FPGA在汽車(chē)核心電子系統中的機遇

　　當今汽車(chē)應用中的電子應用越來(lái)越多，可說(shuō)是無(wú)處不在；最明顯的是儀表板式和車(chē)載信息通信系統或信息娛樂(lè )系統，以及諸如GPS導航和面向后排乘客配備的DVD電影設備等。而且，由于技術(shù)的進(jìn)步、強制性的排放限制和安全標準，加上駕駛者對安全性和方便性的要求提高，使得電子設備在汽車(chē)核心系統中的比例正持續增加，而半導體器件在汽車(chē)中的應用數量也一樣在增加。

　　隨著(zhù)當今的汽車(chē)核心系統越來(lái)越復雜，因此將會(huì )繼續走向電子領(lǐng)域。這些系統包括引擎控制模塊、動(dòng)力傳動(dòng)系統、變速系統、診斷和監視系統、車(chē)體控制(如電動(dòng)座椅、電動(dòng)車(chē)窗，電控門(mén)鎖)，以及安全系統 (如防抱死剎車(chē)系統、防碰撞系統、自適應巡航控制、應急響應控制、安全氣囊、后方和側面檢測雷達、胎壓監視和車(chē)道偏離預警系統)。這些功能會(huì )給駕駛者帶來(lái)額外的安全保障和舒適性，但問(wèn)題是成本如何？

　　對所有汽車(chē)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，質(zhì)量、可靠性和成本非常重要，尤其是那些應用在安全和系統關(guān)鍵子系統的半導體而言。而且，汽車(chē)設計人員還要承受龐大的壓力，以應對不斷變化的技術(shù)標準、協(xié)議和法規；并迎合汽車(chē)行業(yè)對產(chǎn)品壽命和新型號開(kāi)發(fā)周期的需要；同時(shí)還得滿(mǎn)足低成本和高產(chǎn)量的嚴格要求。這些因素再加上汽車(chē)中的部件數不斷增加、開(kāi)發(fā)時(shí)間越來(lái)越短及性能要求越來(lái)越高，使許多汽車(chē)設計人員都開(kāi)始在核心汽車(chē)系統應用領(lǐng)域中，轉向非易失性現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 技術(shù)來(lái)替代傳統所依賴(lài)的定制特定用途集成電路 (ASIC)、微控制器或特定用途標準產(chǎn)品 (ASSP)。

　　比較ASIC 和ASSP，FPGA能為設計人員提供一個(gè)靈活的平臺，更易于應對新協(xié)議和新標準，以及更重要的是新的市場(chǎng)需求。利用FPGA，設計人員可以在最后階段進(jìn)行修改。事實(shí)上，即使已經(jīng)投入使用的產(chǎn)品都可以進(jìn)行升級，且很少會(huì )導致產(chǎn)品資格認證問(wèn)題及成本增加。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期壓力越來(lái)越大、系統成本管理越來(lái)越重要的環(huán)境下，廠(chǎng)家都極不愿意冒風(fēng)險；對他們來(lái)說(shuō)，ASIC技術(shù)存在的燒制返工既費錢(qián)又耗時(shí)，而且其非經(jīng)常性工程成本不斷增加。如采用FPGA，只需要進(jìn)行相對簡(jiǎn)單的軟件修改和下載新的硬件配置，就可實(shí)現最終的設計修改。

　　產(chǎn)品過(guò)時(shí)也是汽車(chē)設計中的一個(gè)問(wèn)題。FPGA的生命周期，尤其是對產(chǎn)品壽命而言，一般都比低產(chǎn)量的ASIC器件長(cháng)；有些FPGA供應商直到現在才對其在上世紀80年代推出的產(chǎn)品宣布壽命終結。



　　然而，也許人們最看重的還是FPGA在應對昂貴且耗時(shí)的汽車(chē)資格認證手續上所表現出來(lái)的優(yōu)勢。與ASIC不同，一旦對FPGA完成了繁復的資格認證手續，就可以用于多個(gè)項目/工程中，因此有助于設計人員大幅節省耗費在資格認證手續上的時(shí)間和資源。

