FPGA在車電設備中發(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及復雜度高的車用線束作為車上電子控制系統(tǒng)之用，因此設計人員必須在車上內外部結構的設計階段，需考慮元件選擇性、設備可靠度及系統(tǒng)匹配性…等問題。而正當下一代汽車電子與汽車工業(yè)面臨到改朝換代之際，迫使過去在車內所應用到的傳統(tǒng)式解決方案的發(fā)展受到了技術瓶頸與應用的局限，使得整個汽車工業(yè)面臨更嚴苛的設計挑戰(zhàn)。

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

針對目前許多特殊應用場合，例如：手持精密設備、攜帶式測試設備，以及汽車工業(yè)、航空電子，都需運行在工業(yè)溫度標準范圍；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、現在、未來FPGA在汽車產業(yè)擁有致命吸引力

當FPGA在汽車產業(yè)逐漸獲得應用之后，所產生優(yōu)勢便與車用電子在主流應用需求達到相互吻合，使設計人員可運用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…等汽車專有的標準規(guī)范可得知；當汽車電子設備逐漸轉為開發(fā)速度更快、低價、安全的車用電子設備產品需求，其發(fā)展趨勢已無法抑制，才能使車用電子設備廠所設計的產品能在競爭廠商之前，就能將其產品推入汽車市場中。

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

隨著車用FPGA設計完善度提高，使得內部設計復雜度也持續(xù)增長，使得FPGA技術應用在車用電子設備中的普及率大為提升。換句話說，當車上電子技術持續(xù)進步之后，其主要目標就是設備的功能增加，或者提高性能目標等因素。因此，即便車用FPGA技術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)設備中持續(xù)發(fā)展，借以實現許多車用系統(tǒng)中的多項主要研發(fā)階段所必須兼?zhèn)涞墓δ?。甚至在今日今時，我們可以說：FPGA技術對于整個汽車工業(yè)（汽車電子），來說，將擁有令人無法抵擋的吸引力。

二、FPGA深入汽車電子設計與應用范疇

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慣于長時間的汽車產品開發(fā)日程。不過，當汽車產業(yè)競爭逐漸呈現白熱化趨勢，使得大部分汽車制造商現正努力能夠在最短開發(fā)周期內，設計開發(fā)出消費者所需的電子設備產品，并將其附加功能裝置于新一代汽車上。比方說，車載用GPS導航設備或者DVD多媒體影音播放等電子系統(tǒng)設備，使用壽命無法與汽車本身相抗衡；因此，諸如此類的電子設備推入市場速度快慢就顯得非常重要。其主要癥結在于，這些娛樂及遠端信息處理系統(tǒng)產品與傳統(tǒng)汽車銷售手法及應用方式有很大差異，包括：生產規(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險。

除了以上之外，由于現今汽車工業(yè)中導入許多技術應用與標準驗證，雖然傳統(tǒng)所使用ASIC技術在大批量生產制造有其低成本優(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在應用上已無法完整地滿足車用電子系統(tǒng)靈活設計概念，甚至在資源浪費及延宕開發(fā)時程等應用風險。另一方面，目前消費者對于電子設備的要求就是能依個人需求設計不同的功能選擇；因此，汽車制造商就必須要以設計出完整元件的組合為主要研發(fā)基礎，再依據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鍵特性。此外，可升級性還有助于網絡設備的追蹤標準和協(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車上電子設備達到高度集成化及持續(xù)進化系統(tǒng)基礎，使車用電子設備能夠快速推出汽車市場中，FPGA技術都將扮演極為重要角色。在應用上，可運用FPGA內在的靈活性和可程序化重復編輯能力，就能在單一平臺上實現不同汽車匯流排標準及微處理器、微控制器界面橋接動作，大幅降低橋接工作，可為車用電子設備帶來了最重要的靈活性運用。而在設計上，透過可現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)要求出現劇烈變化之際，延長車用電子設備運用平臺使用壽命。

