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FPGA在车电设备中发挥可靠效能

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作者:罗清岳时间:2007-05-28来源:DigiTimes.com收藏
 

过去一般电子工程师大都采用微处理器(微控制器)、ASIC及复杂度高的车用线束作为车上电子控制系统之用,因此设计人员必须在车上内外部结构的设计阶段,需考虑元件选择性、设备可靠度及系统匹配性…等问题。而正当下一代电子与工业面临到改朝换代之际,迫使过去在车内所应用到的传统式解决方案的发展受到了技术瓶颈与应用的局限,使得整个汽车工业面临更严苛的设计挑战。

因此,许多汽车电子产品设计工程师开始转向现场可程序化逻辑闸阵列(Field-Programmable Gate ArrayFPGA),以解决现代汽车及电子设备所新的衍生性问题,这其中包括解决汽车在市场中准确地推出的时间压力之余,还必须在单一硬件达到元件数量标准化之目标,使汽车产业能持续对于安全需求。

针对目前许多特殊应用场合,例如:手持精密设备、携带式测试设备,以及汽车工业、航空电子,都需运行在工业温度标准范围;另外,除了超低功耗之外,还兼具微型封装、上电即时可用和针对逆向工程和IP窃取的安全保护。

一、现在、未来FPGA在汽车产业拥有致命吸引力

FPGA在汽车产业逐渐获得应用之后,所产生优势便与车用电子在主流应用需求达到相互吻合,使设计人员可运用FPGA提供较为灵活性的解决方案,用来满足消费者对最新汽车电子功能各方面的需求,包括:安全性、乘客舒适性、信息和远端信息处理等。这也是汽车电子产业主要背后推动力,如:可靠度、耐久度、安全性…等汽车专有的标准规范可得知;当汽车电子设备逐渐转为开发速度更快、低价、安全的车用电子设备产品需求,其发展趋势已无法抑制,才能使车用电子设备厂所设计的产品能在竞争厂商之前,就能将其产品推入汽车市场中。

一般来说,所有电子产品最初设计目标在于,使原本初期阶段的抽象设计能够达到实际设计目标,才能更迅速地合成复杂的设计,并在最短的时间内完成设计。而为追求更符合汽车厂所要求的车用电子产品设计,使设计人员除了设计出更新的开发工具之外,在优化即时FPGA技术部份也必须有所加强。因此,当在车用电子设备还处于研发阶段的设计初期时,具有高效能的安全性设计及产品设备开发周期便成为市场中的一项优势,而藉由FPGA应用在车用电子设备及系统中,将可进一步体现出汽车电子完整新面貌。

随著车用FPGA设计完善度提高,使得内部设计复杂度也持续增长,使得FPGA技术应用在车用电子设备中的普及率大为提升。换句话说,当车上电子技术持续进步之后,其主要目标就是设备的功能增加,或者提高性能目标等因素。因此,即便车用FPGA技术只是在不久前才兴起,却以十分快的速度在车用电子系统设备中持续发展,借以实现许多车用系统中的多项主要研发阶段所必须兼备的功能。甚至在今日今时,我们可以说:FPGA技术对于整个汽车工业(汽车电子),来说,将拥有令人无法抵挡的吸引力。

二、FPGA深入汽车电子设计与应用范畴

在过去汽车工业发展历史中,可以看到汽车厂商或一般汽车消费大众都习惯于长时间的汽车产品开发日程。不过,当汽车产业竞争逐渐呈现白热化趋势,使得大部分汽车制造商现正努力能够在最短开发周期内,设计开发出消费者所需的电子设备产品,并将其附加功能装置于新一代汽车上。比方说,车载用GPS导航设备或者DVD多媒体影音播放等电子系统设备,使用寿命无法与汽车本身相抗衡;因此,诸如此类的电子设备推入市场速度快慢就显得非常重要。其主要症结在于,这些娱乐及远端信息处理系统产品与传统汽车销售手法及应用方式有很大差异,包括:生产规模、上市压力及消费市场差异性…等,若运用ASIC开发技术将使得研发日程延长至少超过200天以上,不仅使成本大幅提升,也将影响到主要元件成本支出及市场风险。

