車用FPGA解決方案

分析家估計(jì)，汽車遠(yuǎn)程通信業(yè)務(wù)和硬件的總收益將于未來(lái)五年內(nèi)超越200億美元，而電子元件供應(yīng)商正積極投資開(kāi)發(fā)這個(gè)新興而迅速擴(kuò)張的市場(chǎng)?？傮w來(lái)說(shuō)，汽車電子有望成為半導(dǎo)體行業(yè)的一個(gè)亮點(diǎn)，帶領(lǐng)整個(gè)行業(yè)走出谷底。想想今天在路上行駛的汽車總數(shù)，就知道汽車電子的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?shí)在驚人，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(yuǎn)程信息處理設(shè)備，元器件供應(yīng)商正將業(yè)界的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)化為獲得可觀收益的良機(jī)。 
FPGA的優(yōu)勢(shì)和汽車電子的主流需求開(kāi)始出現(xiàn)吻合，使設(shè)計(jì)人員可使用FPGA提供靈活的解決方案，滿足消費(fèi)者對(duì)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(yuǎn)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(lái)引進(jìn)和控制電子系統(tǒng)，并隨著汽車的更新?lián)Q代而擴(kuò)展功能。但是，隨著元件數(shù)量不斷增多（三年前一輛普通汽車大約使用20個(gè)微控制器，現(xiàn)在則需要40至60個(gè)）、上市時(shí)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(shù)的出現(xiàn)。


用戶可定制邏輯器件是理想的解決方案

舉例說(shuō)，許多汽車設(shè)計(jì)人員正考慮利用駕駛室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更有效的車載通信和控制功能管理。然而，將駕駛室內(nèi)電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到公共汽車上，意味著需要面對(duì)層出不窮和不斷改變的新興標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，可編程邏輯器件還可免除了困擾大多數(shù)專用定制電路的報(bào)廢問(wèn)題。

對(duì)于FPGA等用戶定制邏輯器件來(lái)說(shuō)，增長(zhǎng)最快的應(yīng)用領(lǐng)域之一就是作為標(biāo)準(zhǔn)化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可進(jìn)行擴(kuò)展以滿足不同客戶的要求。這使到FPGA成為加速產(chǎn)品上市的重要工具。而采用相同元件的系統(tǒng)可為每位購(gòu)買汽車的客戶提供多種功能選項(xiàng)。

利用相同的FPGA構(gòu)建應(yīng)用，可以方便地啟動(dòng)或不啟動(dòng)某些功能，F(xiàn)PGA更可進(jìn)行編程，以便啟動(dòng)或不啟動(dòng)一連串功能中的任何一項(xiàng)。 

然而，使用FPGA技術(shù)非常重要，因其應(yīng)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(dòng)某些應(yīng)當(dāng)處于休眠狀態(tài)的功能。


防竄改技術(shù)

汽車黑客往往通過(guò)"調(diào)整"各種汽車電子產(chǎn)品來(lái)提升汽車的性能，此舉常會(huì)破壞地區(qū)或國(guó)家的安全和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。這些未經(jīng)批準(zhǔn)的服務(wù)經(jīng)由多種途徑提供，因而很難控制。很多黑客通過(guò)更改各種車載系統(tǒng)元件的常規(guī)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，修改燃料的輸送、電子點(diǎn)火時(shí)間以及其它控制功能，以增強(qiáng)汽車的性能。這些變化通常會(huì)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(xiàng)重置有關(guān)的原廠設(shè)定，然后將損壞及超標(biāo)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(wù)。

FPGA的安全威脅也是遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員特別關(guān)心的問(wèn)題，因?yàn)檫@些系統(tǒng)會(huì)用作收費(fèi)服務(wù)產(chǎn)品的授權(quán)機(jī)制，如衛(wèi)星通信和定位服務(wù)。如果管理網(wǎng)關(guān)訪問(wèn)控制和用戶身份鑒定的系統(tǒng)存在安全隱憂，就會(huì)成為昂貴的人造衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)或其它貴重?zé)o線基礎(chǔ)設(shè)施的巨大安全漏洞。當(dāng)?shù)统杀镜膽?yīng)用受到高智能的攻擊，便有可能導(dǎo)致整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)損毀。更重要的是，按使用量付費(fèi)系統(tǒng)的收入模式將會(huì)完全失效，使企業(yè)的營(yíng)收下降甚至破產(chǎn)。 

