車(chē)用FPGA解決方案

分析家估計，汽車(chē)遠程通信業(yè)務(wù)和硬件的總收益將于未來(lái)五年內超越200億美元，而電子元件供應商正積極投資開(kāi)發(fā)這個(gè)新興而迅速擴張的市場(chǎng)?？傮w來(lái)說(shuō)，汽車(chē)電子有望成為半導體行業(yè)的一個(gè)亮點(diǎn)，帶領(lǐng)整個(gè)行業(yè)走出谷底。想想今天在路上行駛的汽車(chē)總數，就知道汽車(chē)電子的市場(chǎng)發(fā)展潛力實(shí)在驚人，新一代的汽車(chē)電子器件還有龐大的發(fā)展空間。隨著(zhù)汽車(chē)制造商集成各種新穎的乘客安全、舒適、信息和遠程信息處理設備，元器件供應商正將業(yè)界的設計挑戰轉化為獲得可觀(guān)收益的良機。 
FPGA的優(yōu)勢和汽車(chē)電子的主流需求開(kāi)始出現吻合，使設計人員可使用FPGA提供靈活的解決方案，滿(mǎn)足消費者對最新汽車(chē)電子功能各方面的需求，包括安全性、乘客舒適性、信息和遠程信息處理等。 

汽車(chē)電子工程師傳統上利用微控制器、定制ASIC和體積龐大的電線(xiàn)束來(lái)引進(jìn)和控制電子系統，并隨著(zhù)汽車(chē)的更新?lián)Q代而擴展功能。但是，隨著(zhù)元件數量不斷增多（三年前一輛普通汽車(chē)大約使用20個(gè)微控制器，現在則需要40至60個(gè)）、上市時(shí)間壓力日益增大，加上性能要求不斷提升，在在都正促使新型技術(shù)的出現。


用戶(hù)可定制邏輯器件是理想的解決方案

舉例說(shuō)，許多汽車(chē)設計人員正考慮利用駕駛室內網(wǎng)絡(luò )系統，實(shí)現更有效的車(chē)載通信和控制功能管理。然而，將駕駛室內電子系統轉移到公共汽車(chē)上，意味著(zhù)需要面對層出不窮和不斷改變的新興標準。FPGA是靈活的低成本解決方案，可用于元件之間的橋接，或者用作各種定制功能的粘合邏輯器件。由于FPGA是標準產(chǎn)品，可編程邏輯器件還可免除了困擾大多數專(zhuān)用定制電路的報廢問(wèn)題。

對于FPGA等用戶(hù)定制邏輯器件來(lái)說(shuō)，增長(cháng)最快的應用領(lǐng)域之一就是作為標準化開(kāi)發(fā)平臺，可進(jìn)行擴展以滿(mǎn)足不同客戶(hù)的要求。這使到FPGA成為加速產(chǎn)品上市的重要工具。而采用相同元件的系統可為每位購買(mǎi)汽車(chē)的客戶(hù)提供多種功能選項。

利用相同的FPGA構建應用，可以方便地啟動(dòng)或不啟動(dòng)某些功能，FPGA更可進(jìn)行編程，以便啟動(dòng)或不啟動(dòng)一連串功能中的任何一項。 

然而，使用FPGA技術(shù)非常重要，因其應該具有防止外界竄改的免疫能力，能阻止汽車(chē)售后遭到黑客攻擊，試圖啟動(dòng)某些應當處于休眠狀態(tài)的功能。


防竄改技術(shù)

汽車(chē)黑客往往通過(guò)"調整"各種汽車(chē)電子產(chǎn)品來(lái)提升汽車(chē)的性能，此舉常會(huì )破壞地區或國家的安全和環(huán)保標準。這些未經(jīng)批準的服務(wù)經(jīng)由多種途徑提供，因而很難控制。很多黑客通過(guò)更改各種車(chē)載系統元件的常規設置標準，修改燃料的輸送、電子點(diǎn)火時(shí)間以及其它控制功能，以增強汽車(chē)的性能。這些變化通常會(huì )造成汽車(chē)在違反制造商的使用和保修規定的情況下行駛。而且，狡猾的黑客更可提供選項重置有關(guān)的原廠(chǎng)設定，然后將損壞及超標使用的汽車(chē)還原至符合制造商的保修條件，以期獲得違規的保修服務(wù)。

FPGA的安全威脅也是遠程信息處理系統設計人員特別關(guān)心的問(wèn)題，因為這些系統會(huì )用作收費服務(wù)產(chǎn)品的授權機制，如衛星通信和定位服務(wù)。如果管理網(wǎng)關(guān)訪(fǎng)問(wèn)控制和用戶(hù)身份鑒定的系統存在安全隱憂(yōu)，就會(huì )成為昂貴的人造衛星網(wǎng)絡(luò )或其它貴重無(wú)線(xiàn)基礎設施的巨大安全漏洞。當低成本的應用受到高智能的攻擊，便有可能導致整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )損毀。更重要的是，按使用量付費系統的收入模式將會(huì )完全失效，使企業(yè)的營(yíng)收下降甚至破產(chǎn)。 

