FPGA在車(chē)電設備中發(fā)揮可靠效能

過(guò)去一般汽車(chē)電子工程師大都采用微處理器（微控制器）、ASIC及復雜度高的車(chē)用線(xiàn)束作為車(chē)上電子控制系統之用，因此設計人員必須在車(chē)上內外部結構的設計階段，需考慮元件選擇性、設備可靠度及系統匹配性…等問(wèn)題。而正當下一代汽車(chē)電子與汽車(chē)工業(yè)面臨到改朝換代之際，迫使過(guò)去在車(chē)內所應用到的傳統式解決方案的發(fā)展受到了技術(shù)瓶頸與應用的局限，使得整個(gè)汽車(chē)工業(yè)面臨更嚴苛的設計挑戰。

因此，許多汽車(chē)電子產(chǎn)品設計工程師開(kāi)始轉向現場(chǎng)可程序化邏輯閘陣列（Field-Programmable Gate Array；FPGA），以解決現代汽車(chē)及電子設備所新的衍生性問(wèn)題，這其中包括解決汽車(chē)在市場(chǎng)中準確地推出的時(shí)間壓力之余，還必須在單一硬件達到元件數量標準化之目標，使汽車(chē)產(chǎn)業(yè)能持續對于安全需求。

針對目前許多特殊應用場(chǎng)合，例如：手持精密設備、攜帶式測試設備，以及汽車(chē)工業(yè)、航空電子，都需運行在工業(yè)溫度標準范圍；另外，除了超低功耗之外，還兼具微型封裝、上電即時(shí)可用和針對逆向工程和IP竊取的安全保護。

一、現在、未來(lái)FPGA在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)擁有致命吸引力

當FPGA在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)逐漸獲得應用之后，所產(chǎn)生優(yōu)勢便與車(chē)用電子在主流應用需求達到相互吻合，使設計人員可運用FPGA提供較為靈活性的解決方案，用來(lái)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、信息和遠端信息處理等。這也是汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)主要背后推動(dòng)力，如：可靠度、耐久度、安全性…等汽車(chē)專(zhuān)有的標準規范可得知；當汽車(chē)電子設備逐漸轉為開(kāi)發(fā)速度更快、低價(jià)、安全的車(chē)用電子設備產(chǎn)品需求，其發(fā)展趨勢已無(wú)法抑制，才能使車(chē)用電子設備廠(chǎng)所設計的產(chǎn)品能在競爭廠(chǎng)商之前，就能將其產(chǎn)品推入汽車(chē)市場(chǎng)中。

一般來(lái)說(shuō)，所有電子產(chǎn)品最初設計目標在于，使原本初期階段的抽象設計能夠達到實(shí)際設計目標，才能更迅速地合成復雜的設計，并在最短的時(shí)間內完成設計。而為追求更符合汽車(chē)廠(chǎng)所要求的車(chē)用電子產(chǎn)品設計，使設計人員除了設計出更新的開(kāi)發(fā)工具之外，在優(yōu)化即時(shí)FPGA技術(shù)部份也必須有所加強。因此，當在車(chē)用電子設備還處于研發(fā)階段的設計初期時(shí)，具有高效能的安全性設計及產(chǎn)品設備開(kāi)發(fā)周期便成為市場(chǎng)中的一項優(yōu)勢，而藉由FPGA應用在車(chē)用電子設備及系統中，將可進(jìn)一步體現出汽車(chē)電子完整新面貌。

隨著(zhù)車(chē)用FPGA設計完善度提高，使得內部設計復雜度也持續增長(cháng)，使得FPGA技術(shù)應用在車(chē)用電子設備中的普及率大為提升。換句話(huà)說(shuō)，當車(chē)上電子技術(shù)持續進(jìn)步之后，其主要目標就是設備的功能增加，或者提高性能目標等因素。因此，即便車(chē)用FPGA技術(shù)只是在不久前才興起，卻以十分快的速度在車(chē)用電子系統設備中持續發(fā)展，借以實(shí)現許多車(chē)用系統中的多項主要研發(fā)階段所必須兼備的功能。甚至在今日今時(shí)，我們可以說(shuō)：FPGA技術(shù)對于整個(gè)汽車(chē)工業(yè)（汽車(chē)電子），來(lái)說(shuō)，將擁有令人無(wú)法抵擋的吸引力。

