核心提示：從工藝選擇到設計直至投產，設計人員關注的重點是以盡可能低的功耗獲得最佳性能。Altera在功耗和性能上的不斷創新，那其28nm高端FPGA如何實現功耗和性能的平衡？具體有何優勢？

　　從工藝選擇到設計直至投產，設計人員關注的重點是以盡可能低的功耗獲得最佳性能。利用Altera在功耗和性能上的不斷創新，設計人員能夠為他們的最終客戶開發獨具優勢的高性能系統。特別是與其他高端FPGA相比，Altera的28nm高端FPGA功耗降低了15%，而性能卻提高了1 個速率等級，更具有功耗優勢。

　　Altera認識到，滿足所有需求的方法并不適用于28nm節點。設計人員在其目標應用中需要合適的器件，因此，Altera為其高端FPGA選擇了臺積電公司（TSMC）的28nm高性能（28HP）工藝，在低成本和中端系列中采用了28nm低功耗（28LP）工藝。

　　為其Stratix V FPGA選擇了28HP工藝之后，Altera做出了幾項開發選擇以降低器件功耗。本文將介紹從工藝選擇到工具以及建模的步驟，保證了在很有競爭力的電源布局下支持實現高性能。設計人員擁有合適的器件和工具，就能夠以很低的功耗實現高性能，對設計進行較為精確的早期功耗估算。

　　功耗和性能考慮

　　定義28nm高端器件的結構時，需要作出很多決定（參考表1），以盡可能低的功耗實現最佳性能。

　　表1 功耗和性能考慮

　　以低功耗實現高性能的結構

　　在過去幾年中，低功耗技術越來越重要，在結構規劃階段就開始考慮降低功耗。Altera以前不斷降低功耗的創新是可編程功耗技術及更多地使用了嵌入式硬核知識產權（IP）。在28nm節點，以低功耗實現高性能的新方法包括對于不使用的模塊關斷SRAM、低電壓（0.85 V）結構以及部分重新配置功能等。

　　使用合適的工藝

　　工藝選擇是Altera 28nm器件系列的關鍵考慮。如前所述，目標是幫助設計人員針對特定的目標市場和應用來定制功耗。在28nm系列產品上采用兩種不同的半導體工藝，與前一代同類產品相比，Altera的28nm FPGA功耗降低了40%。

　　圖1顯示了TSMC提供的三種28nm工藝選擇。在這些工藝中，大量晶體管具有較大的靜態功耗范圍。左側的晶體管靜態功耗較低，而右側的較大。這也體現了靜態功耗與這些晶體管性能之間的關系。總體上，晶體管性能越好，靜態功耗也就越高。

　　圖1 TSMC 28nm工藝選擇

　　據TSMC資料，28HP工藝是使用高k金屬門（HKMG）工藝技術的首選。28HP工藝具有優異的速度和性能，主要面向CPU、GPU、FPGA、PC、網絡和消費類電子應用。在同樣的漏電/電路門條件下，28HP工藝比40G工藝的速度提高了45%。

　　Altera選擇TSMC 28HP HKMG工藝，借助與TSMC長達20年的合作關系，優化了Stratix V FPGA低功耗工藝。表2詳細介紹了Altera使用高性能工藝降低功耗的步驟。

　　表2 28HP工藝技術降低了功耗，提高了性能

　　說明：（1）專門提供僅供Altera 使用的工藝。

　　大部分TSMC客戶必須使用標準工藝，而Altera與TSMC近20年的密切協作使得兩家公司能夠一起工作開發實現Altera的專用功能。對于28HP工藝，Altera采用可編程功耗技術，聯合開發了定制低漏電晶體管和減小了器件體漏電。這兩項功能與高性能晶體管相結合，可以調整每一設計模塊，以盡可能低的功耗實現最合適的性能。

　　在28nm時代，Altera繼續采用以前Altera獲得專利的創新可編程功耗技術，不需要更多的FPGA設計投入，降低了靜態功耗。 Altera的Quartus II開發軟件在時間關鍵通路上應用可選的反向偏壓，調整邏輯電壓閾值，在需要的地方實現高性能，同時降低了所有其他邏輯的靜態功耗。這種可調整能力保證了 Stratix V FPGA設計人員降低了整個設計的靜態功耗，同時實現了高性能。