FPGA在車電設(shè)備中發(fā)揮可靠效能

過去一般汽車電子工程師大都采用微處理器（微控制器）、ASIC及復(fù)雜度高的車用線束作為車上電子控制系統(tǒng)之用，因此設(shè)計人員必須在車上內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計階段，需考慮元件選擇性、設(shè)備可靠度及系統(tǒng)匹配性…等問題。而正當(dāng)下一代汽車電子與汽車工業(yè)面臨到改朝換代之際，迫使過去在車內(nèi)所應(yīng)用到的傳統(tǒng)式解決方案的發(fā)展受到了技術(shù)瓶頸與應(yīng)用的局限，使得整個汽車工業(yè)面臨更嚴苛的設(shè)計挑戰(zhàn)。

因此，許多汽車電子產(chǎn)品設(shè)計工程師開始轉(zhuǎn)向現(xiàn)場可程序化邏輯閘陣列（Field-Programmable Gate Array；FPGA），以解決現(xiàn)代汽車及電子設(shè)備所新的衍生性問題，這其中包括解決汽車在市場中準(zhǔn)確地推出的時間壓力之余，還必須在單一硬件達到元件數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)化之目標(biāo)，使汽車產(chǎn)業(yè)能持續(xù)對于安全需求。

針對目前許多特殊應(yīng)用場合，例如：手持精密設(shè)備、攜帶式測試設(shè)備，以及汽車工業(yè)、航空電子，都需運行在工業(yè)溫度標(biāo)準(zhǔn)范圍；另外，除了超低功耗之外，還兼具微型封裝、上電即時可用和針對逆向工程和IP竊取的安全保護。

一、現(xiàn)在、未來FPGA在汽車產(chǎn)業(yè)擁有致命吸引力

當(dāng)FPGA在汽車產(chǎn)業(yè)逐漸獲得應(yīng)用之后，所產(chǎn)生優(yōu)勢便與車用電子在主流應(yīng)用需求達到相互吻合，使設(shè)計人員可運用FPGA提供較為靈活性的解決方案，用來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、信息和遠端信息處理等。這也是汽車電子產(chǎn)業(yè)主要背后推動力，如：可靠度、耐久度、安全性…等汽車專有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可得知；當(dāng)汽車電子設(shè)備逐漸轉(zhuǎn)為開發(fā)速度更快、低價、安全的車用電子設(shè)備產(chǎn)品需求，其發(fā)展趨勢已無法抑制，才能使車用電子設(shè)備廠所設(shè)計的產(chǎn)品能在競爭廠商之前，就能將其產(chǎn)品推入汽車市場中。

一般來說，所有電子產(chǎn)品最初設(shè)計目標(biāo)在于，使原本初期階段的抽象設(shè)計能夠達到實際設(shè)計目標(biāo)，才能更迅速地合成復(fù)雜的設(shè)計，并在最短的時間內(nèi)完成設(shè)計。而為追求更符合汽車廠所要求的車用電子產(chǎn)品設(shè)計，使設(shè)計人員除了設(shè)計出更新的開發(fā)工具之外，在優(yōu)化即時FPGA技術(shù)部份也必須有所加強。因此，當(dāng)在車用電子設(shè)備還處于研發(fā)階段的設(shè)計初期時，具有高效能的安全性設(shè)計及產(chǎn)品設(shè)備開發(fā)周期便成為市場中的一項優(yōu)勢，而藉由FPGA應(yīng)用在車用電子設(shè)備及系統(tǒng)中，將可進一步體現(xiàn)出汽車電子完整新面貌。

隨著車用FPGA設(shè)計完善度提高，使得內(nèi)部設(shè)計復(fù)雜度也持續(xù)增長，使得FPGA技術(shù)應(yīng)用在車用電子設(shè)備中的普及率大為提升。換句話說，當(dāng)車上電子技術(shù)持續(xù)進步之后，其主要目標(biāo)就是設(shè)備的功能增加，或者提高性能目標(biāo)等因素。因此，即便車用FPGA技術(shù)只是在不久前才興起，卻以十分快的速度在車用電子系統(tǒng)設(shè)備中持續(xù)發(fā)展，借以實現(xiàn)許多車用系統(tǒng)中的多項主要研發(fā)階段所必須兼?zhèn)涞墓δ堋Ｉ踔猎诮袢战駮r，我們可以說：FPGA技術(shù)對于整個汽車工業(yè)（汽車電子），來說，將擁有令人無法抵擋的吸引力。