顯然，選擇FPGA技術(shù)對(duì)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(gòu)，到需要上電配置的不安全揮發(fā)性SRAM產(chǎn)品。業(yè)界專家普遍認(rèn)為反熔絲是現(xiàn)有最安全的FPGA架構(gòu)。

反熔絲FPGA難以被侵入有幾個(gè)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(shù)量驚人，因此幾乎不可能確定每個(gè)熔絲的位置和編程狀態(tài)。例如，Actel的新型200萬(wàn)門AX2000反熔絲FPGA約包含5,300萬(wàn)個(gè)反熔絲，而每項(xiàng)設(shè)計(jì)平均僅使用當(dāng)中的2-5％。加上評(píng)估每個(gè)熔絲的探測(cè)操作很可能會(huì)破壞追蹤設(shè)計(jì)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(wú)法讀回其中的設(shè)計(jì)內(nèi)容，或者改變?nèi)魏尉幊虪顟B(tài)來(lái)"調(diào)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(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)一直使用與其他商業(yè)產(chǎn)品相同的材料、封裝和裝配技術(shù)，這迫使許多半導(dǎo)體供應(yīng)商限定商業(yè)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)，以便在更富挑戰(zhàn)性的環(huán)境中使用。汽車電子產(chǎn)品要求的環(huán)境溫度范圍為 -40℃到 +125℃，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了許多供應(yīng)商所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)商用和工業(yè)溫度范圍。但Actel等FPGA供應(yīng)商，針對(duì)高可靠性的應(yīng)用如商用航空以至軍用系統(tǒng)生產(chǎn)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(chǎn)品。

溫度是影響電子器件可靠性的一個(gè)主導(dǎo)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(gè)層面預(yù)留余地是很重要的。FPGA供應(yīng)商如Actel的產(chǎn)品特點(diǎn)是具有寬廣的軍用溫度范圍，能夠更好地處理熱膨脹系數(shù)，避免熱應(yīng)力的影響。另外，溫度循環(huán)變化會(huì)引起焊接點(diǎn)的低循環(huán)疲勞，經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的溫度循環(huán)后，器件表面會(huì)出現(xiàn)裂縫，裂縫隨后會(huì)不斷擴(kuò)大至完全分裂。確保車用FPGA能夠在行業(yè)最高的結(jié)點(diǎn)溫度下正常工作，這是將功能退化和失效的風(fēng)險(xiǎn)減至最少的另一種方法。

另一個(gè)影響可靠性的因素是中子轟擊引起的邏輯混亂，這問(wèn)題過(guò)去只出現(xiàn)在高空應(yīng)用中，但是由于半導(dǎo)體制造工藝日益縮小，地面使用的電子器件也越來(lái)越容易發(fā)生邏輯混亂。如果SRAM結(jié)構(gòu)FPGA的一個(gè)單元發(fā)生混亂，就可能導(dǎo)致FPGA丟失配置信息。這個(gè)情況發(fā)生可能會(huì)使到主機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障。輻射測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，Actel以反熔絲和Flash為基礎(chǔ)FPGA不會(huì)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(yīng)用。


目標(biāo)解決方案

為了滿足汽車電子市場(chǎng)的需求，Actel已研制出三種優(yōu)異的FPGA產(chǎn)品線，基于Actel專有的反熔絲技術(shù)。這些新型車用產(chǎn)品系列是集成多種通常需要使用多個(gè)CPLD、PAL和FPGA來(lái)實(shí)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(kāi)發(fā)具成本效益的產(chǎn)品。這類器件所提供解決方案的系統(tǒng)門數(shù)由3,000至100,000個(gè)不等，全部都經(jīng)驗(yàn)證，能在業(yè)內(nèi)最高結(jié)點(diǎn)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(diǎn)，能夠無(wú)限地保存所配置信息而無(wú)需外部存儲(chǔ)器。省去保存配置數(shù)據(jù)的外部存儲(chǔ)器，即可省去PROM或微處理器以及相關(guān)的電路板空間。Actel反熔絲技術(shù)的另一特點(diǎn)在于其固有的低功耗特性。反熔絲的阻抗很低，無(wú)需使用有源電路來(lái)保持電荷，因而可減少電路的發(fā)熱及電源設(shè)計(jì)問(wèn)題。