二、FPGA深入汽車(chē)電子設計與應用范疇

在過(guò)去汽車(chē)工業(yè)發(fā)展歷史中，可以看到汽車(chē)廠(chǎng)商或一般汽車(chē)消費大眾都習慣于長(cháng)時(shí)間的汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)日程。不過(guò)，當汽車(chē)產(chǎn)業(yè)競爭逐漸呈現白熱化趨勢，使得大部分汽車(chē)制造商現正努力能夠在最短開(kāi)發(fā)周期內，設計開(kāi)發(fā)出消費者所需的電子設備產(chǎn)品，并將其附加功能裝置于新一代汽車(chē)上。比方說(shuō)，車(chē)載用GPS導航設備或者DVD多媒體影音播放等電子系統設備，使用壽命無(wú)法與汽車(chē)本身相抗衡；因此，諸如此類(lèi)的電子設備推入市場(chǎng)速度快慢就顯得非常重要。其主要癥結在于，這些娛樂(lè )及遠端信息處理系統產(chǎn)品與傳統汽車(chē)銷(xiāo)售手法及應用方式有很大差異，包括：生產(chǎn)規模、上市壓力及消費市場(chǎng)差異性…等，若運用ASIC開(kāi)發(fā)技術(shù)將使得研發(fā)日程延長(cháng)至少超過(guò)200天以上，不僅使成本大幅提升，也將影響到主要元件成本支出及市場(chǎng)風(fēng)險。

除了以上之外，由于現今汽車(chē)工業(yè)中導入許多技術(shù)應用與標準驗證，雖然傳統所使用ASIC技術(shù)在大批量生產(chǎn)制造有其低成本優(yōu)勢，不過(guò)較昂貴NRE成本，加上ASIC橋接時(shí)的不靈活性，使得原本ASIC在應用上已無(wú)法完整地滿(mǎn)足車(chē)用電子系統靈活設計概念，甚至在資源浪費及延宕開(kāi)發(fā)時(shí)程等應用風(fēng)險。另一方面，目前消費者對于電子設備的要求就是能依個(gè)人需求設計不同的功能選擇；因此，汽車(chē)制造商就必須要以設計出完整元件的組合為主要研發(fā)基礎，再依據消費者不同需求進(jìn)行配置。

      FPGA具有硬件升級特性可確保車(chē)用電子的設備能具有較長(cháng)的使用壽命，因而成為可程序解決方案的一個(gè)關(guān)鍵特性。此外，可升級性還有助于網(wǎng)絡(luò )設備的追蹤標準和協(xié)議的持續變化，因此可輕松達到硬件升級動(dòng)作。

這些努力都是為了快速實(shí)現車(chē)上電子設備達到高度集成化及持續進(jìn)化系統基礎，使車(chē)用電子設備能夠快速推出汽車(chē)市場(chǎng)中，FPGA技術(shù)都將扮演極為重要角色。在應用上，可運用FPGA內在的靈活性和可程序化重復編輯能力，就能在單一平臺上實(shí)現不同汽車(chē)匯流排標準及微處理器、微控制器界面橋接動(dòng)作，大幅降低橋接工作，可為車(chē)用電子設備帶來(lái)了最重要的靈活性運用。而在設計上，透過(guò)可現場(chǎng)程序化編輯及重新配置，FPGA不需要另外在付出龐大工程成本，就能達到系統硬件升級要求，避免昂貴維修費用及零組元件更換等繁瑣動(dòng)作，或者某些FPGA供應商還提供封裝兼容情況下的密度升級能力，即在原來(lái)的PCB設計不變的情況下提供更大量的邏輯容量，從而在系統要求出現劇烈變化之際，延長(cháng)車(chē)用電子設備運用平臺使用壽命。

因此，不論是從汽車(chē)開(kāi)發(fā)設計端、驗證規范、生產(chǎn)制造到售后服務(wù)等不同角度來(lái)加以分析，其實(shí)都不難發(fā)現FPGA現已深入應用在汽車(chē)電子范疇中，并可以直接或間接方式降低車(chē)用電子元件總體解決方案成本。

三、評估FPGA元件技術(shù)在車(chē)上電子系統應用

在2005年，在美國曾有大學(xué)研究單位針對車(chē)上超過(guò)390種不同設計規格進(jìn)行調查，其結果顯示使用ASIC SOC設計方式，平均約需要14至24個(gè)月研發(fā)時(shí)間；而FPGA設計卻只需要6至12個(gè)月開(kāi)發(fā)時(shí)程。兩者平均相差55％研發(fā)時(shí)間，除了使開(kāi)發(fā)業(yè)者能快速且兼具時(shí)效性上市時(shí)間，同時(shí)也大幅減少工程師人力成本及資源耗用。