　　可靠性和質(zhì)量

　　可靠性數據對保證當今汽車(chē)中各個(gè)系統的正確運作非常重要。例如，在設計核心系統 (如引擎控制模塊和防抱死剎車(chē)系統) 時(shí)，失效是絕對不允許的。

　　中子誘發(fā)的固件錯誤對許多電子設備的可靠性會(huì )帶來(lái)重大的風(fēng)險。中子轟擊造成的單事件翻轉 (SEU) 會(huì )發(fā)生在許多集成電路的存儲單元中。例如，對采用以易失性 SRAM 為基礎 FPGA 的設計人員而言，可靠性可能會(huì )受到嚴重的威脅；因為這種器件采用內存來(lái)保存 FPGA 的配置狀態(tài)，如果 SRAM FPGA 的某個(gè)配置位被翻轉并改變了狀態(tài)，該器件的功能將被改變，導致嚴重的數據破壞或向系統中其它電路發(fā)送虛假信號。在極端情況下，一個(gè)小小的錯誤就可破壞整個(gè)器件。

　　而且，中子誘發(fā)的固件錯誤會(huì )顯著(zhù)影響整個(gè)系統的故障率 (FIT) 指標。這些擾亂會(huì )導致FIT指標超標，大大超出業(yè)界可接受的規范范圍。這種固件錯誤非常難以診斷和檢測，因此會(huì )給維護和維修造成難題。

　　由于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)如此重視“零瑕疵”(zero defect) 質(zhì)量，人們遲早會(huì )認識到：與微控制器程序內存中的壞數位一樣，以SRAM為基礎的FPGA中存在中子誘發(fā)的固件錯誤是個(gè)嚴重的質(zhì)量問(wèn)題。不過(guò)，與微控制器應用不同 (這在當今的汽車(chē)應用中一般已有糾錯電路 (ECC))，SRAM FPGA目前還沒(méi)有簡(jiǎn)單或具成本效益的方法能檢測和緩解由中子誘發(fā)的固件錯誤。

　　顯然，對于采用以SRAM為基礎FPGA實(shí)現的任務(wù)關(guān)鍵汽車(chē)電子應用來(lái)說(shuō)，中子誘發(fā)的固件錯誤存在著(zhù)嚴重的隱患。由于現有的檢測技術(shù)是通過(guò)定期讀回FPGA配置來(lái)實(shí)現，因此有可能讓已經(jīng)破壞的數據進(jìn)入汽車(chē)電子系統。隨著(zhù)這種易受攻擊的FPGA技術(shù)的廣泛使用，有可能需要新的質(zhì)量評估系統以檢測汽車(chē)電子系統對中子誘發(fā)的固件錯誤的免疫能力。用于檢測損壞配置數據的回讀電路本身就容易遭受SEU故障或損壞。此外，檢測和糾正FPGA固件錯誤的方案會(huì )增加系統設計的復雜性，且會(huì )大幅增加板卡尺寸和材料成本。

　　幸運的是，輻射測試數據表明，以反熔絲和Flash為基礎的非易失性FPGA不會(huì )發(fā)生由中子誘發(fā)SEU事件而造成配置數據丟失，因而能更好地滿(mǎn)足“零瑕疵”的要求。換言之，這種FPGA非常獨特，適合所有重視可靠性或安全性的應用采用。

　　對安全和車(chē)體控制功能不斷增長(cháng)的需求會(huì )繼續增加汽車(chē)電子的復雜性。設計人員必須能夠快速響應不斷變化的客戶(hù)需求。對于半導體供應商來(lái)說(shuō)，要滿(mǎn)足汽車(chē)電子設計人員的需求，同時(shí)又不迫使他們在質(zhì)量、可靠性、靈活性、成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間之間作出取舍，從未變得如此重要。在這個(gè)不斷變化的市場(chǎng)中，采用Actel的非揮發(fā)性FPGA來(lái)實(shí)現那些系統關(guān)鍵應用正是成功的關(guān)鍵。