FPGA在汽车核心电子系统中的机遇

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       当今汽车应用中的电子应用越来越多,可说是无处不在;最明显的是仪表板式和车载信息通信系统或信息娱乐系统,以及诸如GPS导航和面向后排乘客配备的DVD电影设备等。而且,由于技术的进步、强制性的排放限制和安全标准,加上驾驶者对安全性和方便性的要求提高,使得电子设备在汽车核心系统中的比例正持续增加,而半导体器件在汽车中的应用数量也一样在增加。 

        随着当今的汽车核心系统越来越复杂,因此将会继续走向电子领域。这些系统包括引擎控制模块、动力传动系统、变速系统、诊断和监视系统、车体控制(如电动座椅、电动车窗,电控门锁),以及安全系统 (如防抱死刹车系统、防碰撞系统、自适应巡航控制、应急响应控制、安全气囊、后方和侧面检测雷达、胎压监视和车道偏离预警系统)。这些功能会给驾驶者带来额外的安全保障和舒适性,但问题是成本如何?

        对所有汽车产品来说,质量、可靠性和成本非常重要,尤其是那些应用在安全和系统关键子系统的半导体而言。而且,汽车设计人员还要承受庞大的压力,以应对不断变化的技术标准、协议和法规;并迎合汽车行业对产品寿命和新型号开发周期的需要;同时还得满足低成本和高产量的严格要求。这些因素再加上汽车中的部件数不断增加、开发时间越来越短及性能要求越来越高,使许多汽车设计人员都开始在核心汽车系统应用领域中,转向非易失性现场可编程门阵列 (FPGA) 技术来替代传统所依赖的定制特定用途集成电路 (ASIC)、微控制器或特定用途标准产品 (ASSP)。

       比较ASIC 和ASSP,FPGA能为设计人员提供一个灵活的平台,更易于应对新协议和新标准,以及更重要的是新的市场需求。利用FPGA,设计人员可以在最后阶段进行修改。事实上,即使已经投入使用的产品都可以进行升级,且很少会导致产品资格认证问题及成本增加。在产品开发周期压力越来越大、系统成本管理越来越重要的环境下,厂家都极不愿意冒风险;对他们来说,ASIC技术存在的烧制返工既费钱又耗时,而且其非经常性工程成本不断增加。如采用FPGA,只需要进行相对简单的软件修改和下载新的硬件配置,就可实现最终的设计修改。

       产品过时也是汽车设计中的一个问题。FPGA的生命周期,尤其是对产品寿命而言,一般都比低产量的ASIC器件长;有些FPGA供应商直到现在才对其在上世纪80年代推出的产品宣布寿命终结。

       然而,也许人们最看重的还是FPGA在应对昂贵且耗时的汽车资格认证手续上所表现出来的优势。与ASIC不同,一旦对FPGA完成了繁复的资格认证手续,就可以用于多个项目/工程中,因此有助于设计人员大幅节省耗费在资格认证手续上的时间和资源。

可靠性和质量

        可靠性数据对保证当今汽车中各个系统的正确运作非常重要。例如,在设计核心系统 (如引擎控制模块和防抱死刹车系统) 时,失效是绝对不允许的。

        中子诱发的固件错误对许多电子设备的可靠性会带来重大的风险。中子轰击造成的单事件翻转 (SEU) 会发生在许多集成电路的存储单元中。例如,对采用以易失性 SRAM 为基础 FPGA 的设计人员而言,可靠性可能会受到严重的威胁;因为这种器件采用内存来保存 FPGA 的配置状态,如果 SRAM FPGA 的某个配置位被翻转并改变了状态,该器件的功能将被改变,导致严重的数据破坏或向系统中其它电路发送虚假信号。在极端情况下,一个小小的错误就可破坏整个器件。

        而且,中子诱发的固件错误会显著影响整个系统的故障率 (FIT) 指标。这些扰乱会导致FIT指标超标,大大超出业界可接受的规范范围。这种固件错误非常难以诊断和检测,因此会给维护和维修造成难题。

       由于汽车产业如此重视“零瑕疵”(zero defect) 质量,人们迟早会认识到:与微控制器程序内存中的坏数位一样,以SRAM为基础的FPGA中存在中子诱发的固件错误是个严重的质量问题。不过,与微控制器应用不同 (这在当今的汽车应用中一般已有纠错电路 (ECC)),SRAM FPGA目前还没有简单或具成本效益的方法能检测和缓解由中子诱发的固件错误。

      显然,对于采用以SRAM为基础FPGA实现的任务关键汽车电子应用来说,中子诱发的固件错误存在着严重的隐患。由于现有的检测技术是通过定期读回FPGA配置来实现,因此有可能让已经破坏的数据进入汽车电子系统。随着这种易受攻击的FPGA技术的广泛使用,有可能需要新的质量评估系统以检测汽车电子系统对中子诱发的固件错误的免疫能力。用于检测损坏配置数据的回读电路本身就容易遭受SEU故障或损坏。此外,检测和纠正FPGA固件错误的方案会增加系统设计的复杂性,且会大幅增加板卡尺寸和材料成本。

      幸运的是,辐射测试数据表明,以反熔丝和Flash为基础的非易失性FPGA不会发生由中子诱发SEU事件而造成配置数据丢失,因而能更好地满足“零瑕疵”的要求。换言之,这种FPGA非常独特,适合所有重视可靠性或安全性的应用采用。

       对安全和车体控制功能不断增长的需求会继续增加汽车电子的复杂性。设计人员必须能够快速响应不断变化的客户需求。对于半导体供应商来说,要满足汽车电子设计人员的需求,同时又不迫使他们在质量、可靠性、灵活性、成本和开发时间之间作出取舍,从未变得如此重要。在这个不断变化的市场中,采用Actel的非挥发性FPGA来实现那些系统关键应用正是成功的关键。
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