车用电子－FPGA在车电配置中发挥可靠效能

   已往一样平常汽车电子工程师多数采取微处理惩罚器（微控制器）、ASIC及巨大度高的车用线束作为车上电子控制体系之用，因此计划职员必须在车上表里部布局的计划阶段，需思量元件选择性、配置可靠度及体系立室性…等题目。而合法下一代汽车电子与汽车产业面对到改朝换代之际，迫使已往在车内所应用到的传统式办理方案的生长受到了技能瓶颈与应用的局限，使得整个汽车产业面对更严苛的计划挑衅。

　因此，很多汽车电子产品计划工程师开始转向现场可编程化逻辑闸阵列（Field-Programmable Gate Array；FPGA），以办理当代汽车及电子配置所新的衍生性题目，这此中包括办理汽车在市场中正确地推出的时间压力之余，还必须在单一硬件到达元件数量标准化之目标，使汽车财产能连续对付寂静需求。

   ▲针对如今很多特别应用场合，比方：手持精密配置、携带式测试配置，以及汽车产业、航空电子，都需运行在产业温度标准范畴；别的，除了超低功耗之外，还兼具微型封装、上电实时可用和针对逆向工程和IP盗取的寂静掩护。（数据源头：www.quicklogic.com）

　■如今、将来　FPGA在汽车财产拥有致命吸引力

　当FPGA在汽车财产渐渐得到应用之后，所孕育产生上风便与车用电子在主流应用需求到达相互符合，使计划职员可运用FPGA提供较为机动性的办理方案，用来餍足斲丧者对最新汽车电子成果各方面的需求，包括：寂静性、游客安宁性、信息和远端信息处理惩罚等。这也是汽车电子财产重要背后推动力，如：可靠度、历久度、寂静性…等汽车专有的标准范例可得知；当汽车电子配置渐渐转为开辟速率更快、低价、寂静的车用电子配置产品需求，其生长趋势已无法克制，才华使车用电子配置厂所计划的产品能在竞争厂商之前，就能将其产品推入汽车市场中。

　一样平常来说，全部电子产品最初计划目标在于，使本来初期阶段的抽象计划可以或许到达实际计划目标，才华更敏捷地合成巨大的计划，并在最短的时间内完成计划。而为寻求更切合汽车厂所请求的车用电子产品计划，使计划职员除了计划出更新的开辟东西之外，在优化实时FPGA技能部份也必须有所加强。因此，当在车用电子配置还处于研发阶段的计划初期时，具有高效能的寂静性计划及产品配置开辟周期便成为市场中的一项上风，而藉由FPGA应用在车用电子配置及体系中，将可进一步表现出汽车电子完备新面貌。

　随着车用FPGA计划美满度进步，使得内部计划巨大度也连续增长，使得FPGA技能应用在车用电子配置中的遍及率大为提拔。换句话说，当车上电子技能连续进步之后，其重要目标便是配置的成果增长，大概进步性能目标等因素。因此，即便车用FPGA技能只是在不久前才鼓起，却以非常快的速率在车用电子体系配置中连续生长，藉以实现很多车用体系中的多项重要研发阶段所必须兼备的成果。乃至在本日今时，我们可以说：FPGA技能对付整个汽车产业（汽车电子），来说，将拥有令人无法抵抗的吸引力。

　■FPGA深入汽车电子计划与应用范畴

　在已往汽车产业生长历史中，可以看到汽车厂商或一样平常汽车斲丧大众都风俗于永劫间的汽车产品开辟日程。不过，当汽车财产竞争渐渐出现白热化趋势，使得大部分汽车制造商现正高兴可以或许在最短开辟周期内，计划开辟出斲丧者所需的电子配置产品，并将其附加成果装置于新一代汽车上。比喻说，车载用GPS导航配置大概DVD多媒体影音播放等电子体系配置，利用寿命无法与汽车本身相抗衡；因此，诸云云类的电子配置推入市场速率快慢就显得非常紧张。其重要症结在于，这些娱乐及远端信息处理惩罚体系产品与传统汽车贩卖伎俩及应用方法有很大差别，包括：生产范围、上市压力及斲丧市场差别性…等，若运用ASIC开辟技能将使得研发日程扩展至少高出200天以上，不但使本钱大幅提拔，也将影响到重要元件本钱付出及市场危害。

