車用FPGA解決方案

分析家估計，汽車遠程通信業(yè)務和硬件的總收益將于未來五年內超越200億美元，而電子元件供應商正積極投資開發(fā)這個新興而迅速擴張的市場。總體來說，汽車電子有望成為半導體行業(yè)的一個亮點，帶領整個行業(yè)走出谷底。想想今天在路上行駛的汽車總數，就知道汽車電子的市場發(fā)展?jié)摿嵲隗@人，新一代的汽車電子器件還有龐大的發(fā)展空間。隨著汽車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(zhàn)轉化為獲得可觀收益的良機。 
FPGA的優(yōu)勢和汽車電子的主流需求開始出現(xiàn)吻合，使設計人員可使用FPGA提供靈活的解決方案，滿足消費者對最新汽車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。 

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


用戶可定制邏輯器件是理想的解決方案

舉例說，許多汽車設計人員正考慮利用駕駛室內網絡系統(tǒng)，實現(xiàn)更有效的車載通信和控制功能管理。然而，將駕駛室內電子系統(tǒng)轉移到公共汽車上，意味著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是標準產品，可編程邏輯器件還可免除了困擾大多數專用定制電路的報廢問題。

對于FPGA等用戶定制邏輯器件來說，增長最快的應用領域之一就是作為標準化開發(fā)平臺，可進行擴展以滿足不同客戶的要求。這使到FPGA成為加速產品上市的重要工具。而采用相同元件的系統(tǒng)可為每位購買汽車的客戶提供多種功能選項。

利用相同的FPGA構建應用，可以方便地啟動或不啟動某些功能，F(xiàn)PGA更可進行編程，以便啟動或不啟動一連串功能中的任何一項。 

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


防竄改技術

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

FPGA的安全威脅也是遠程信息處理系統(tǒng)設計人員特別關心的問題，因為這些系統(tǒng)會用作收費服務產品的授權機制，如衛(wèi)星通信和定位服務。如果管理網關訪問控制和用戶身份鑒定的系統(tǒng)存在安全隱憂，就會成為昂貴的人造衛(wèi)星網絡或其它貴重無線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，便有可能導致整個通信網絡損毀。更重要的是，按使用量付費系統(tǒng)的收入模式將會完全失效，使企業(yè)的營收下降甚至破產。 

顯然，選擇FPGA技術對于防止入侵竄改的系統(tǒng)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產品。業(yè)界專家普遍認為反熔絲是現(xiàn)有最安全的FPGA架構。

反熔絲FPGA難以被侵入有幾個原因。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熔絲的位置和編程狀態(tài)。例如，Actel的新型200萬門AX2000反熔絲FPGA約包含5,300萬個反熔絲，而每項設計平均僅使用當中的2-5％。加上評估每個熔絲的探測操作很可能會破壞追蹤設計所需的編程狀態(tài)。這意味著一旦完成反熔絲FPGA的編程，他人便無法讀回其中的設計內容，或者改變任何編程狀態(tài)來"調整"功能，更不可能改變重要的引擎控制系統(tǒng)。


 

可靠性因素

由于成本壓力，汽車電子產品的設計和生產一直使用與其他商業(yè)產品相同的材料、封裝和裝配技術，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(zhàn)性的環(huán)境中使用。汽車電子產品要求的環(huán)境溫度范圍為 -40℃到 +125℃，這遠遠超出了許多供應商所規(guī)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(tǒng)生產適合的器件，將有能力為客戶提供在特殊環(huán)境下保持高可靠性和安全性的FPGA產品。

溫度是影響電子器件可靠性的一個主導因素。由于器件、封裝和電路板均有可能發(fā)生故障，所以為汽車電子系統(tǒng)的各個層面預留余地是很重要的。FPGA供應商如Actel的產品特點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)變化會引起焊接點的低循環(huán)疲勞，經過一定次數的溫度循環(huán)后，器件表面會出現(xiàn)裂縫，裂縫隨后會不斷擴大至完全分裂。確保車用FPGA能夠在行業(yè)最高的結點溫度下正常工作，這是將功能退化和失效的風險減至最少的另一種方法。

另一個影響可靠性的因素是中子轟擊引起的邏輯混亂，這問題過去只出現(xiàn)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越容易發(fā)生邏輯混亂。如果SRAM結構FPGA的一個單元發(fā)生混亂，就可能導致FPGA丟失配置信息。這個情況發(fā)生可能會使到主機系統(tǒng)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

為了滿足汽車電子市場的需求，Actel已研制出三種優(yōu)異的FPGA產品線，基于Actel專有的反熔絲技術。這些新型車用產品系列是集成多種通常需要使用多個CPLD、PAL和FPGA來實現(xiàn)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，能快速開發(fā)具成本效益的產品。這類器件所提供解決方案的系統(tǒng)門數由3,000至100,000個不等，全部都經驗證，能在業(yè)內最高結點溫度（+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，能夠無限地保存所配置信息而無需外部存儲器。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的電路板空間。Actel反熔絲技術的另一特點在于其固有的低功耗特性。反熔絲的阻抗很低，無需使用有源電路來保持電荷，因而可減少電路的發(fā)熱及電源設計問題。