二、FPGA深入汽車電子設(shè)計與應(yīng)用范疇

在過去汽車工業(yè)發(fā)展歷史中，可以看到汽車廠商或一般汽車消費大眾都習(xí)慣于長時間的汽車產(chǎn)品開發(fā)日程。不過，當(dāng)汽車產(chǎn)業(yè)競爭逐漸呈現(xiàn)白熱化趨勢，使得大部分汽車制造商現(xiàn)正努力能夠在最短開發(fā)周期內(nèi)，設(shè)計開發(fā)出消費者所需的電子設(shè)備產(chǎn)品，并將其附加功能裝置于新一代汽車上。比方說，車載用GPS導(dǎo)航設(shè)備或者DVD多媒體影音播放等電子系統(tǒng)設(shè)備，使用壽命無法與汽車本身相抗衡；因此，諸如此類的電子設(shè)備推入市場速度快慢就顯得非常重要。其主要癥結(jié)在于，這些娛樂及遠端信息處理系統(tǒng)產(chǎn)品與傳統(tǒng)汽車銷售手法及應(yīng)用方式有很大差異，包括：生產(chǎn)規(guī)模、上市壓力及消費市場差異性…等，若運用ASIC開發(fā)技術(shù)將使得研發(fā)日程延長至少超過200天以上，不僅使成本大幅提升，也將影響到主要元件成本支出及市場風(fēng)險。

除了以上之外，由于現(xiàn)今汽車工業(yè)中導(dǎo)入許多技術(shù)應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)驗證，雖然傳統(tǒng)所使用ASIC技術(shù)在大批量生產(chǎn)制造有其低成本優(yōu)勢，不過較昂貴NRE成本，加上ASIC橋接時的不靈活性，使得原本ASIC在應(yīng)用上已無法完整地滿足車用電子系統(tǒng)靈活設(shè)計概念，甚至在資源浪費及延宕開發(fā)時程等應(yīng)用風(fēng)險。另一方面，目前消費者對于電子設(shè)備的要求就是能依個人需求設(shè)計不同的功能選擇；因此，汽車制造商就必須要以設(shè)計出完整元件的組合為主要研發(fā)基礎(chǔ)，再依據(jù)消費者不同需求進行配置。

      FPGA具有硬件升級特性可確保車用電子的設(shè)備能具有較長的使用壽命，因而成為可程序解決方案的一個關(guān)鍵特性。此外，可升級性還有助于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的追蹤標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的持續(xù)變化，因此可輕松達到硬件升級動作。

這些努力都是為了快速實現(xiàn)車上電子設(shè)備達到高度集成化及持續(xù)進化系統(tǒng)基礎(chǔ)，使車用電子設(shè)備能夠快速推出汽車市場中，FPGA技術(shù)都將扮演極為重要角色。在應(yīng)用上，可運用FPGA內(nèi)在的靈活性和可程序化重復(fù)編輯能力，就能在單一平臺上實現(xiàn)不同汽車匯流排標(biāo)準(zhǔn)及微處理器、微控制器界面橋接動作，大幅降低橋接工作，可為車用電子設(shè)備帶來了最重要的靈活性運用。而在設(shè)計上，透過可現(xiàn)場程序化編輯及重新配置，FPGA不需要另外在付出龐大工程成本，就能達到系統(tǒng)硬件升級要求，避免昂貴維修費用及零組元件更換等繁瑣動作，或者某些FPGA供應(yīng)商還提供封裝兼容情況下的密度升級能力，即在原來的PCB設(shè)計不變的情況下提供更大量的邏輯容量，從而在系統(tǒng)要求出現(xiàn)劇烈變化之際，延長車用電子設(shè)備運用平臺使用壽命。

因此，不論是從汽車開發(fā)設(shè)計端、驗證規(guī)范、生產(chǎn)制造到售后服務(wù)等不同角度來加以分析，其實都不難發(fā)現(xiàn)FPGA現(xiàn)已深入應(yīng)用在汽車電子范疇中，并可以直接或間接方式降低車用電子元件總體解決方案成本。

