2009CMET演讲稿整理之五
2009-04-24 13:25
超低功耗 Flash FPGA 在便携式医疗设备上的应用 ——Actel技术支持/培训经理 戴梦麟 戴梦麟先生于2000年10月加入Actel担任应用工程师，到现在位置已经在Actel服务超过8年。此前，原任香港通讯科技中心研发经理，负责ASIC设计部门，有超过10年丰富的ASIC设计经验，持有香港城市大学的电子工程学士和计算机硕士学位。 戴梦麟：
大家好！今天我介绍的低功耗Flash FPGA在便携式医疗设备上的应用，如果大家设计便携式的产品，有两个需求一个是低功耗第二是高可靠性，低功耗是减少电池寿命，缩小体积，医疗设备高可靠性非常重要，其中在带辐射的环境里面可以避免错误。从两个需求方面，我们看到Flash工艺的FPGA可以满足这两个要求，所以Flash工艺的FPGA有几个固有的优势，一个是低功耗，一个就是网上运行，另外一个是单芯片的关系，降低总体成本，还有固有的安全优势，后面会简单介绍，另外一个是可靠性的优势。 ·录入时间: 2009-4-22 14:56:09
戴梦麟：
大家使用FPGA，在医疗设备里面做持续控制，或者做周边的交割逻辑。Actel公司的Flash工艺里面，比较流行的在市场上面是SRAM的工艺，主流还是SRAM，在主流的背后其实SRAM的工艺有较多的限制和缺点，特别在低功耗部分。在这个图上看到SRAM的元件开关，开和关状态组合不同的逻辑模块。SRAM的开关有六个晶体管组成，其中红色部分是电漏掉可能的途径，由于是比较复杂的开关，漏电的路径相对比较多。一个大模数的FPGA有上百万个，可想而知漏电多严重。 ·录入时间: 2009-4-22 14:56:30
戴梦麟：
反过来看到真正Flash工艺的FPGA，只Flash晶体管就是右边这个，本身复杂了记住开关状态和开关导通的状态，意思就是说，没必要用另外一个寄存器寄存状态，而SRAM需要记录进去，散热不是马上可以进行。Flash工艺的FPGA里面晶体管的电流可以忽略不计，这也是为什么功耗这么低的原因，利用Flash晶体管作为一个平台，Actel有四个Flash低功耗的产品系列，最重要一个IGOO平台；还有IGLOO平台；另外叫做ProActel3L，性能比IGOOL系列快；还有一个是ProActel3，只不过我们在这个方面扩充变成有以上三个产品的功能。 ·录入时间: 2009-4-22 14:57:13
·录入时间: 2009-4-22 15:01:57
戴梦麟：
针对这个应用，可以覆盖所有的应用，最低电流功耗是5uW应用，在IGLOO提供小封装让客户选择，在I/O扩充数量。我们还有Nano系列，最低功耗达到2.5uW，比IGLOO更低。有IGLOO的特性，也有ProActel3的特性。另外一个特点，针对两个不同的核电压，对电池操作的的设备，电压非常合适了。另外，也可以支持单电压的工作，就是说如果I/O接上1.2V或者1.5V，就是有系统，最大的容量达到500K。Flash FPGA另外一个优点可以重复编程，内容可以随时修改。在IGLOO里面实现低功耗的手段有一个冻结的功能，我们叫Flash Freeze，通过Flash Freeze是冻结的广角，变成低电频的时候，整个模式可以变成低功耗的模式，达到最低能耗的方式把它关掉，这样做会带来负面的影响，就是里面的内容全部消失。在Flash Freeze模式，可以达到关掉电源一模一样的功耗优势，而且寄存器的优势可以保持，意味着时候器件可以继续工作，不需要寄存器的内容打到外部的设计器里面，可以实现快速的启动，另外数据导入导出的损失。 ·录入时间: 2009-4-22 15:08:31
戴梦麟：
