产品实际越来越趋向于选择低功耗的PLD和FPGA器件。
因此，随着最终产品的更新换代越来越快，市场竞争越来越激烈，尽快上市对产品的成功越来越关键，可编程的半导体平台逐渐成为优先选择的解决方案。使用可编程方案可以更快且更容易地将产品推出市场。这些开发平台也能满足所有其它的设计要求，如成本、性能、尺寸、安全性及最重要的功耗。根据iSuppli公司的市场预测，在约200亿美元的ASIC市场中，有高达30亿美元的份额将转向低功耗FPGA解决方案。
目前，功能齐全的可编程FPGA 已经能够应对便携市场中竞争激烈和产品更新换代快的挑战。这类器件能满足便携应用的设计需求，具有安全性高、尺寸小、上电即行(LAPU)、开发时间短，以及单位成本媲美ASIC等特点，因而成为比ASIC和 CPLD更具吸引力的解决方案。基于Flash的Actel IGLOO系列单芯片可编程器件的静态功耗仅为5mW，比同类竞争产品低1/4;与领先的PLD产品相比，更可延长便携式应用产品的电池寿命达5倍，为低功耗应用定下了新的标准。
为了能在保持FPGA数据的同时实现低功耗，IGLOO 系列采用了Flash*Freeze技术，可以快速进出超低功耗模式。IGLOO器件无需添加任何额外部件就可关断I/O或时钟，同时保留了设计数据、SRAM内容和寄存器状态。Flash*Freeze技术与系统内可编程能力的结合，令用户能在制造的最后阶段或应用现场中快速方便地进行升级或更新设计。IGLOO器件能支持1.2V的内核电压，更可进一步地降低功耗，因此能实现业界最低的整体系统功耗。
Flash*Freeze技术能让用户在正常操作中维持所有连接至器件的电源、I/O和时钟。当进入Flash*Freeze模式时，器件会自动关闭时钟和FPGA核的输入;当器件退出Flash*Freeze模式时，所有活动都将恢复而不会丢失任何数据。这种低功耗特点，再加上可编程、单芯片、单电压和小尺寸的优势，使得IGLOO 成为最适于便携式电子产品的器件。
为了通过多种方法实现可用功率的最大化，IGLOO中还包括了其它几种低功耗模式。低功耗激活功能(静态空闲模式)能在启用系统内全部功能，并维持I/O、SRAM、寄存器和逻辑功能的情况下，实现超低功耗。这样，IGLOO 器件就能以极小的功耗通过外部输入(如扫描键盘激励)来管理系统功耗。IGLOO还可工作于睡眠模式，使大型设备能在FPGA核电压关断时节省最多的能耗。由于基于Flash的FPGA具有上电即行功能，因此能将系统从睡眠模式中快速唤醒。
此外，智能电话、数码相机和MP3等手持设备通常都有一个高端的嵌入式处理器。这些嵌入式处理器需要与多种流行的存储器接口一起工作，如IDE、CE-ATA、 SDIO及CF等。通过将原本由处理器负责的接口管理任务卸载给低功耗的可编程FPGA，系统能够实现对这些存储器接口的高效管理。IGLOO FPGA能够轻松管理VLIO或AMBA总线与不同存储器件间的接口(见图1)。
图1
由IGLOO FPGA对存储器接口进行管理
随着系统的整体功耗受制于越来越严格的功率限制、规范和标准，系统设计工程师面对的挑战越来越艰巨。此外，最终产品要求的功能越来越多、处理能力越来越强，又会导致功耗的增加。功能齐全并基于 Flash 的可编程FPGA正越来越多地成为便携应用的首选解决方案。■