三、評估FPGA元件技術(shù)在車上電子系統(tǒng)應(yīng)用

在2005年，在美國曾有大學(xué)研究單位針對車上超過390種不同設(shè)計規(guī)格進行調(diào)查，其結(jié)果顯示使用ASIC SOC設(shè)計方式，平均約需要14至24個月研發(fā)時間；而FPGA設(shè)計卻只需要6至12個月開發(fā)時程。兩者平均相差55％研發(fā)時間，除了使開發(fā)業(yè)者能快速且兼具時效性上市時間，同時也大幅減少工程師人力成本及資源耗用。

而發(fā)展至今，車用電子產(chǎn)品在設(shè)計上逐漸有快速、低價格、大量生產(chǎn)制造等發(fā)展之勢，還必須要能在車上多變環(huán)境中保持高可靠性及耐久性；從這個角度來看車用電子系統(tǒng)如何在快速發(fā)展及競爭激烈市場，還能將汽車安全設(shè)計列入評估設(shè)計中。

另一方面，由于汽車廠對于汽車內(nèi)裝空間大小越來越重視；因此，在小型單芯片解決方案中，可邏輯兼具許多不同附加功能能力，也是吸引廠商現(xiàn)今會全力導(dǎo)入主因。最主要是因為單芯片可程序化編輯系統(tǒng)芯片在整合度上已達到全新標(biāo)準(zhǔn)，不僅能在電子系統(tǒng)中執(zhí)行系統(tǒng)管理功能，在與現(xiàn)行應(yīng)用比較，可程序化編輯系統(tǒng)芯片除了減少成本之外，也可將空間使用減少至50％以上。

四、必須開始面對汽車工業(yè)在設(shè)計效率的嚴苛挑戰(zhàn)

當(dāng)所有電子元件對于可靠性越來越要求之后，對于環(huán)境溫度應(yīng)對能力便成為主要關(guān)鍵。而就理論上而言，幾乎所有電子產(chǎn)品在使用的過程中，不論是受到環(huán)境溫度或自己本身產(chǎn)生熱源等問題，其元件多少都會出現(xiàn)熱漲冷縮現(xiàn)象。對此，應(yīng)用于多變環(huán)境中的車用電子設(shè)備及其元件更是尤其重要。

不過，由于設(shè)計人力與成本壓力之下，使得車用電子的設(shè)計、生產(chǎn)方式，包括：使用材料、封裝技術(shù)與裝配方式，必須要與其它類型設(shè)備共同使用相同性質(zhì)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)平臺，因而無法確實達到汽車廠商對于車用電子產(chǎn)品所提出規(guī)范需求，這也是長久以來，商用與汽車工業(yè)兩者規(guī)范產(chǎn)生差異最主要原因。

以汽車元件對于環(huán)境溫度規(guī)范為例，其基本要求必須具備-40℃125℃寬溫范圍，這是因為”溫度」是左右電子元件性能與可靠性一項重要因素，一旦無法滿足規(guī)范，其電子設(shè)備中的元件、封裝、電路板都將因此而產(chǎn)生故障。其次，針對車用電子設(shè)備元件所產(chǎn)生熱膨脹系數(shù)處理，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計上，首先必須要避免元件對于熱應(yīng)力影響，這是因為溫度高、低循環(huán)變化會引起焊接點在高、低溫度循環(huán)疲勞，再經(jīng)過一定次數(shù)重覆性溫度循環(huán)之后，容易導(dǎo)致電子元件表面會出現(xiàn)故障問題。

因此，當(dāng)設(shè)計者在選擇FPGA供應(yīng)商時，就必須將高可靠性應(yīng)用列入考量，才有能夠在汽車特殊使用環(huán)境下，符合汽車電子設(shè)備高可靠性及安全性FPGA產(chǎn)品，以確保FPGA能夠在系統(tǒng)最高結(jié)點溫度下還能持續(xù)動作，這是將功能退化和失效的風(fēng)險降到最低的一項重要技術(shù)。

對于功耗極為敏感的車用電子設(shè)備應(yīng)用廠商，現(xiàn)場可程序化編輯系統(tǒng)芯片提供了超低功耗睡眠狀態(tài)以及待機工作模式，其設(shè)計更專門針對0級LAPU系統(tǒng)的監(jiān)管操作，如：設(shè)備系統(tǒng)板上電順序及配置管理。

