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(jì)人員必須在車上內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(gè)汽車工業(yè)面臨更嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

因此，許多汽車電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師開始轉(zhuǎn)向現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)中準(zhǔn)確地推出的時(shí)間壓力之余，還必須在單一硬件達(dá)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(duì)于安全需求。

針對(duì)目前許多特殊應(yīng)用場(chǎng)合，例如：手持精密設(shè)備、攜帶式測(cè)試設(shè)備，以及汽車工業(yè)、航空電子，都需運(yùn)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(shí)可用和針對(duì)逆向工程和IP竊取的安全保護(hù)。

一、現(xiàn)在、未來(lái)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(shì)便與車用電子在主流應(yīng)用需求達(dá)到相互吻合，使設(shè)計(jì)人員可運(yùn)用FPGA提供較為靈活性的解決方案，用來(lái)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)端信息處理等。這也是汽車電子產(chǎn)業(yè)主要背后推動(dòng)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(jià)、安全的車用電子設(shè)備產(chǎn)品需求，其發(fā)展趨勢(shì)已無(wú)法抑制，才能使車用電子設(shè)備廠所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能在競(jìng)爭(zhēng)廠商之前，就能將其產(chǎn)品推入汽車市場(chǎng)中。

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

隨著車用FPGA設(shè)計(jì)完善度提高，使得內(nèi)部設(shè)計(jì)復(fù)雜度也持續(xù)增長(zhǎng)，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(shuō)，當(dāng)車上電子技術(shù)持續(xù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)許多車用系統(tǒng)中的多項(xiàng)主要研發(fā)階段所必須兼?zhèn)涞墓δ?。甚至在今日今時(shí)，我們可以說(shuō)：FPGA技術(shù)對(duì)于整個(gè)汽車工業(yè)（汽車電子），來(lái)說(shuō)，將擁有令人無(wú)法抵擋的吸引力。

二、FPGA深入汽車電子設(shè)計(jì)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(fèi)大眾都習(xí)慣于長(zhǎng)時(shí)間的汽車產(chǎn)品開發(fā)日程。不過，當(dāng)汽車產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)逐漸呈現(xiàn)白熱化趨勢(shì)，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(jì)開發(fā)出消費(fèi)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(shuō)，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(wú)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(chǎng)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(yuǎn)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(fèi)市場(chǎng)差異性…等，若運(yùn)用ASIC開發(fā)技術(shù)將使得研發(fā)日程延長(zhǎng)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(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

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(yàn)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(shì)，不過較昂貴NRE成本，加上ASIC橋接時(shí)的不靈活性，使得原本ASIC在應(yīng)用上已無(wú)法完整地滿足車用電子系統(tǒng)靈活設(shè)計(jì)概念，甚至在資源浪費(fèi)及延宕開發(fā)時(shí)程等應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，目前消費(fèi)者對(duì)于電子設(shè)備的要求就是能依個(gè)人需求設(shè)計(jì)不同的功能選擇；因此，汽車制造商就必須要以設(shè)計(jì)出完整元件的組合為主要研發(fā)基礎(chǔ)，再依據(jù)消費(fèi)者不同需求進(jìn)行配置。

      FPGA具有硬件升級(jí)特性可確保車用電子的設(shè)備能具有較長(zhǎng)的使用壽命，因而成為可程序解決方案的一個(gè)關(guān)鍵特性。此外，可升級(jí)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(dá)到硬件升級(jí)動(dòng)作。

這些努力都是為了快速實(shí)現(xiàn)車上電子設(shè)備達(dá)到高度集成化及持續(xù)進(jìn)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(chǎng)中，FPGA技術(shù)都將扮演極為重要角色。在應(yīng)用上，可運(yùn)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(tái)上實(shí)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(dòng)作，大幅降低橋接工作，可為車用電子設(shè)備帶來(lái)了最重要的靈活性運(yùn)用。而在設(shè)計(jì)上，透過可現(xiàn)場(chǎng)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(dá)到系統(tǒng)硬件升級(jí)要求，避免昂貴維修費(fèi)用及零組元件更換等繁瑣動(dòng)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(jí)能力，即在原來(lái)的PCB設(shè)計(jì)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(zhǎng)車用電子設(shè)備運(yùn)用平臺(tái)使用壽命。

因此，不論是從汽車開發(fā)設(shè)計(jì)端、驗(yàn)證規(guī)范、生產(chǎn)制造到售后服務(wù)等不同角度來(lái)加以分析，其實(shí)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(píng)估FPGA元件技術(shù)在車上電子系統(tǒng)應(yīng)用

