FPGA在汽車核心電子系統(tǒng)中的機(jī)遇

當(dāng)今汽車應(yīng)用中的電子應(yīng)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(dǎo)航和面向后排乘客配備的DVD電影設(shè)備等。而且，由于技術(shù)的進(jìn)步、強(qiáng)制性的排放限制和安全標(biāo)準(zhǔn)，加上駕駛者對(duì)安全性和方便性的要求提高，使得電子設(shè)備在汽車核心系統(tǒng)中的比例正持續(xù)增加，而半導(dǎo)體器件在汽車中的應(yīng)用數(shù)量也一樣在增加。

 隨著當(dāng)今的汽車核心系統(tǒng)越來越復(fù)雜，因此將會(huì)繼續(xù)走向電子領(lǐng)域。這些系統(tǒng)包括引擎控制模塊、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、變速系統(tǒng)、診斷和監(jiān)視系統(tǒng)、車體控制(如電動(dòng)座椅、電動(dòng)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(yīng)巡航控制、應(yīng)急響應(yīng)控制、安全氣囊、后方和側(cè)面檢測(cè)雷達(dá)、胎壓監(jiān)視和車道偏離預(yù)警系統(tǒng))。這些功能會(huì)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(duì)所有汽車產(chǎn)品來說，質(zhì)量、可靠性和成本非常重要，尤其是那些應(yīng)用在安全和系統(tǒng)關(guān)鍵子系統(tǒng)的半導(dǎo)體而言。而且，汽車設(shè)計(jì)人員還要承受龐大的壓力，以應(yīng)對(duì)不斷變化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和法規(guī)；并迎合汽車行業(yè)對(duì)產(chǎn)品壽命和新型號(hào)開發(fā)周期的需要；同時(shí)還得滿足低成本和高產(chǎn)量的嚴(yán)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(shí)間越來越短及性能要求越來越高，使許多汽車設(shè)計(jì)人員都開始在核心汽車系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中，轉(zhuǎn)向非易失性現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (ASSP)。

比較ASIC和ASSP，F(xiàn)PGA能為設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)靈活的平臺(tái)，更易于應(yīng)對(duì)新協(xié)議和新標(biāo)準(zhǔn)，以及更重要的是新的市場(chǎng)需求。利用FPGA，設(shè)計(jì)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(jí)，且很少會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品資格認(rèn)證問題及成本增加。在產(chǎn)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(fēng)險(xiǎn)；對(duì)他們來說，ASIC技術(shù)存在的燒制返工既費(fèi)錢又耗時(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(duì)簡(jiǎn)單的軟件修改和下載新的硬件配置，就可實(shí)現(xiàn)最終的設(shè)計(jì)修改。

產(chǎn)品過時(shí)也是汽車設(shè)計(jì)中的一個(gè)問題。FPGA的生命周期，尤其是對(duì)產(chǎn)品壽命而言，一般都比低產(chǎn)量的ASIC器件長(zhǎng)；有些FPGA供應(yīng)商直到現(xiàn)在才對(duì)其在上世紀(jì)80年代推出的產(chǎn)品宣布?jí)勖K結(jié)。

 然而，也許人們最看重的還是FPGA在應(yīng)對(duì)昂貴且耗時(shí)的汽車資格認(rèn)證手續(xù)上所表現(xiàn)出來的優(yōu)勢(shì)。與ASIC不同，一旦對(duì)FPGA完成了繁復(fù)的資格認(rèn)證手續(xù)，就可以用于多個(gè)項(xiàng)目/工程中，因此有助于設(shè)計(jì)人員大幅節(jié)省耗費(fèi)在資格認(rèn)證手續(xù)上的時(shí)間和資源。

可靠性和質(zhì)量

 可靠性數(shù)據(jù)對(duì)保證當(dāng)今汽車中各個(gè)系統(tǒng)的正確運(yùn)作非常重要。例如，在設(shè)計(jì)核心系統(tǒng) (如引擎控制模塊和防抱死剎車系統(tǒng)) 時(shí)，失效是絕對(duì)不允許的。