除了以上之外,由于现今汽车工业中导入许多技术应用与标准验证,虽然传统所使用ASIC技术在大批量生产制造有其低成本优势,不过较昂贵NRE成本,加上ASIC桥接时的不灵活性,使得原本ASIC在应用上已无法完整地满足车用电子系统灵活设计概念,甚至在资源浪费及延宕开发时程等应用风险。另一方面,目前消费者对于电子设备的要求就是能依个人需求设计不同的功能选择;因此,汽车制造商就必须要以设计出完整元件的组合为主要研发基础,再依据消费者不同需求进行配置。

      FPGA具有硬件升级特性可确保车用电子的设备能具有较长的使用寿命,因而成为可程序解决方案的一个关键特性。此外,可升级性还有助于网络设备的追踪标准和协议的持续变化,因此可轻松达到硬件升级动作。

这些努力都是为了快速实现车上电子设备达到高度集成化及持续进化系统基础,使车用电子设备能够快速推出汽车市场中,FPGA技术都将扮演极为重要角色。在应用上,可运用FPGA内在的灵活性和可程序化重复编辑能力,就能在单一平台上实现不同汽车汇流排标准及微处理器、微控制器界面桥接动作,大幅降低桥接工作,可为车用电子设备带来了最重要的灵活性运用。而在设计上,透过可现场程序化编辑及重新配置,FPGA不需要另外在付出庞大工程成本,就能达到系统硬件升级要求,避免昂贵维修费用及零组元件更换等繁琐动作,或者某些FPGA供应商还提供封装兼容情况下的密度升级能力,即在原来的PCB设计不变的情况下提供更大量的逻辑容量,从而在系统要求出现剧烈变化之际,延长车用电子设备运用平台使用寿命。

因此,不论是从汽车开发设计端、验证规范、生产制造到售后服务等不同角度来加以分析,其实都不难发现FPGA现已深入应用在汽车电子范畴中,并可以直接或间接方式降低车用电子元件总体解决方案成本。

三、评估FPGA元件技术在车上电子系统应用

2005年,在美国曾有大学研究单位针对车上超过390种不同设计规格进行调查,其结果显示使用ASIC SOC设计方式,平均约需要1424个月研发时间;而FPGA设计却只需要612个月开发时程。两者平均相差55%研发时间,除了使开发业者能快速且兼具时效性上市时间,同时也大幅减少工程师人力成本及资源耗用。

而发展至今,车用电子产品在设计上逐渐有快速、低价格、大量生产制造等发展之势,还必须要能在车上多变环境中保持高可靠性及耐久性;从这个角度来看车用电子系统如何在快速发展及竞争激烈市场,还能将汽车安全设计列入评估设计中。

另一方面,由于汽车厂对于汽车内装空间大小越来越重视;因此,在小型单芯片解决方案中,可逻辑兼具许多不同附加功能能力,也是吸引厂商现今会全力导入主因。最主要是因为单芯片可程序化编辑系统芯片在整合度上已达到全新标准,不仅能在电子系统中执行系统管理功能,在与现行应用比较,可程序化编辑系统芯片除了减少成本之外,也可将空间使用减少至50%以上。

四、必须开始面对汽车工业在设计效率的严苛挑战

当所有电子元件对于可靠性越来越要求之后,对于环境温度应对能力便成为主要关键。而就理论上而言,几乎所有电子产品在使用的过程中,不论是受到环境温度或自己本身产生热源等问题,其元件多少都会出现热涨冷缩现象。对此,应用于多变环境中的车用电子设备及其元件更是尤其重要。

不过,由于设计人力与成本压力之下,使得车用电子的设计、生产方式,包括:使用材料、封装技术与装配方式,必须要与其它类型设备共同使用相同性质的设计标准平台,因而无法确实达到汽车厂商对于车用电子产品所提出规范需求,这也是长久以来,商用与汽车工业两者规范产生差异最主要原因。

以汽车元件对于环境温度规范为例,其基本要求必须具备-40125℃宽温范围,这是因为”温度」是左右电子元件性能与可靠性一项重要因素,一旦无法满足规范,其电子设备中的元件、封装、电路板都将因此而产生故障。其次,针对车用电子设备元件所产生热膨胀系数处理,在系统架构设计上,首先必须要避免元件对于热应力影响,这是因为温度高、低循环变化会引起焊接点在高、低温度循环疲劳,再经过一定次数重覆性温度循环之后,容易导致电子元件表面会出现故障问题。