在2005年，在美國(guó)曾有大學(xué)研究單位針對(duì)車上超過390種不同設(shè)計(jì)規(guī)格進(jìn)行調(diào)查，其結(jié)果顯示使用ASIC SOC設(shè)計(jì)方式，平均約需要14至24個(gè)月研發(fā)時(shí)間；而FPGA設(shè)計(jì)卻只需要6至12個(gè)月開發(fā)時(shí)程。兩者平均相差55％研發(fā)時(shí)間，除了使開發(fā)業(yè)者能快速且兼具時(shí)效性上市時(shí)間，同時(shí)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(jì)上逐漸有快速、低價(jià)格、大量生產(chǎn)制造等發(fā)展之勢(shì)，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(gè)角度來(lái)看車用電子系統(tǒng)如何在快速發(fā)展及競(jìng)爭(zhēng)激烈市場(chǎng)，還能將汽車安全設(shè)計(jì)列入評(píng)估設(shè)計(jì)中。

另一方面，由于汽車廠對(duì)于汽車內(nèi)裝空間大小越來(lái)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(huì)全力導(dǎo)入主因。最主要是因?yàn)閱涡酒沙绦蚧庉嬒到y(tǒng)芯片在整合度上已達(dá)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(duì)汽車工業(yè)在設(shè)計(jì)效率的嚴(yán)苛挑戰(zhàn)

當(dāng)所有電子元件對(duì)于可靠性越來(lái)越要求之后，對(duì)于環(huán)境溫度應(yīng)對(duì)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(huì)出現(xiàn)熱漲冷縮現(xiàn)象。對(duì)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(jì)人力與成本壓力之下，使得車用電子的設(shè)計(jì)、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(jì)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，因而無(wú)法確實(shí)達(dá)到汽車廠商對(duì)于車用電子產(chǎn)品所提出規(guī)范需求，這也是長(zhǎng)久以來(lái)，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(duì)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?yàn)椤睖囟取故亲笥译娮釉阅芘c可靠性一項(xiàng)重要因素，一旦無(wú)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(duì)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(jì)上，首先必須要避免元件對(duì)于熱應(yīng)力影響，這是因?yàn)闇囟雀摺⒌脱h(huán)變化會(huì)引起焊接點(diǎn)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(huì)出現(xiàn)故障問題。

因此，當(dāng)設(shè)計(jì)者在選擇FPGA供應(yīng)商時(shí)，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(diǎn)溫度下還能持續(xù)動(dòng)作，這是將功能退化和失效的風(fēng)險(xiǎn)降到最低的一項(xiàng)重要技術(shù)。

對(duì)于功耗極為敏感的車用電子設(shè)備應(yīng)用廠商，現(xiàn)場(chǎng)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(jī)工作模式，其設(shè)計(jì)更專門針對(duì)0級(jí)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(duì)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(duì)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(jì)層面來(lái)看，其實(shí)這都還不足以構(gòu)成真正汽車安全，這是因?yàn)槠嚢踩?、耐久度、可靠性是從最基本元件便開始建立。換個(gè)角度來(lái)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)價(jià)值也不斷增加，使得FPGA元件市場(chǎng)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(dá)到ASIC技術(shù)水平，甚至必須要能超越ASIC技術(shù)。

比方說(shuō)，一旦有心黑客在侵入以FPGA為主體衛(wèi)星無(wú)線總臺(tái)接收器之后，破壞使用者身分辨識(shí)功能及系統(tǒng)安全機(jī)制，借以牟取免費(fèi)使用服務(wù)。就像黑客入侵到收費(fèi)性質(zhì)網(wǎng)站中，再破解各個(gè)收費(fèi)服務(wù)控制臺(tái)機(jī)制，進(jìn)而免費(fèi)使用該網(wǎng)站。從汽車制造商角度來(lái)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(xiǎn)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(diǎn)火時(shí)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(jì)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(wú)法允許電子回讀動(dòng)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(shuō)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(huì)發(fā)生任何物理變化，因此不可能透過非法探測(cè)來(lái)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(gè)金屬線路之間的開路開關(guān)，當(dāng)需要連接兩個(gè)金屬線路時(shí)，利用可程序化編輯脈沖來(lái)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(lái)汽車也有賽車級(jí)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(jì)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?yàn)樵陂L(zhǎng)時(shí)間快速行駛，加上競(jìng)爭(zhēng)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(gè)特定電子系統(tǒng)控制器單元進(jìn)行優(yōu)化動(dòng)作，用于管理賽車引擎定時(shí)功能。

目前，商用道路車輛制造商也在考慮采用FPGA所設(shè)計(jì)的汽車引擎控制單元，使一般汽車引擎也具有高度靈活運(yùn)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(duì)于汽車半導(dǎo)體廠家來(lái)說(shuō)，FPGA技術(shù)發(fā)展過程中必須先行深入熟悉各項(xiàng)技術(shù)獨(dú)特性能，而使得汽車電子產(chǎn)業(yè)中的設(shè)計(jì)人員從中獲得最佳利益，也不會(huì)影響汽車工業(yè)對(duì)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(jì)專用于賽車引擎電子控制單元設(shè)計(jì)－“F88”，在2003年成功應(yīng)用在Superfund World Series一級(jí)方程序大賽（Formula 1）。