因此，不論是從汽車開發(fā)設計端、驗證規(guī)范、生產制造到售后服務等不同角度來加以分析，其實都不難發(fā)現FPGA現已深入應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元件技術在車上電子系統(tǒng)應用

在2005年，在美國曾有大學研究單位針對車上超過390種不同設計規(guī)格進行調查，其結果顯示使用ASIC SOC設計方式，平均約需要14至24個月研發(fā)時間；而FPGA設計卻只需要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，車用電子產品在設計上逐漸有快速、低價格、大量生產制造等發(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，還能將汽車安全設計列入評估設計中。

另一方面，由于汽車廠對于汽車內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，也是吸引廠商現今會全力導入主因。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準，不僅能在電子系統(tǒng)中執(zhí)行系統(tǒng)管理功能，在與現行應用比較，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)在設計效率的嚴苛挑戰(zhàn)

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

不過，由于設計人力與成本壓力之下，使得車用電子的設計、生產方式，包括：使用材料、封裝技術與裝配方式，必須要與其它類型設備共同使用相同性質的設計標準平臺，因而無法確實達到汽車廠商對于車用電子產品所提出規(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，其電子設備中的元件、封裝、電路板都將因此而產生故障。其次，針對車用電子設備元件所產生熱膨脹系數處理，在系統(tǒng)架構設計上，首先必須要避免元件對于熱應力影響，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，再經過一定次數重覆性溫度循環(huán)之后，容易導致電子元件表面會出現故障問題。

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

對于功耗極為敏感的車用電子設備應用廠商，現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，其設計更專門針對0級LAPU系統(tǒng)的監(jiān)管操作，如：設備系統(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，曾談過很多有關于汽車電子設備系統(tǒng)安全、可靠性的發(fā)生因素及因應對策，但卻極少將“人為”因素的影響納入討論范疇之中。若從元件設計層面來看，其實這都還不足以構成真正汽車安全，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FPGA元件比ASIC元件顯現出更高成本效益，及借以FPGA元件實現設計價值也不斷增加，使得FPGA元件市場占有率持續(xù)增加。因此，用于汽車電子設備中的FPGA元件安全性，至少要達到ASIC技術水平，甚至必須要能超越ASIC技術。

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。就像黑客入侵到收費性質網站中，再破解各個收費服務控制臺機制，進而免費使用該網站。從汽車制造商角度來看，除了關系到汽車防盜系統(tǒng)功能及車上安全系統(tǒng)之外，更為危險的是可能借以調整汽車原本設定產品性能，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準值，將大大地影響到行車安全與環(huán)保標準。

因此，要呼應到上述安全問題，首要條件就必須先從技術選用；以FPGA反熔絲型技術（Metal to metal）為例，由于反熔絲設計一般都采用單向功能，即便不使用鎖定裝置，其主要結構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元件狀態(tài)相當困難，更別說是想要更改設備編輯狀態(tài)。

另一方面，采用Flash為主要元件基礎也十分具有安全性；其基本原理與反熔絲型FPGA相類似，利用Flash的FPGA技術以開關作為連接或斷開交叉金屬線，加上Flash的半導體層面不會發(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)。

反熔絲技術的FPGA是利用一小片面積小于1μm正方形的電介質，作為兩個金屬線路之間的開路開關，當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。

六、未來汽車也有賽車級的規(guī)范與應用

在所以車用電子開發(fā)領域中，最早開始采用FPGA設計技術便是各類型的賽車電子控制系統(tǒng)應用，其中又以汽車引擎控制單元（ECU）應用最為廣泛，其主要架構就是利用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)本身必須具備復雜調節(jié)技術、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，還能應付各式不同的引擎設置。這對于汽車半導體廠家來說，FPGA技術發(fā)展過程中必須先行深入熟悉各項技術獨特性能，而使得汽車電子產業(yè)中的設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特別設計專用于賽車引擎電子控制單元設計－“F88”，在2003年成功應用在Superfund World Series一級方程序大賽（Formula 1）。