 中子誘發(fā)的固件錯(cuò)誤對(duì)許多電子設(shè)備的可靠性會(huì)帶來重大的風(fēng)險(xiǎn)。中子轟擊造成的單事件翻轉(zhuǎn) (SEU) 會(huì)發(fā)生在許多集成電路的存儲(chǔ)單元中。例如，對(duì)采用以易失性 SRAM 為基礎(chǔ) FPGA 的設(shè)計(jì)人員而言，可靠性可能會(huì)受到嚴(yán)重的威脅；因?yàn)檫@種器件采用內(nèi)存來保存 FPGA 的配置狀態(tài)，如果 SRAM FPGA 的某個(gè)配置位被翻轉(zhuǎn)并改變了狀態(tài)，該器件的功能將被改變，導(dǎo)致嚴(yán)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(hào)。在極端情況下，一個(gè)小小的錯(cuò)誤就可破壞整個(gè)器件。

 而且，中子誘發(fā)的固件錯(cuò)誤會(huì)顯著影響整個(gè)系統(tǒng)的故障率 (FIT) 指標(biāo)。這些擾亂會(huì)導(dǎo)致FIT指標(biāo)超標(biāo)，大大超出業(yè)界可接受的規(guī)范范圍。這種固件錯(cuò)誤非常難以診斷和檢測(cè)，因此會(huì)給維護(hù)和維修造成難題。

由于汽車產(chǎn)業(yè)如此重視“零瑕疵”(zero defect) 質(zhì)量，人們遲早會(huì)認(rèn)識(shí)到：與微控制器程序內(nèi)存中的壞數(shù)位一樣，以SRAM為基礎(chǔ)的FPGA中存在中子誘發(fā)的固件錯(cuò)誤是個(gè)嚴(yán)重的質(zhì)量問題。不過，與微控制器應(yīng)用不同 (這在當(dāng)今的汽車應(yīng)用中一般已有糾錯(cuò)電路 (ECC))，SRAM FPGA目前還沒有簡(jiǎn)單或具成本效益的方法能檢測(cè)和緩解由中子誘發(fā)的固件錯(cuò)誤。

顯然，對(duì)于采用以SRAM為基礎(chǔ)FPGA實(shí)現(xiàn)的任務(wù)關(guān)鍵汽車電子應(yīng)用來說，中子誘發(fā)的固件錯(cuò)誤存在著嚴(yán)重的隱患。由于現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)是通過定期讀回FPGA配置來實(shí)現(xiàn)，因此有可能讓已經(jīng)破壞的數(shù)據(jù)進(jìn)入汽車電子系統(tǒng)。隨著這種易受攻擊的FPGA技術(shù)的廣泛使用，有可能需要新的質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)以檢測(cè)汽車電子系統(tǒng)對(duì)中子誘發(fā)的固件錯(cuò)誤的免疫能力。用于檢測(cè)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(cè)和糾正FPGA固件錯(cuò)誤的方案會(huì)增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，且會(huì)大幅增加板卡尺寸和材料成本。

幸運(yùn)的是，輻射測(cè)試數(shù)據(jù)表明，以反熔絲和Flash為基礎(chǔ)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(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(dú)特，適合所有重視可靠性或安全性的應(yīng)用采用。

對(duì)安全和車體控制功能不斷增長(zhǎng)的需求會(huì)繼續(xù)增加汽車電子的復(fù)雜性。設(shè)計(jì)人員必須能夠快速響應(yīng)不斷變化的客戶需求。對(duì)于半導(dǎo)體供應(yīng)商來說，要滿足汽車電子設(shè)計(jì)人員的需求，同時(shí)又不迫使他們?cè)谫|(zhì)量、可靠性、靈活性、成本和開發(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來實(shí)現(xiàn)那些系統(tǒng)關(guān)鍵應(yīng)用正是成功的關(guān)鍵。