FPGA在汽車核心電子系統(tǒng)中的機遇

當今汽車應用中的電子應用越來越多，可說是無處不在；最明顯的是儀表板式和車載信息通信系統(tǒng)或信息娛樂系統(tǒng)，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，由于技術的進步、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核心系統(tǒng)中的比例正持續(xù)增加，而半導體器件在汽車中的應用數(shù)量也一樣在增加。

隨著當今的汽車核心系統(tǒng)越來越復雜，因此將會繼續(xù)走向電子領域。這些系統(tǒng)包括引擎控制模塊、動力傳動系統(tǒng)、變速系統(tǒng)、診斷和監(jiān)視系統(tǒng)、車體控制(如電動座椅、電動車窗，電控門鎖)，以及安全系統(tǒng) (如防抱死剎車系統(tǒng)、防碰撞系統(tǒng)、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(jiān)視和車道偏離預警系統(tǒng))。這些功能會給駕駛者帶來額外的安全保障和舒適性，但問題是成本如何？

對所有汽車產品來說，質量、可靠性和成本非常重要，尤其是那些應用在安全和系統(tǒng)關鍵子系統(tǒng)的半導體而言。而且，汽車設計人員還要承受龐大的壓力，以應對不斷變化的技術標準、協(xié)議和法規(guī)；并迎合汽車行業(yè)對產品壽命和新型號開發(fā)周期的需要；同時還得滿足低成本和高產量的嚴格要求。這些因素再加上汽車中的部件數(shù)不斷增加、開發(fā)時間越來越短及性能要求越來越高，使許多汽車設計人員都開始在核心汽車系統(tǒng)應用領域中，轉向非易失性現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 技術來替代傳統(tǒng)所依賴的定制特定用途集成電路 (ASIC)、微控制器或特定用途標準產品 (ASSP)。

比較ASIC 和ASSP，F(xiàn)PGA能為設計人員提供一個靈活的平臺，更易于應對新協(xié)議和新標準，以及更重要的是新的市場需求。利用FPGA，設計人員可以在最后階段進行修改。事實上，即使已經投入使用的產品都可以進行升級，且很少會導致產品資格認證問題及成本增加。在產品開發(fā)周期壓力越來越大、系統(tǒng)成本管理越來越重要的環(huán)境下，廠家都極不愿意冒風險；對他們來說，ASIC技術存在的燒制返工既費錢又耗時，而且其非經常性工程成本不斷增加。如采用FPGA，只需要進行相對簡單的軟件修改和下載新的硬件配置，就可實現(xiàn)最終的設計修改。

產品過時也是汽車設計中的一個問題。FPGA的生命周期，尤其是對產品壽命而言，一般都比低產量的ASIC器件長；有些FPGA供應商直到現(xiàn)在才對其在上世紀80年代推出的產品宣布壽命終結。

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

可靠性和質量

可靠性數(shù)據(jù)對保證當今汽車中各個系統(tǒng)的正確運作非常重要。例如，在設計核心系統(tǒng) (如引擎控制模塊和防抱死剎車系統(tǒng)) 時，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帶來重大的風險。中子轟擊造成的單事件翻轉 (SEU) 會發(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，可靠性可能會受到嚴重的威脅；因為這種器件采用內存來保存 FPGA 的配置狀態(tài)，如果 SRAM FPGA 的某個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(shù)據(jù)破壞或向系統(tǒng)中其它電路發(fā)送虛假信號。在極端情況下，一個小小的錯誤就可破壞整個器件。

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

由于汽車產業(yè)如此重視“零瑕疵”(zero defect) 質量，人們遲早會認識到：與微控制器程序內存中的壞數(shù)位一樣，以SRAM為基礎的FPGA中存在中子誘發(fā)的固件錯誤是個嚴重的質量問題。不過，與微控制器應用不同 (這在當今的汽車應用中一般已有糾錯電路 (ECC))，SRAM FPGA目前還沒有簡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實現(xiàn)的任務關鍵汽車電子應用來說，中子誘發(fā)的固件錯誤存在著嚴重的隱患。由于現(xiàn)有的檢測技術是通過定期讀回FPGA配置來實現(xiàn)，因此有可能讓已經破壞的數(shù)據(jù)進入汽車電子系統(tǒng)。隨著這種易受攻擊的FPGA技術的廣泛使用，有可能需要新的質量評估系統(tǒng)以檢測汽車電子系統(tǒng)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(shù)據(jù)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固件錯誤的方案會增加系統(tǒng)設計的復雜性，且會大幅增加板卡尺寸和材料成本。

幸運的是，輻射測試數(shù)據(jù)表明，以反熔絲和Flash為基礎的非易失性FPGA不會發(fā)生由中子誘發(fā)SEU事件而造成配置數(shù)據(jù)丟失，因而能更好地滿足“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。

對安全和車體控制功能不斷增長的需求會繼續(xù)增加汽車電子的復雜性。設計人員必須能夠快速響應不斷變化的客戶需求。對于半導體供應商來說，要滿足汽車電子設計人員的需求，同時又不迫使他們在質量、可靠性、靈活性、成本和開發(fā)時間之間作出取舍，從未變得如此重要。在這個不斷變化的市場中，采用Actel的非揮發(fā)性FPGA來實現(xiàn)那些系統(tǒng)關鍵應用正是成功的關鍵。