而發(fā)展至今，車(chē)用電子產(chǎn)品在設計上逐漸有快速、低價(jià)格、大量生產(chǎn)制造等發(fā)展之勢，還必須要能在車(chē)上多變環(huán)境中保持高可靠性及耐久性；從這個(gè)角度來(lái)看車(chē)用電子系統如何在快速發(fā)展及競爭激烈市場(chǎng)，還能將汽車(chē)安全設計列入評估設計中。

另一方面，由于汽車(chē)廠(chǎng)對于汽車(chē)內裝空間大小越來(lái)越重視；因此，在小型單芯片解決方案中，可邏輯兼具許多不同附加功能能力，也是吸引廠(chǎng)商現今會(huì )全力導入主因。最主要是因為單芯片可程序化編輯系統芯片在整合度上已達到全新標準，不僅能在電子系統中執行系統管理功能，在與現行應用比較，可程序化編輯系統芯片除了減少成本之外，也可將空間使用減少至50％以上。

四、必須開(kāi)始面對汽車(chē)工業(yè)在設計效率的嚴苛挑戰

當所有電子元件對于可靠性越來(lái)越要求之后，對于環(huán)境溫度應對能力便成為主要關(guān)鍵。而就理論上而言，幾乎所有電子產(chǎn)品在使用的過(guò)程中，不論是受到環(huán)境溫度或自己本身產(chǎn)生熱源等問(wèn)題，其元件多少都會(huì )出現熱漲冷縮現象。對此，應用于多變環(huán)境中的車(chē)用電子設備及其元件更是尤其重要。

不過(guò)，由于設計人力與成本壓力之下，使得車(chē)用電子的設計、生產(chǎn)方式，包括：使用材料、封裝技術(shù)與裝配方式，必須要與其它類(lèi)型設備共同使用相同性質(zhì)的設計標準平臺，因而無(wú)法確實(shí)達到汽車(chē)廠(chǎng)商對于車(chē)用電子產(chǎn)品所提出規范需求，這也是長(cháng)久以來(lái)，商用與汽車(chē)工業(yè)兩者規范產(chǎn)生差異最主要原因。

以汽車(chē)元件對于環(huán)境溫度規范為例，其基本要求必須具備-40℃125℃寬溫范圍，這是因為”溫度」是左右電子元件性能與可靠性一項重要因素，一旦無(wú)法滿(mǎn)足規范，其電子設備中的元件、封裝、電路板都將因此而產(chǎn)生故障。其次，針對車(chē)用電子設備元件所產(chǎn)生熱膨脹系數處理，在系統架構設計上，首先必須要避免元件對于熱應力影響，這是因為溫度高、低循環(huán)變化會(huì )引起焊接點(diǎn)在高、低溫度循環(huán)疲勞，再經(jīng)過(guò)一定次數重覆性溫度循環(huán)之后，容易導致電子元件表面會(huì )出現故障問(wèn)題。

因此，當設計者在選擇FPGA供應商時(shí)，就必須將高可靠性應用列入考量，才有能夠在汽車(chē)特殊使用環(huán)境下，符合汽車(chē)電子設備高可靠性及安全性FPGA產(chǎn)品，以確保FPGA能夠在系統最高結點(diǎn)溫度下還能持續動(dòng)作，這是將功能退化和失效的風(fēng)險降到最低的一項重要技術(shù)。

對于功耗極為敏感的車(chē)用電子設備應用廠(chǎng)商，現場(chǎng)可程序化編輯系統芯片提供了超低功耗睡眠狀態(tài)以及待機工作模式，其設計更專(zhuān)門(mén)針對0級LAPU系統的監管操作，如：設備系統板上電順序及配置管理。

