FPGA技術(shù)在汽車中實(shí)現(xiàn)高可靠性和安全性

汽車工業(yè)正經(jīng)歷重大的結(jié)構(gòu)化轉(zhuǎn)變。自動(dòng)駕駛革命增加了電子系統(tǒng)的復(fù)雜性和縮短了設(shè)計(jì)周期。隨著人們對安全和燃油效率的關(guān)注增加，混合動(dòng)力車輛和電動(dòng)車輛也益發(fā)受到注目。

這些車輛的電子系統(tǒng)不僅應(yīng)滿足功能要求，而且還要確保在汽車的整個(gè)使用壽命期間無缺陷和故障地安全運(yùn)行。這些系統(tǒng)中使用的零組件必須滿足或超過汽車電子協(xié)會(huì)（AEC）等各種工業(yè)團(tuán)體規(guī)定的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。安全性關(guān)鍵的汽車應(yīng)用還應(yīng)能夠防止這些系統(tǒng)功能因?yàn)槿魏挝词跈?quán)存取、篡改或破壞而被改變并導(dǎo)致災(zāi)難性結(jié)果（包括人命傷亡）。

安全性是汽車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵

汽車創(chuàng)新和技術(shù)的提升正推動(dòng)配置安全解決方案、減少相關(guān)安全威脅的需求。雖然包括高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、車輛連接性能和自動(dòng)駕駛等先進(jìn)特性對車輛的舒適性和安全性水平做出了重大貢獻(xiàn)，但它們也使車輛更容易遭受黑客攻擊和面對各種安全威脅。

例如，V2V/V2I通訊系統(tǒng)采用專用車載短程通訊系統(tǒng)，使車輛能夠?qū)踩嚓P(guān)信息發(fā)送到其他車輛和從其他車輛接受此類信息。所有V2V/V2I信息都來自值得信任的來源，并且應(yīng)有安全防護(hù)措施，確保信息未在發(fā)送和接收之間被篡改，這是非常重要的。如果車輛之間未建立值得信任且安全的通訊，后果會(huì)非常嚴(yán)重。共享信息和車內(nèi)通訊使用的增加，也使汽車容易受到黑客攻擊。此外，用戶關(guān)心隱私問題，要求保證信息不會(huì)泄露駕駛員的身份或位置信息。匿名車輛的安全信息應(yīng)只提供給預(yù)先授權(quán)的車輛和其他機(jī)構(gòu)。

多重保護(hù)實(shí)現(xiàn)功能安全

一些FPGA整合了多種安全特征，如差異化功率分析（DPA）保護(hù)、加密加速器、高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）、安全散列算法（SHA）、篡改檢測器、物理不可復(fù)制功能（PUF）等，可以提供硬件、設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)層面的安全，從而實(shí)施安全的汽車解決方案。

高級駕駛輔助系統(tǒng)ADAS

ADAS是提供被動(dòng)和主動(dòng)回饋以改善駕駛員安全性和舒適感的電子系統(tǒng)。它們是預(yù)測性系統(tǒng)，針對潛在危險(xiǎn)，預(yù)先提出警報(bào)，以防止事故。由于消費(fèi)者安全意識增加及政府法規(guī)規(guī)定，這些系統(tǒng)正日益被OEM采納。ADAS的各種特性包括自我調(diào)整巡航控制、盲點(diǎn)預(yù)警、偏道警告、避碰和行人檢測系統(tǒng)。ADAS以復(fù)雜的傳感器配置為基礎(chǔ)，傳送信息如速度、溫度、物體存在性、訊號和車道檢測至處理和控制裝置。這些輸入經(jīng)過處理，實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)、畸變校正、物體識別和動(dòng)態(tài)估計(jì)，然后，經(jīng)分析后，采取糾正措施。控制系統(tǒng)接收處理過的輸入，控制輸出，如剎車或向駕駛員警報(bào)系統(tǒng)。ADAS必須堅(jiān)守其功能以避免事故，因此，需要安全的，帶有失效保護(hù)的實(shí)施方案。FPGA能夠?qū)嵤?shù)據(jù)處理和顯示功能，提供可靠安全的解決方案。