因此,当设计者在选择FPGA供应商时,就必须将高可靠性应用列入考量,才有能够在汽车特殊使用环境下,符合汽车电子设备高可靠性及安全性FPGA产品,以确保FPGA能够在系统最高结点温度下还能持续动作,这是将功能退化和失效的风险降到最低的一项重要技术。

对于功耗极为敏感的车用电子设备应用厂商,现场可程序化编辑系统芯片提供了超低功耗睡眠状态以及待机工作模式,其设计更专门针对0LAPU系统的监管操作,如:设备系统板上电顺序及配置管理。

五、符合汽车厂对于安全性的期望

过去,曾谈过很多有关于汽车电子设备系统安全、可靠性的发生因素及因应对策,但却极少将“人为”因素的影响纳入讨论范畴之中。若从元件设计层面来看,其实这都还不足以构成真正汽车安全,这是因为汽车安全、耐久度、可靠性是从最基本元件便开始建立。换个角度来看,当FPGA元件比ASIC元件显现出更高成本效益,及借以FPGA元件实现设计价值也不断增加,使得FPGA元件市场占有率持续增加。因此,用于汽车电子设备中的FPGA元件安全性,至少要达到ASIC技术水平,甚至必须要能超越ASIC技术。

比方说,一旦有心黑客在侵入以FPGA为主体卫星无线总台接收器之后,破坏使用者身分辨识功能及系统安全机制,借以牟取免费使用服务。就像黑客入侵到收费性质网站中,再破解各个收费服务控制台机制,进而免费使用该网站。从汽车制造商角度来看,除了关系到汽车防盗系统功能及车上安全系统之外,更为危险的是可能借以调整汽车原本设定产品性能,如:改写燃油输送比例、电子点火时间及其它系统控制功能,将汽车性能提升到超过其标准值,将大大地影响到行车安全与环保标准。

因此,要呼应到上述安全问题,首要条件就必须先从技术选用;以FPGA反熔丝型技术(Metal to metal)为例,由于反熔丝设计一般都采用单向功能,即便不使用锁定装置,其主要结构通常无法允许电子回读动作,因此要清楚读取以反熔丝为基础元件状态相当困难,更别说是想要更改设备编辑状态。

另一方面,采用Flash为主要元件基础也十分具有安全性;其基本原理与反熔丝型FPGA相类似,利用FlashFPGA技术以开关作为连接或断开交叉金属线,加上Flash的半导体层面不会发生任何物理变化,因此不可能透过非法探测来得知元件状态。

反熔丝技术的FPGA是利用一小片面积小于1μm正方形的电介质,作为两个金属线路之间的开路开关,当需要连接两个金属线路时,利用可程序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。

六、未来汽车也有赛车级的规范与应用

在所以车用电子开发领域中,最早开始采用FPGA设计技术便是各类型的赛车电子控制系统应用,其中又以汽车引擎控制单元(ECU)应用最为广泛,其主要架构就是利用FPGA特性使赛车提升引擎灵活性、驾驭性能及电子元件可靠性。因为在长时间快速行驶,加上竞争激烈性赛车引擎控制系统,系统本身必须具备复杂调节技术、演算功能,再各为每个特定电子系统控制器单元进行优化动作,用于管理赛车引擎定时功能。

目前,商用道路车辆制造商也在考虑采用FPGA所设计的汽车引擎控制单元,使一般汽车引擎也具有高度灵活运用性,不仅适用于各类性汽车的原型制造及研发环境,还能应付各式不同的引擎设置。这对于汽车半导体厂家来说,FPGA技术发展过程中必须先行深入熟悉各项技术独特性能,而使得汽车电子产业中的设计人员从中获得最佳利益,也不会影响汽车工业对于生产制造高可靠性及成本效益汽车电子零组件的美名。

Life Racing特别设计专用于赛车引擎电子控制单元设计-“F88”,在2003年成功应用在Superfund World Series一级方程序大赛(Formula 1)。



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