五、符合汽車(chē)廠(chǎng)對于安全性的期望

過(guò)去，曾談過(guò)很多有關(guān)于汽車(chē)電子設備系統安全、可靠性的發(fā)生因素及因應對策，但卻極少將“人為”因素的影響納入討論范疇之中。若從元件設計層面來(lái)看，其實(shí)這都還不足以構成真正汽車(chē)安全，這是因為汽車(chē)安全、耐久度、可靠性是從最基本元件便開(kāi)始建立。換個(gè)角度來(lái)看，當FPGA元件比ASIC元件顯現出更高成本效益，及借以FPGA元件實(shí)現設計價(jià)值也不斷增加，使得FPGA元件市場(chǎng)占有率持續增加。因此，用于汽車(chē)電子設備中的FPGA元件安全性，至少要達到ASIC技術(shù)水平，甚至必須要能超越ASIC技術(shù)。

比方說(shuō)，一旦有心黑客在侵入以FPGA為主體衛星無(wú)線(xiàn)總臺接收器之后，破壞使用者身分辨識功能及系統安全機制，借以牟取免費使用服務(wù)。就像黑客入侵到收費性質(zhì)網(wǎng)站中，再破解各個(gè)收費服務(wù)控制臺機制，進(jìn)而免費使用該網(wǎng)站。從汽車(chē)制造商角度來(lái)看，除了關(guān)系到汽車(chē)防盜系統功能及車(chē)上安全系統之外，更為危險的是可能借以調整汽車(chē)原本設定產(chǎn)品性能，如：改寫(xiě)燃油輸送比例、電子點(diǎn)火時(shí)間及其它系統控制功能，將汽車(chē)性能提升到超過(guò)其標準值，將大大地影響到行車(chē)安全與環(huán)保標準。

因此，要呼應到上述安全問(wèn)題，首要條件就必須先從技術(shù)選用；以FPGA反熔絲型技術(shù)（Metal to metal）為例，由于反熔絲設計一般都采用單向功能，即便不使用鎖定裝置，其主要結構通常無(wú)法允許電子回讀動(dòng)作，因此要清楚讀取以反熔絲為基礎元件狀態(tài)相當困難，更別說(shuō)是想要更改設備編輯狀態(tài)。

另一方面，采用Flash為主要元件基礎也十分具有安全性；其基本原理與反熔絲型FPGA相類(lèi)似，利用Flash的FPGA技術(shù)以開(kāi)關(guān)作為連接或斷開(kāi)交叉金屬線(xiàn)，加上Flash的半導體層面不會(huì )發(fā)生任何物理變化，因此不可能透過(guò)非法探測來(lái)得知元件狀態(tài)。

反熔絲技術(shù)的FPGA是利用一小片面積小于1μm正方形的電介質(zhì)，作為兩個(gè)金屬線(xiàn)路之間的開(kāi)路開(kāi)關(guān)，當需要連接兩個(gè)金屬線(xiàn)路時(shí)，利用可程序化編輯脈沖來(lái)使該電介質(zhì)短路，這種短路的直徑小于100nm，從頂部是看不到這些短路電介質(zhì)。

六、未來(lái)汽車(chē)也有賽車(chē)級的規范與應用

在所以車(chē)用電子開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中，最早開(kāi)始采用FPGA設計技術(shù)便是各類(lèi)型的賽車(chē)電子控制系統應用，其中又以汽車(chē)引擎控制單元（ECU）應用最為廣泛，其主要架構就是利用FPGA特性使賽車(chē)提升引擎靈活性、駕馭性能及電子元件可靠性。因為在長(cháng)時(shí)間快速行駛，加上競爭激烈性賽車(chē)引擎控制系統，系統本身必須具備復雜調節技術(shù)、演算功能，再各為每個(gè)特定電子系統控制器單元進(jìn)行優(yōu)化動(dòng)作，用于管理賽車(chē)引擎定時(shí)功能。

目前，商用道路車(chē)輛制造商也在考慮采用FPGA所設計的汽車(chē)引擎控制單元，使一般汽車(chē)引擎也具有高度靈活運用性，不僅適用于各類(lèi)性汽車(chē)的原型制造及研發(fā)環(huán)境，還能應付各式不同的引擎設置。這對于汽車(chē)半導體廠(chǎng)家來(lái)說(shuō)，FPGA技術(shù)發(fā)展過(guò)程中必須先行深入熟悉各項技術(shù)獨特性能，而使得汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)中的設計人員從中獲得最佳利益，也不會(huì )影響汽車(chē)工業(yè)對于生產(chǎn)制造高可靠性及成本效益汽車(chē)電子零組件的美名。

Life Racing特別設計專(zhuān)用于賽車(chē)引擎電子控制單元設計－“F88”，在2003年成功應用在Superfund World Series一級方程序大賽（Formula 1）。