顯然，選擇FPGA技術(shù)對于防止入侵竄改的系統安全性是極為重要的。FPGA解決方案范圍廣泛，從非常安全的非揮發(fā)性Flash和反熔絲架構，到需要上電配置的不安全揮發(fā)性SRAM產(chǎn)品。業(yè)界專(zhuān)家普遍認為反熔絲是現有最安全的FPGA架構。

反熔絲FPGA難以被侵入有幾個(gè)原因。攻擊反熔絲FPGA需要確定任何特定熔絲的狀態(tài)，但是由于熔絲的尺寸微小且數量驚人，因此幾乎不可能確定每個(gè)熔絲的位置和編程狀態(tài)。例如，Actel的新型200萬(wàn)門(mén)AX2000反熔絲FPGA約包含5,300萬(wàn)個(gè)反熔絲，而每項設計平均僅使用當中的2-5％。加上評估每個(gè)熔絲的探測操作很可能會(huì )破壞追蹤設計所需的編程狀態(tài)。這意味著(zhù)一旦完成反熔絲FPGA的編程，他人便無(wú)法讀回其中的設計內容，或者改變任何編程狀態(tài)來(lái)"調整"功能，更不可能改變重要的引擎控制系統。


 

可靠性因素

由于成本壓力，汽車(chē)電子產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)一直使用與其他商業(yè)產(chǎn)品相同的材料、封裝和裝配技術(shù)，這迫使許多半導體供應商限定商業(yè)平臺的標準，以便在更富挑戰性的環(huán)境中使用。汽車(chē)電子產(chǎn)品要求的環(huán)境溫度范圍為 -40℃到 +125℃，這遠遠超出了許多供應商所規定的標準商用和工業(yè)溫度范圍。但Actel等FPGA供應商，針對高可靠性的應用如商用航空以至軍用系統生產(chǎn)適合的器件，將有能力為客戶(hù)提供在特殊環(huán)境下保持高可靠性和安全性的FPGA產(chǎn)品。

溫度是影響電子器件可靠性的一個(gè)主導因素。由于器件、封裝和電路板均有可能發(fā)生故障，所以為汽車(chē)電子系統的各個(gè)層面預留余地是很重要的。FPGA供應商如Actel的產(chǎn)品特點(diǎn)是具有寬廣的軍用溫度范圍，能夠更好地處理熱膨脹系數，避免熱應力的影響。另外，溫度循環(huán)變化會(huì )引起焊接點(diǎn)的低循環(huán)疲勞，經(jīng)過(guò)一定次數的溫度循環(huán)后，器件表面會(huì )出現裂縫，裂縫隨后會(huì )不斷擴大至完全分裂。確保車(chē)用FPGA能夠在行業(yè)最高的結點(diǎn)溫度下正常工作，這是將功能退化和失效的風(fēng)險減至最少的另一種方法。

另一個(gè)影響可靠性的因素是中子轟擊引起的邏輯混亂，這問(wèn)題過(guò)去只出現在高空應用中，但是由于半導體制造工藝日益縮小，地面使用的電子器件也越來(lái)越容易發(fā)生邏輯混亂。如果SRAM結構FPGA的一個(gè)單元發(fā)生混亂，就可能導致FPGA丟失配置信息。這個(gè)情況發(fā)生可能會(huì )使到主機系統發(fā)生故障。輻射測試數據顯示，Actel以反熔絲和Flash為基礎FPGA不會(huì )因中子引起的邏輯混亂而丟失配置信息，故非常適合要求高可靠性的應用。


目標解決方案

為了滿(mǎn)足汽車(chē)電子市場(chǎng)的需求，Actel已研制出三種優(yōu)異的FPGA產(chǎn)品線(xiàn)，基于A(yíng)ctel專(zhuān)有的反熔絲技術(shù)。這些新型車(chē)用產(chǎn)品系列是集成多種通常需要使用多個(gè)CPLD、PAL和FPGA來(lái)實(shí)現的邏輯功能的理想器件，并齊備多種器件密度、工作電壓和功能，能快速開(kāi)發(fā)具成本效益的產(chǎn)品。這類(lèi)器件所提供解決方案的系統門(mén)數由3,000至100,000個(gè)不等，全部都經(jīng)驗證，能在業(yè)內最高結點(diǎn)溫度（+150℃）(環(huán)境溫度為－40℃到+125℃) 下正常工作。

Actel的反熔絲FPGA具有非揮發(fā)性的特點(diǎn)，能夠無(wú)限地保存所配置信息而無(wú)需外部存儲器。省去保存配置數據的外部存儲器，即可省去PROM或微處理器以及相關(guān)的電路板空間。Actel反熔絲技術(shù)的另一特點(diǎn)在于其固有的低功耗特性。反熔絲的阻抗很低，無(wú)需使用有源電路來(lái)保持電荷，因而可減少電路的發(fā)熱及電源設計問(wèn)題。