FPGA在汽車ECU領域大有可為

基于MCU、定制ASIC和體積龐大的電線束來實現(xiàn)引擎及控制電子的系統(tǒng)方案已發(fā)展至接近其技術和應用極限，汽車工業(yè)正面臨新的設計挑戰(zhàn)，本文介紹FPGA在賽車引擎控制單元中的應用，幫助設計人員緩解產品更快推出市場的壓力、減少元件數(shù)目、在單一硬件平臺上實施標準化以及滿足不斷升級的安全要求。

過去汽車電子產品的開發(fā)周期是漫長的，而現(xiàn)在許多汽車制造商現(xiàn)正致力于在更短的時間內，裝備消費者所需的新一代汽車。諸如GPS導航系統(tǒng)和DVD播放機等設備的產品生命周期相對較短，因此，產品推向市場的速度非常重要。今天，采用ASIC可能會使開發(fā)周期增加30周，加上掩模成本大幅攀升，使得開支和風險也進一步提高。

與此同時，因為當今的汽車引入了許多標準和技術，使ASIC的應用缺乏靈活性，從而增加其被廢棄和延遲應用的風險。消費者還要求享有各種功能選項，使得汽車廠商必需以一套元件組合為基礎，再根據(jù)不同需求進行配置。為了快速實現(xiàn)這些高度集成和不斷變化的系統(tǒng)，能夠使產品快速推向市場的FPGA為汽車廠商帶來了所需的靈活性，可在現(xiàn)場進行系統(tǒng)硬件升級，而毋須執(zhí)行昂貴的返工工程和部件更換。所以，F(xiàn)PGA現(xiàn)已應用于汽車電子中，范疇從設計驗證到制造和服務。隨著汽車內的空間日益寶貴，可編程邏輯能在小型單芯片方案上集成許多不同功能的特性也顯得極具吸引。

圖1：恒壓條件下4.2nm氧化膜的TDDB評測結果
(注意早期擊穿區(qū)域產生的偶發(fā)性故障)。

FPGA器件的可靠性和安全性

汽車電子設計人員通過使用具有擴展溫度范圍的FPGA技術，能夠顯著提高應對多種故障的能力。雖然許多元件供應商采用預防性的設計技術及限定方法來模擬和仿真環(huán)境影響，但是某些FPGA構架在承受擴展溫度范圍方面仍然具有先天優(yōu)勢。舉例說，Actel以反熔絲為基礎的汽車器件能承受業(yè)界最高的結點溫度(+150℃)，為設計人員的高可靠性系統(tǒng)帶來更大的性能冗余。

在高溫下工作的能力不僅有利于抵御故障。由于汽車電子應用在空間和成本上都沒有余地來加設風扇和散熱裝置，因此器件必須在沒有外部散熱裝置的情況下仍能提供所需的性能。

極端的環(huán)境往往會導致與FPGA組裝和封裝相關的故障模式，而與裝置本身無關。所以在汽車電子系統(tǒng)的各個層面預留規(guī)格余地非常重要。FPGA供貨商如Xilinx和Actel等提供的產品具有較寬的軍用溫度范圍，能夠更好地定義熱膨脹系數(shù)，避免熱應力的影響。

即使在正常的溫度和電壓下工作，在FPGA的柵極氧化膜上反復施加電壓應力最終也會使器件內的電介質絕緣層發(fā)生擊穿。這種隨使用時間累計而產生的擊穿現(xiàn)象稱為“時間相關絕緣擊穿”(TDDB)。加上深亞微米技術的應用，會增加這類故障在現(xiàn)場發(fā)生的風險。

問題是新工藝采用了高壓應力測試進行評估。這類測試在取得氧化膜壽命的統(tǒng)計預測數(shù)據(jù)以及探測重要的制造與工藝難度方面很有效，但在建模和預測產品的早期故障方面收效甚微，特別是對于偶發(fā)性的故障。最初的擊穿會在器件投入使用后很短時間內造成嚴重的故障后果(見圖1)。

找出及消除這些最初擊穿故障的原因是一大挑戰(zhàn)。從TDDB數(shù)據(jù)進行測試和驗證能得出氧化膜的真正擊穿壽命極限，但是這些數(shù)據(jù)在確定單個器件產品的壽命方面并不可靠。

即使半導體供應商有方法找出或消除早期故障，越來越多推測指出90nm器件的真正壽命周期可能不足以滿足許多商業(yè)應用的要求。如果這些理論正確，汽車產品設計人員可能別無選擇，只有指定基于更可靠幾何尺寸和工藝的器件，為了提高可靠性而被迫放棄新一代工藝的邊際效益。

影響汽車系統(tǒng)可靠性的因素

了解汽車電子產品的主要物理故障風險后，現(xiàn)在來討論安全和防篡改等問題可能顯得奇怪。然而，任何影響汽車系統(tǒng)可靠性因素的討論，如果沒有考慮人為干預(有意或無意的)的影響，都是不完整的。重要的是，我們必須確認汽車安全性和可靠性的建立是從組件層面開始。舉例說，如果黑客能夠侵入基于FPGA的衛(wèi)星無線總臺接收器，并破壞用戶的身份鑒別機制，某些不道德的用戶就可以免費取用服務。系統(tǒng)的安全機制一旦被擊破，便可輕易地將有關的技術散布給大眾取用。只要登陸某些網站，就可輕松找到各種破解收費服務的控制臺軟件。從汽車制造商的角度來看，高風險的情況可能涉及汽車的防盜或安全系統(tǒng)。