如果比较功耗，我们一直说低功耗，相对其他的可变逻辑，功耗相对在什么样的平台上面，我们拿市场上和我们最接近的参加，是OTB，就是一次性编成，也就是架构的FPGA，是我们最接近的配套。在1.8V操作电压的时候，电流是10uA，总功耗是18uW，跟我们说的差10倍。和一般的CPLD差得更远了，里面用Flash，架构和FPGA有较大的差别，最低的功耗有30uW。刚才TI公司说过，功耗不能单方面看，说功耗低到底哪方面的功耗，有些是静态功耗，有些是动态功耗，功耗分成几个方面看，大家用手机，手机不工作的时候进入待机、睡眠模式，就是设备不工作的准备下所耗的能耗。便携式设备里面，大部分设备处于处于状态，在休眠时间最长，我们关注静态功耗占的比例。另外还有配置电流，什么意思？散电的时候有配置的过程，相对来说静态功耗非常大。 ·录入时间: 2009-4-22 15:10:04
戴梦麟：
另外就是一个动态功耗，比方说设备在高温环境里面工作，还是低温、实温里面工作，不同的地区北方温度比较低，这时候低温或者室温所占的电流高得多。静态也分室温还是高度，大家要注意，不同的厂家把好的一面给客户去看，如果你打开客户手册及静态功耗是100uA，有没有注明在什么状态下量出来的，比如是高温还是低温，可以告诉大家不同的温度是呈现几何级增加的。对Flash FPGA来说，配置这个部分的功耗没有的，因为我们没有这个过程。好像刚才说，除了Flash模式以外，用Flash FPGA可以减少这个模式，比如睡眠模式，可以把核电压关掉，以此减少功耗。另外通过电压的电源控制器，把核电压关掉，这时候理论上功耗上是零，但要考虑怎么恢复。如果处于这个开关，比如关闭模式的情况下，如果是FPGA，配置电流的幅度很大，而且还有一点，有一个电流，没有配置之前电流非常大。基本上是百毫安级。设备一般正常工作的时候内功耗不是很大，但经常开关的话，电池容易消耗。 ·录入时间: 2009-4-22 15:12:27
戴梦麟：
这是图形的比较，厂家号称他们的FPGA加一个配置芯片，以为是同一个芯片，实际上本质上来说还是SRAM FPGA里面，相对其他来说，确实要差很多。在设计里面举一个例子，如果做了1000个I/O的设计，另外IGLOO系列FPGA，实际上就是IGLOO，只不过有一个热交换。IGLOO最小的器件是30K、60K、125K系统门。现在重点刚推出一个新产品，叫Nano，有三个至四个成员，量大是1美元以下，如果手持应用，我们也提供选项，这样封装更小。我们同样做功耗的比较，用IGLOO的Nano和其他厂家的产品做比较，功耗低至2uW，比竞争器件功耗低25倍。同样，我们提供大量小尺寸的封装，最小是3?mm，其他小占位面积封装包括4?mm，5?mm等。超广工作温度，Nano FPGAs延伸商业级温度范围至-20℃to70℃，当然，也支持工业基温度范围器件，针对低成本的，量大，需要在北方气候条件下应用的消费电子市场。 ·录入时间: 2009-4-22 15:17:32
戴梦麟：
ProASIC3L针对性能比较高，功耗比较低的平衡点产品，同样支持Flash功能，跟IGLOO一样，相对ProASIC3L没有功能的系列，我们静态功耗节省90%，静态功耗节省40%，同时支持1.2V和1.5V的工作电压。ProASIC3L系列比较少，只有4个，大家在下面可以看到ME开头的，这是什么意思呢？ProASIC3L器件可以整合Actel的CPU，这是16位的处理器我们得到了授权，可以带M1开头系列处理器，而且是免费的，因为Actel的公司是开放架构，在市场上很多公司都有相关的产品。意思就是说把MR内核在这里实现，所有市场上的开发工具可以使用在上面，无须修改，最重要它是免费的。 ·录入时间: 2009-4-22 15:18:14
戴梦麟：