　除了以上之外，由于现今汽车产业中导入很多技能应用与标准验证，固然传统所利用ASIC技能在大批量生产制造有其低本钱上风，不过较昂贵NRE本钱，加上ASIC桥接时的不机动性，使得本来ASIC在应用上已无法完备地餍足车用电子体系机动计划见解，乃至在资源浪费及耽搁开辟时程等应用危害。另一方面，如今斲丧者对付电子配置的请求便是能依个人私家需求计划差别的成果选择；因此，汽车制造商就必须要以计划出完备元件的组合为重要研发底子，再依据斲丧者差别需求举行配置。

　
   ▲FPGA具有硬件升级特性可确保车用电子的配置能具有较长的利用寿命，因而成为可编程办理方案的一个关键特性。别的，可升级性另有助于网路配置的追踪标准和协议的连续变革，因此可轻松到达硬件升级举措。（数据源头：罗清岳制图整理）

    这些高兴都是为了快速实现车上电子配置到达高度集成化及连续进化体系底子，使车用电子配置可以或许快速推出汽车市场中，FPGA技能都将扮演极为紧张角色。在应用上，可运用FPGA内涵的机动性和可编程化重复编辑本领，就能在单一平台上实现差别汽车总线标准及微处理惩罚器、微控制器接口桥接举措，大幅低落桥赴任情，可为车用电子配置带来了最紧张的机动性运用。而在计划上，透过可现场进程化编辑及重新配置，FPGA不必要别的在付出巨大工程本钱，就能到达体系硬件升级请求，克制昂贵维修用度及零组元件调换等繁琐举措，大概某些FPGA提供商还提供封装相容环境下的密度升级本领，即在原来的PCB计划稳固的环境下提供更大量的逻辑容量，从而在体系请求出现剧烈变革之际，扩展车用电子配置运用平台利用寿命。

　因此，不论是从汽车开辟计划端、验证范例、生产制造到售后办事等差别角度来加以阐发，着实都不难发明FPGA现已深入应用在汽车电子范畴中，并可以直接或间接方法低落车用电子元件总体办理方案本钱。

　■评估FPGA元件技能在车上电子体系应用

　在1年前，在美国曾有大学研究单位针对车上高出390种差别计划规格举行观察，其结果表现利用ASIC SOC计划方法，均匀约必要14至24个月研发时间；而FPGA计划却只必要6至12个月开辟时程。两者均匀相差55％研发时间，除了使开辟业者能快速且兼具时效性上市时间，同时也大幅淘汰工程师人力本钱及资源耗用。

　而生长至今，车用电子产品在计划上渐渐有快速、低代价、大量生产制造等生长之势，还必须要能在车上多变环境中保持高可靠性及历久性；从这个角度来看车用电子体系如安在快速生长及竞争剧烈市场，还能将汽车寂静计划参加评估计划中。

　另一方面，由于汽车厂对付汽车内装空间大小越来越器重；因此，在小型单芯片办理方案中，可逻辑兼具很多差别附加成果本领，也是吸引厂商现今会尽力导入主因。最重要是由于单芯片可编程化编辑体系芯片在整合度上已到达全新标准，不但能在电子体系中实行体系办理成果，在与现行应用比较，可编程化编辑体系芯片除了淘汰本钱之外，也可将空间利用淘汰至50％以上。

　■必须开始面对汽车产业在计划服从的严苛挑衅

　当全部电子元件对付可靠性越来越请求之后，对付环境温度应对本领便成为重要关键。而就理论上而言，险些全部电子产品在利用的进程中，不论是受到环境温度或本身本身孕育产生热源等题目，其元件多少都市出现热涨冷缩征象。对此，应用于多变环境中的车用电子配置及其元件更是尤其紧张。

　不过，由于计划人力与本钱压力之下，使得车用电子的计划、生产方法，包括：利用质料、封装技能与装置方法，必须要与别的范例配置共同利用雷同性子的计划标准平台，因而无法确实到达汽车厂商对付车用电子产品所提出范例需求，这也是长期以来，商用与汽车产业两者范例孕育产生差别最重要缘故起因。

　以汽车元件对付环境温度范例为例，其根本请求必须具备-40℃～125℃宽温范畴，这是由于「温度」是左右电子元件性能与可靠性一项紧张因素，一旦无法餍足范例，其电子配置中的元件、封装、电路板都将因此而孕育产生妨碍。其次，针对车用电子配置元件所孕育产生热膨胀系数处理惩罚，在体系架构计划上，起首必须要克制元件对付热应力影响，这是由于温度高、低循环变革会引起焊接点在高、低温度循环委顿，再颠末肯定次数重覆性温度循环之后，容易导致电子元件外貌会出现妨碍题目。

