车用FPGA解决方案

车用FPGA解决方案

Actel公司 反熔丝产品市场经理 Mike Holmlundg

分析家估计，汽车远程通信业务和硬件的总收益将于未来五年内超越200亿美元，而电子元件供应商正积极投资开发这个新兴而迅速扩张的市场。总体来说，汽车电子有望成为半导体行业的一个亮点，带领整个行业走出谷底。想想今天在路上行驶的汽车总数，就知道汽车电子的市场发展潜力实在惊人，新一代的汽车电子器件还有庞大的发展空间。随着汽车制造商集成各种新颖的乘客安全、舒适、信息和远程信息处理设备，元器件供应商正将业界的设计挑战转化为获得可观收益的良机。
FPGA的优势和汽车电子的主流需求开始出现吻合，使设计人员可使用FPGA提供灵活的解决方案，满足消费者对汽车电子功能各方面的需求，包括安全性、乘客舒适性、信息和远程信息处理等。

汽车电子工程师传统上利用微控制器、定制ASIC和体积庞大的电线束来引进和控制电子系统，并随着汽车的更新换代而扩展功能。但是，随着元件数量不断增多（三年前一辆普通汽车大约使用20个微控制器，现在则需要40至60个）、上市时间压力日益增大，加上性能要求不断提升，在在都正促使新型技术的出现。

用户可定制逻辑器件是理想的解决方案

举例说，许多汽车设计人员正考虑利用驾驶室内网络系统，实现更有效的车载通信和控制功能管理。然而，将驾驶室内电子系统转移到公共汽车上，意味着需要面对层出不穷和不断改变的新兴标准。FPGA是灵活的低成本解决方案，可用于元件之间的桥接，或者用作各种定制功能的粘合逻辑器件。由于FPGA是标准产品，可编程逻辑器件还可免除了困扰大多数专用定制电路的报废问题。

对于FPGA等用户定制逻辑器件来说，增长快的应用领域之一就是作为标准化开发平台，可进行扩展以满足不同客户的要求。这使到FPGA成为加速产品上市的重要工具。而采用相同元件的系统可为每位购买汽车的客户提供多种功能选项。

利用相同的FPGA构建应用，可以方便地启动或不启动某些功能，FPGA更可进行编程，以便启动或不启动一连串功能中的任何一项。

然而，使用FPGA技术非常重要，因其应该具有防止外界窜改的免疫能力，能阻止汽车售后遭到黑客攻击，试图启动某些应当处于休眠状态的功能。

防窜改技术

汽车黑客往往通过"调整"各种汽车电子产品来提升汽车的性能，此举常会破坏地区或国家的安全和环保标准。这些未经批准的服务经由多种途径提供，因而很难控制。很多黑客通过更改各种车载系统元件的常规设置标准，修改燃料的输送、电子点火时间以及其它控制功能，以增强汽车的性能。这些变化通常会造成汽车在违反制造商的使用和保修规定的情况下行驶。而且，狡猾的黑客更可提供选项重置有关的原厂设定，然后将损坏及超标使用的汽车还原至符合制造商的保修条件，以期获得违规的保修服务。

FPGA的安全威胁也是远程信息处理系统设计人员特别关心的问题，因为这些系统会用作收费服务产品的授权机制，如卫星通信和定位服务。如果管理网关访问控制和用户身份鉴定的系统存在安全隐忧，就会成为昂贵的人造卫星网络或其它贵重无线基础设施的巨大安全漏洞。当低成本的应用受到高智能的攻击，便有可能导致整个通信网络损毁。更重要的是，按使用量付费系统的收入模式将会完全失效，使企业的营收下降甚至破产。

显然，选择FPGA技术对于防止入侵窜改的系统安全性是极为重要的。FPGA解决方案范围广泛，从非常安全的非挥发性Flash和反熔丝架构，到需要上电配置的不安全挥发性SRAM产品。业界普遍认为反熔丝是现有安全的FPGA架构。

反熔丝FPGA难以被侵入有几个原因。攻击反熔丝FPGA需要确定任何特定熔丝的状态，但是由于熔丝的尺寸微小且数量惊人，因此几乎不可能确定每个熔丝的位置和编程状态。例如，Actel的新型200万门AX2000反熔丝FPGA约包含5,300万个反熔丝，而每项设计平均仅使用当中的2-5％。加上评估每个熔丝的探测操作很可能会破坏追踪设计所需的编程状态。这意味着一旦完成反熔丝FPGA的编程，他人便无法读回其中的设计内容，或者改变任何编程状态来"调整"功能，更不可能改变重要的引擎控制系统。

可靠性因素

由于成本压力，汽车电子产品的设计和生产一直使用与其他商业产品相同的材料、封装和装配技术，这迫使许多半导体供应商限定商业平台的标准，以便在更富挑战性的环境中使用。汽车电子产品要求的环境温度范围为 -40℃到 +125℃，这远远超出了许多供应商所规定的标准商用和工业温度范围。但Actel等FPGA供应商，针对高可靠性的应用如商用航空以至军用系统生产适合的器件，将有能力为客户提供在特殊环境下保持高可靠性和安全性的FPGA产品。

温度是影响电子器件可靠性的一个主导因素。由于器件、封装和电路板均有可能发生故障，所以为汽车电子系统的各个层面预留余地是很重要的。FPGA供应商如Actel的产品特点是具有宽广的军用温度范围，能够更好地处理热膨胀系数，避免热应力的影响。另外，温度循环变化会引起焊接点的低循环疲劳，经过一定次数的温度循环后，器件表面会出现裂缝，裂缝随后会不断扩大至完全分裂。确保车用FPGA能够在行业的结点温度下正常工作，这是将功能退化和失效的风险减至少的另一种方法。

另一个影响可靠性的因素是中子轰击引起的逻辑混乱，这问题过去只出现在高空应用中，但是由于半导体制造工艺日益缩小，地面使用的电子器件也越来越容易发生逻辑混乱。如果SRAM结构FPGA的一个单元发生混乱，就可能导致FPGA丢失配置信息。这个情况发生可能会使到主机系统发生故障。辐射测试数据显示，Actel以反熔丝和Flash为基础FPGA不会因中子引起的逻辑混乱而丢失配置信息，故非常适合要求高可靠性的应用。

目标解决方案

为了满足汽车电子市场的需求，Actel已研制出三种优异的FPGA产品线，基于Actel专有的反熔丝技术。这些新型车用产品系列是集成多种通常需要使用多个CPLD、PAL和FPGA来实现的逻辑功能的理想器件，并齐备多种器件密度、工作电压和功能，能快速开发具成本效益的产品。这类器件所提供解决方案的系统门数由3,000至100,000个不等，全部都经验证，能在业内结点温度（+150℃）(环境温度为－40℃到+125℃) 下正常工作。

Actel的反熔丝FPGA具有非挥发性的特点，能够无限地保存所配置信息而无需外部存储器。省去保存配置数据的外部存储器，即可省去PROM或微处理器以及相关的电路板空间。Actel反熔丝技术的另一特点在于其固有的低功耗特性。反熔丝的阻抗很低，无需使用有源电路来保持电荷，因而可减少电路的发热及电源设计问题。