6、FPGA功耗分析与动态功耗降低技术

FPGA功耗分析与动态功耗降低技术

1. 空间相关下的完整分析型FPGA功耗模型

在FPGA的功耗分析中，考虑空间相关性对于准确估计功耗至关重要。通过特定算法计算概率，所提出的功耗模型能够考虑空间相关下亚阈值泄漏功耗的状态依赖性。

1.1 栅极泄漏功耗

根据ITRS的预测，在未来的技术节点中，栅极泄漏对总功耗的贡献相较于亚阈值泄漏功耗将显著增加。与亚阈值泄漏不同，CMOS器件在导通和截止状态下都会有栅极泄漏。栅极泄漏电流的大小强烈依赖于 $V_{GS}$ 和 $V_{DS}$，较大的 $V_{GS}$ 和较小的 $V_{DS}$ 会导致更大的栅极泄漏电流。因此，未来FPGA的准确功耗模型应考虑栅极泄漏功耗的状态依赖性，包括空间相关性。

在相关研究中，通过HSpice仿真评估了FPGA中所有基本电路元件的栅极泄漏值，并将所有输入组合下的栅极泄漏电流值记录在查找表（LUT）中，以类似公式(3.22)的方式评估栅极泄漏功耗。

1.2 结果与讨论

将所提出的空间相关功耗估计方法集成到VPR CAD工具中，并进行了多项实验来评估该算法在信号概率估计方面的性能。
- 实验设置 ：使用逻辑模拟器在零延迟假设下对多个FPGA基准电路进行仿真，应用伪随机输入向量并记录电路内部节点的信号概率。输入向量长度为105，已证明该长度导致的误差较小。
- 评估指标 ：使用信号切换活动的平均相对误差、最大相对误差和最小相对误差来量化算法的准确性。
- 平均相对误差公式：$e = \frac{1}{# signals} \sum_{sign