由於更嚴格的功耗限制、規格和標準要求，今天的系統設計師比任何時候都關注功耗問題。針對新一代設計，功耗預算通常會獲得穩定的控制或是降低，但卻 增加了更多功能和處理能力需求。通常，儘管產品特性和性能需求不斷增加，功耗預算仍然非常緊縮，功能和性能的增加與降低功耗的目標相互矛盾。摩爾定律效應 縮小了製程尺寸，但加大了功耗問題；高電晶體泄漏也增加了靜態功耗。
數位相機、無線手持設備、智慧電話和多媒體播放器這些電池供電應用的成長，推動了對低功耗半導體元件的需求。這種需求的爆發性成長加上對 節能不斷提高的要求，特別是與電池壽命相關的節能要求，導致對低功耗半導體技術的全球性需求。其結果是，半導體設計師開始研究如何在不增加系統的功率條件 下，不斷提高性能、降低成本並延長電池壽命。
需要低功耗的半導體技術應用可以是電池供電的電子裝置、具有可靠性考量的熱感測應用，或是具有嚴格功率預算及冷卻方法受限的交流電供電應用。需要低功耗解決方案的應用範圍極廣，包括可攜式電子產品、工業測試和測量設備、行動式醫療電子設備、汽車應用和軍事/航太應用等。
針對這些應用，最終目標是實現更低功耗並提供更長的系統閒置時間，這可透過使系統快速進入和退出低功耗模式來達成。其它考量還包括設計安全性、原型建構、外形尺寸、設計再使用及現場可升級能力。
傳統上，專用積體電路(ASIC)和複雜可編程邏輯元件(CPLD) 解決了可攜式市場的需求。然而，目前某些低功耗應用中採用的CPLD開始失去魅力，主要是由於對高階特性需求的增加、需要額外的邏輯以及相對較高的成本導 致。由於產品上市時間更長，並在滿足不斷變化的標準以及後期的設計修改上缺乏足夠的靈活性，使用ASIC的風險日益增高，對某些可攜式應用而言並不適用， 這些應用的市場改變導致更傾向於採用低功耗的PLD和FPGA。
如此一來，隨著終端產品壽命縮短、競爭加劇以及產品上市時間對產品的成功有極大影響，可編程半導體平台成為首選方案。使用可編程解決方案 是最容易且能最快上市與獲利的。然而，這些可編程平台還應滿足所有其它設計要求，如成本、功能和性能、尺寸、安全性，以及必然的功率問題。市場研究公司 iSuppli預測，20億美元的ASIC市場中，可能有3億美元會轉移到低功耗現場可編程閘陣列(FPGA)解決方案。
可編程的全功能FPGA，如基於快閃記憶體的Actel IGLOO系列，能滿足可攜式市場的短產品壽命週期和激烈競爭問題。這些元件能滿足可攜式設計需求，如以ASIC的單位成本實現更高的設計安全性、更小產品尺寸、上電即用(LAPU)、更短的產品上市時間，使其成為ASIC和CPLD最具吸引力的替代產品。可編程單晶片系列的靜態功耗僅5μW，與最接近的競爭產品相較，靜態功耗降低4倍，與領先的可編程邏輯元件相較，可攜式應用可實現超過5倍的電池壽命，為低功耗設定了全新標準。
為實現低功耗並保持FPGA的內容，該系列元件採用了Flash*Freeze技 術，允許元件進入和退出超低功耗模式(如圖1所示)。IGLOO元件不需要額元件就能切斷I/O或時脈，同時保持設計資訊、SRAM內容和暫存器。 Flash*Freeze技術結合了系統內可編程特性，能讓用戶在製造後期或應用中快速且輕易地升級和更新設計。支援1.2V核心電壓還能進一步降低功 耗，獲得最低的整體系統功耗。
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圖1：Actel IGLOO系列採用Flash*Freeze技術，允許元件進入和退出超低功耗模式。
Flash*Freeze技術允許用戶讓所有連接到該元件的電源、I/O和時脈處於正常工作狀態。當元件進入Flash*Freeze模式時，元件 將自動切斷時脈以及到FPGA核心的輸入；當元件退出Flash*Freeze模式時，所有活動都將恢復，數據也能保留。這種低功耗特性加上可編程、單晶 片、單電壓和小尺寸特性，使其相當適合可攜式電子產品。
有許多方法可實現可用功率的最大化，另外還有其他多種可用的低功耗模式。在元件必須保持I/O、SRAM、暫存器與邏輯功能而處於完全運 作狀態時，靜態閒置條件下的低功耗啟動功能也考量到了超低功耗特性。這將允許元件根據外部輸入來管理系統功耗(即掃描鍵盤激勵)，因此僅消耗極小的功率。 另一方面，在睡眠模式下，當FPGA核心電壓切斷時，更大的元件可實現更多功耗節省。這種基於快閃記憶體方案的上電可用特性，能將系統從睡眠模式迅速喚 醒。
此外，像數位相機、智慧手機和MP3播放器等手持設備通常採用高階嵌入式處理器。這些嵌入式處理器需要與一個或數個常用的儲存介面共同運 作，如IDE、CE-ATA、SDIO或CF。因此需要有效的記憶體介面管理，將這些由處理器負責的任務卸載到低功耗可編程FPGA上。這些元件可輕易管 理VLIO或AMBA匯流排與不同記憶體間的介面。
本文小結
越來越嚴格的功耗限制、規格和標準為整體系統功耗設定了侷限，系統設計師正面臨越來越多挑戰。此外，終端產品需要更多功能和更高處理能力， 這些都導致功耗的增加。基於快閃記憶體的全功能可編程FPGA正成為可攜式市場的首選解決方案。這些新出現的產品滿足可攜式市場嚴格的設計要求，如能以 ASIC的單位成本獲得低功耗、更大設計安全性、更小外形尺寸、上電即用及快速上市的優勢，成為傳統ASIC和CPLD的替代方案。
作者：
Hezi Saar
產品行銷資深經理
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Actel公司
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