在这里做一个比较，就是不同的我们叫功耗模式底下，Nano、IGLOO和ProASIC3L的功耗比较，所有的电源都开到了都正常反转，这时候一般电流以IGLOO的Nona，功耗是12的uA，到底是多少要看频率。另外静态有两种方式，一个是通过Flash FPGA来实现，一个是闲置模式，就是把时钟停掉，这是节省功耗的简单方法。通过Flash FPGA实现，电流是5uA，一般停掉时钟是12uA，可以省电超过2倍以上。还有把核电压关掉，这时候当然是0uA或2uA，这里面面临一个问题，就是面临电容恢复的问题。 ·录入时间: 2009-4-22 15:21:48
戴梦麟：
谈了这么久功耗，还有一个大家比较关心的是高可靠性。高可靠性在医疗设备里面，最主要是面对辐射，其实不光是医疗设备，很多不同的电子产品都要面对这个问题，这个问题是怎么产生的？其实有很多原因会产生可靠性方面问题。特别是辐射，辐射有很多种有些离子，有些是EMIMG，就是电子波的干扰。最重要的是属于宗子类的干扰，因为宗子是体积最小的离子，可以穿透很小的布景和整个地球，也就是说不能用屏蔽的方式解决宗子的影响，所以我们解决宗子干扰的意义比其他辐射干扰来得大，我们每天都接受来自宇宙和太阳的宗子辐射，这是SRAM有电流作用，有一个带电的尾巴，就是电化。 ·录入时间: 2009-4-22 15:23:46
戴梦麟：
如果晶体管导通，因为电流的作用把晶体管关掉，也就是说原来是0可能变成1，原来是1和平变成0，这是状态的翻转。我们分为软错误和固错误，软错误是由高能粒子引起的内存翻转，但不会导致物理算坏。固错误是由高能粒子冲击FPGA内的配置内存引起，里面有6个晶体管，其中一个状态翻转以后，开关状态就错了，需要通过外部的方式定期检查它有没有毛病，如果有毛病也没办法，错误一直保持直被清除为止。通过逻辑连到另外一个单元，另外一个是SRAM，就是逻辑的核心，另外是快RAM，处在快RAM内的数据有瞬态错误，固错误对SRAM FPGA的布线有严重的影响。比如RAM的开关，右边是1，左边是0，经过选择性，最后出来的是三输入的或门，经过逻辑简化以后，我们发现出来的结果是输出接到VCC，逻辑跟原来完全不一样。这还不算严重，严重如果错误出在I/O上面，有一个输入广角由外部器件启动，如果发生在广角的方向，两个器件产生冲突，就会发生短路的情况，这不是逻辑错误，可能会导致板极的烧毁。 ·录入时间: 2009-4-22 15:23:57
戴梦麟：
在以前5年前、或者十年前这个逻辑没有人关注，因为功率比较大，一个微米宗子不会导致反转，一个硅片上面受到影响的晶体管数量几率比较低，现在迈向45纳米的工艺，差不多是这个位置，一个冲值下来这么一个影响，现在产生的几率差不多有2000多倍。大家会发现，原来做的设计为什么工作一段时间，关闭以后再恢复没有问题。当然可能性有多方面，一个是持续比较简单。 ·录入时间: 2009-4-22 15:26:51
戴梦麟：
对于Flash工艺来说，它是对固错误有免疫性，因为Flash晶体管不会随意翻转，有瞬态翻转，但瞬态过了以后会恢复生产。另一方面，除了器件本身以外，我们也配合用软件，通过功耗驱动的布线，使得器件功耗进一步节省，也就是说设计无须做出任何修改，通过软件就已经可以把功耗降低，我们做的实验可以达到30%，就是不需要任何设计可以省掉30%的功耗。我们的工具也可以不同情况的功耗分析，比如百分之多少时间在关机，百分之多少时间在功耗。 ·录入时间: 2009-4-22 15:27:13
戴梦麟：
对于Flash工艺来说，它是对固错误有免疫性，因为Flash晶体管不会随意翻转，有瞬态翻转，但瞬态过了以后会恢复生产。另一方面，除了器件本身以外，我们也配合用软件，通过功耗驱动的布线，使得器件功耗进一步节省，也就是说设计无须做出任何修改，通过软件就已经可以把功耗降低，我们做的实验可以达到30%，就是不需要任何设计可以省掉30%的功耗。我们的工具也可以不同情况的功耗分析，比如百分之多少时间在关机，百分之多少时间在功耗。 ·
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