或許更危險的情況是越來越多人嘗試“調?！逼嚠a品以提高性能，此舉通常會破壞地區(qū)或國家性的安全和環(huán)境標準。這類非法改裝活動經由多種渠道提供，往往很難以控制和打擊。許多改裝者會重新校準各式車載系統(tǒng)元件的常規(guī)設置，并修改燃油輸送、電子點火時間及其它控制功能，以便增強性能。

當然，這些改變可能會造成汽車在違反制造商的技術規(guī)格和保修規(guī)定的情況下行駛，但聰明的改裝者卻提供選項，可以將所有改動還原，令到損壞及超標使用的汽車符合制造商的保修條款，以期獲得合法的賠償。

圖2：Life Racing的引擎控制單元。

要減少這些安全問題，應從技術的選定開始。業(yè)界專家普遍同意反熔絲是現(xiàn)有最安全的可編程架構，因為要清楚讀取以反熔絲為基礎器件的狀態(tài)極之困難。例如，Actel的200萬門反熔絲FPGA包含約5,300萬個反熔絲，當中只有2-5%會在一般的設計中進行編程。因此，若要成功讀取某項設計的內容機會微乎其微，更何況更改其中的編程狀態(tài)。

一般而言，基于Flash的器件也是安全的；由于Flash的半導體層面不會發(fā)生任何物理變化，因此不可能通過非法探測來得知器件的狀態(tài)。一些供應商甚至采用訪問密鑰等方案，進一步加強保護措施。Actel的新型ProASICPLUS系列便采用了79至263位長的密鑰，一旦用密鑰來保護后，內容便不可能被讀取，除非對器件進行解鎖。相反地，基于SRAM的器件需要外加配置器件(通常為板載PROM)，在上電時向SRAM器件發(fā)送配置位流。但此位流很容易被黑客攔截，從而進行復制或直接讀取其內容。

賽車引擎控制單元(ECU)應用實例

在眾多汽車電子系統(tǒng)開發(fā)領域中，賽車一直是FPGA大顯身手的場所。在汽車ECU領域，F(xiàn)PGA可協(xié)助提升靈活性、性能和可靠性。各大涉及賽車業(yè)務的機構，如先進引擎研究有限公司(AER，Advanced Engine Research Ltd)屬下的電子設計部Life Racing，已開始在其ECU設計中引入Actel以Flash為基礎ProASIC Plus的FPGA器件。有競爭力的賽車ECU需要采用復雜的調節(jié)算法，專為每個獨立的控制器而優(yōu)化，以管理引擎的定時功能。使用傳統(tǒng)的解決方案即標準定時處理單元(TPU)控制器，這個關鍵軟件會隨著應用要求的改變，需要進行重大的修改。然而，借助基于Flash的FPGA的系統(tǒng)內可重編程功能(ISP)，設計人員可以利用單芯片的上電運行FPGA器件取代以往的TPU控制器，從而縮短軟件開發(fā)時間、減少調試需求和加速產品的整體上市時間(圖2)。

在ECU中，一般FPGA的主要功能是從機軸觸輪信號中提取引擎的位置信息。FPGA會根據(jù)抽象的機軸角度發(fā)出CPU中斷信號，而非傳統(tǒng)設計應用的觸輪齒位，因而提高了靈活性和精度。ECU通常會將燃料添加和點火動作編為定時的調度事件，并以調度代碼執(zhí)行時間的引擎工作狀況為基礎。在事件發(fā)生前改變引擎工作狀態(tài)會引起角度誤差，而調度代碼往往與當前引擎的機軸觸輪輪齒式樣密切相關。FPGA能令調度代碼不受信號式樣影響，還能通過監(jiān)測引擎工作狀況來進行事件調度和持續(xù)調節(jié)，直至事件發(fā)生。此舉能提升代碼效率和靈活性，同時改善動態(tài)狀況下的控制精度。 而且，基于Flash的FPGA(如Actel的ProASIC Plus)的上電運行功能，能助設計人員除去傳統(tǒng)需要用來阻止燃料注射驅動器或點火線圈驅動器在上電期間啟動的附加元件。

Life Racing專有的ECU設計F88便成功地應用于2003年度Superfund World Series的第一輪賽事中 ― 這是進入一級方程式大賽(Formula 1)的重要踏腳石。

目前，商用道路車輛制造商也在考慮采用Life Racing的ECU。這個控制單元具有高度靈活性，最適用于原型制造和研發(fā)環(huán)境，能應付各式不同的引擎設置。FPGA正獲得廣泛接納，用于新一代汽車電子的設計方案中。在選擇FPGA的過程中深入了解各種技術的獨特性能，汽車設計人員便能從最有前景的技術中獲益，而不會影響業(yè)界在制造高可靠性和成本效益汽車方面的美譽。