　因此，当计划者在选择FPGA提供商时，就必须将高可靠性应用参加考量，才有可以或许在汽车特别利用环境下，切合汽车电子配置高可靠性及寂静性FPGA产品，以确保FPGA可以或许在体系最高结点温度下还能连续举措，这是将成果退化和失效的危害降到最低的一项紧张技能。

　▲对付功耗极为敏感的车用电子配置应用厂商，现场可编程化编辑体系芯片提供了超低功耗就寝状态以及待机事变模式，其计划更专门针对0级LAPU体系的监禁操纵，如：配置体系板上电次序及配置办理。（数据源头：Actel）

　■切合汽车厂对付寂静性的盼望

　已往，曾谈过很多有关于汽车电子配置体系寂静、可靠性的产生因素及因应对策，但…却极少将「人为」因素的影响纳入讨论范畴之中。若从元件计划层面来看，着实这都还不敷以构成真正汽车寂静，这是由于汽车寂静、历久度、可靠性是从最根本元件便开初创建。换个角度来看，当FPGA元件比ASIC元件显现出更高本钱效益，及藉以FPGA元件实现计划代价也不绝增长，使得FPGA元件市场占有率连续增长。因此，用于汽车电子配置中的FPGA元件寂静性，至少要到达ASIC技能水准，乃至必须要能逾越ASIC技能。

　比喻说，一旦故意骇客在侵入以FPGA为主体卫星无线总台吸取器之后，粉碎利用者身辨别识成果及体系寂静机制，藉以牟取免费利用办事。就像骇客入侵到收费性子网站中，再破解各个收费办事控制外观机制，进而免费利用该网站。从汽车制造商角度来看，除了关系到汽车防盗体系成果及车上寂静体系之外，更为伤害的是大概藉以调解汽车本来设置产品性能，如：改写燃油运送比例、电子点火时间及别的体系控制成果，将汽车性能提拔到高出其标准值，将大大地影响到行车寂静与环保标准。

　因此，要呼应到上述寂静题目，重要条件就必须先从技能选用；以FPGA反熔丝型技能（Metal to metal）为例，由于反熔丝计划一样平常都采取单向成果，即便不利用锁定装置，其重要布局通常无法容许电子回读举措，因此要明白读取以反熔丝为底子元件状态相称困难，更别说是想要变动配置编辑状态。

　另一方面，采取Flash为重要元件底子也非常具有寂静性；其基源头根本理与反熔丝型FPGA相雷同，利用Flash的FPGA技能以开关作为连接或断开交错金属线，加上Flash的半导体层面不会产生任意物理变革，因此不大概透过非法探测来得知元件状态。

　

　▲反熔丝技能的FPGA是利用一小单方面积小于1μm正方形的电介质，作为两个金属线路之间的开路开关，当必要连接两个金属线路时，利用可编程化编辑脉冲来使该电介质短路，这种短路的直径小于100nm，从顶部是看不到这些短路电介质。（数据源头：Actel）

　■将来汽车也有赛车级的范例与应用

　在以是车用电子开辟范畴中，最早开始采取FPGA计划技能便是种种型的赛车电子控制体系应用，此中又以汽车引擎控制单位（ECU）应用最为遍及，其重要架构便是利用FPGA特性使赛车提起用擎机动性、驾驭性能及电子元件可靠性。由于在永劫间快速行驶，加上竞争剧烈性赛车引擎控制体系，体系本身必须具备巨大调理技能、演算成果，再各为每个特定电子体系控制器单位举行优化举措，用于办理赛车引擎定时成果。

　如今，商用蹊径车辆制造商也在思量采取FPGA所计划的汽车引擎控制单位，使一样平常汽车引擎也具有高度机动运用性，不但实用于种种性汽车的原型制造及研发环境，还能应付百般差别的引擎设置。这对付汽车半导体厂家来说，FPGA技能生长进程中必须先行深入熟习各项技能独特性能，而使得汽车电子财产中的计划职员从中得到最佳长处，也不会影响汽车产业对付生产制造高可靠性及本钱效益汽车电子零组件的隽誉。

　   
     ▲Life Racing分外计划专用于赛车引擎电子控制单位计划－「F88」，在2003年告成应用在Superfund World Series一级方进程大赛（Formula 1）。（数据源头：www.atspeedimages.com）