五、符合汽車廠對于安全性的期望

過去，曾談過很多有關(guān)于汽車電子設(shè)備系統(tǒng)安全、可靠性的發(fā)生因素及因應(yīng)對策，但卻極少將“人為”因素的影響納入討論范疇之中。若從元件設(shè)計層面來看，其實這都還不足以構(gòu)成真正汽車安全，這是因為汽車安全、耐久度、可靠性是從最基本元件便開始建立。換個角度來看，當(dāng)FPGA元件比ASIC元件顯現(xiàn)出更高成本效益，及借以FPGA元件實現(xiàn)設(shè)計價值也不斷增加，使得FPGA元件市場占有率持續(xù)增加。因此，用于汽車電子設(shè)備中的FPGA元件安全性，至少要達到ASIC技術(shù)水平，甚至必須要能超越ASIC技術(shù)。

比方說，一旦有心黑客在侵入以FPGA為主體衛(wèi)星無線總臺接收器之后，破壞使用者身分辨識功能及系統(tǒng)安全機制，借以牟取免費使用服務(wù)。就像黑客入侵到收費性質(zhì)網(wǎng)站中，再破解各個收費服務(wù)控制臺機制，進而免費使用該網(wǎng)站。從汽車制造商角度來看，除了關(guān)系到汽車防盜系統(tǒng)功能及車上安全系統(tǒng)之外，更為危險的是可能借以調(diào)整汽車原本設(shè)定產(chǎn)品性能，如：改寫燃油輸送比例、電子點火時間及其它系統(tǒng)控制功能，將汽車性能提升到超過其標(biāo)準(zhǔn)值，將大大地影響到行車安全與環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

因此，要呼應(yīng)到上述安全問題，首要條件就必須先從技術(shù)選用；以FPGA反熔絲型技術(shù)（Metal to metal）為例，由于反熔絲設(shè)計一般都采用單向功能，即便不使用鎖定裝置，其主要結(jié)構(gòu)通常無法允許電子回讀動作，因此要清楚讀取以反熔絲為基礎(chǔ)元件狀態(tài)相當(dāng)困難，更別說是想要更改設(shè)備編輯狀態(tài)。

另一方面，采用Flash為主要元件基礎(chǔ)也十分具有安全性；其基本原理與反熔絲型FPGA相類似，利用Flash的FPGA技術(shù)以開關(guān)作為連接或斷開交叉金屬線，加上Flash的半導(dǎo)體層面不會發(fā)生任何物理變化，因此不可能透過非法探測來得知元件狀態(tài)。

反熔絲技術(shù)的FPGA是利用一小片面積小于1μm正方形的電介質(zhì)，作為兩個金屬線路之間的開路開關(guān)，當(dāng)需要連接兩個金屬線路時，利用可程序化編輯脈沖來使該電介質(zhì)短路，這種短路的直徑小于100nm，從頂部是看不到這些短路電介質(zhì)。

六、未來汽車也有賽車級的規(guī)范與應(yīng)用

在所以車用電子開發(fā)領(lǐng)域中，最早開始采用FPGA設(shè)計技術(shù)便是各類型的賽車電子控制系統(tǒng)應(yīng)用，其中又以汽車引擎控制單元（ECU）應(yīng)用最為廣泛，其主要架構(gòu)就是利用FPGA特性使賽車提升引擎靈活性、駕馭性能及電子元件可靠性。因為在長時間快速行駛，加上競爭激烈性賽車引擎控制系統(tǒng)，系統(tǒng)本身必須具備復(fù)雜調(diào)節(jié)技術(shù)、演算功能，再各為每個特定電子系統(tǒng)控制器單元進行優(yōu)化動作，用于管理賽車引擎定時功能。

目前，商用道路車輛制造商也在考慮采用FPGA所設(shè)計的汽車引擎控制單元，使一般汽車引擎也具有高度靈活運用性，不僅適用于各類性汽車的原型制造及研發(fā)環(huán)境，還能應(yīng)付各式不同的引擎設(shè)置。這對于汽車半導(dǎo)體廠家來說，FPGA技術(shù)發(fā)展過程中必須先行深入熟悉各項技術(shù)獨特性能，而使得汽車電子產(chǎn)業(yè)中的設(shè)計人員從中獲得最佳利益，也不會影響汽車工業(yè)對于生產(chǎn)制造高可靠性及成本效益汽車電子零組件的美名。

Life Racing特別設(shè)計專用于賽車引擎電子控制單元設(shè)計－“F88”，在2003年成功應(yīng)用在Superfund World Series一級方程序大賽（Formula 1）。