V2X通訊系統(tǒng)采用車載專用短程無線電通訊裝置，將有關(guān)安全的信息傳輸?shù)狡渌囕v（圖1）。這些信息包括有關(guān)車輛速度、方向、剎車狀態(tài)和尺寸。這些系統(tǒng)還接收有關(guān)其他車輛的相同信息。配備V2X的車輛由于能夠通過其他車輛獲得更遠(yuǎn)的檢測距離及「看到」周圍環(huán)境，因此能夠以比傳感器、攝像機(jī)或雷達(dá)快很多的速度「意識」到其他車輛的存在，并向其他駕駛員預(yù)警某些威脅。

圖1車輛連接性：V2X（V2V和V2I）

但是，如果V2X系統(tǒng)無法確保信息來自于值得信任的來源，且它們在發(fā)送和接收之間并未被篡改，則可能出現(xiàn)嚴(yán)重的后果，包括人命傷亡。FPGA采用對稱或不對稱加密技術(shù)，產(chǎn)生公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI）系統(tǒng)的私鑰，能夠?yàn)閂2X實(shí)施安全的通訊系統(tǒng)（圖2）。

圖2FPGA可以為V2X實(shí)施安全的通訊系統(tǒng)

燃油價(jià)格持續(xù)飆升、近期有關(guān)碳排放的法律規(guī)定、客戶對更好性能和質(zhì)量的要求，正迫使汽車產(chǎn)業(yè)提供更好的內(nèi)燃機(jī)替代方案。向顧客提供各種選擇方案，包括混合、插電式混合動(dòng)力和全電動(dòng)方案的動(dòng)力系統(tǒng)電氣化，已經(jīng)成為趨勢（圖3）。汽車電子在這種電氣化中起著非常重要的作用，從而導(dǎo)致了新的復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元面世?；旌?電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元在以下方面為設(shè)計(jì)人員帶來挑戰(zhàn)：

圖3混合、插電式混合和全電動(dòng)車輛提供更好的內(nèi)燃機(jī)替代方案。

?整合各種零組件

?配置簡單?平臺(tái)擴(kuò)展性和遷移性?中子誤差免疫性?防篡改和複製安全性?低功耗?總體應(yīng)用成本

快閃記憶體FPGA的優(yōu)點(diǎn)有可重程式設(shè)計(jì)性、安全性、可靠性、硬體設(shè)定性及更廣闊的溫度支援，使設(shè)計(jì)人員能夠應(yīng)對前面提到的挑戰(zhàn)。

汽車用FPGA的優(yōu)點(diǎn)

隨著復(fù)雜性不斷增加和對駕駛員安全重視的提高，F(xiàn)PGA正日益適合新一代汽車系統(tǒng)。支持汽車應(yīng)用采用FPGA的因素有幾個(gè)。

1 多線程和并行處理能力FPGA能夠并行執(zhí)行多種功能，在ADAS、智能停車輔助系統(tǒng)和功率控制系統(tǒng)（電動(dòng)車）等應(yīng)用中極具優(yōu)勢。這些應(yīng)用涉及同時(shí)處理不同類型的資料，同時(shí)向駕駛員回饋，或產(chǎn)生多種控制功能訊號。例如，ADAS和智能停車輔助系統(tǒng)應(yīng)用要求同時(shí)處理來自多個(gè)來源，如攝影機(jī)、傳感器等的資料。處理IP可以在FPGA架構(gòu)中實(shí)施，使單一組件可以同時(shí)執(zhí)行多種功能。大多數(shù)FPGA還擁有整合外圍的核心，能夠?qū)嵤┩ǔＪ褂玫墓δ?，?a target="_blank">控制器區(qū)域網(wǎng)通訊（CAN）。這些外圍核心經(jīng)優(yōu)化，可與各種輸入訊號并行處理一起使用。

2 實(shí)施安全可靠的解決方案現(xiàn)代汽車包括用以控制和監(jiān)測各種功能的多個(gè)處理組件和傳感器。包括ADAS、V2V/V2I和停車輔助系統(tǒng)的應(yīng)用顯著改善了汽車使用者的安全性，但是，這些先進(jìn)的特點(diǎn)也帶來了新的潛在風(fēng)險(xiǎn)。建立安全系統(tǒng)的重要一步是確保系統(tǒng)不受惡意篡改攻擊?，F(xiàn)在的FPGA擁有幾項(xiàng)整合的安全特性，包括高級加密加速器、AES、SHA、橢圓曲線密碼（ECC）、安全比特流、PKI和防DPA，所有這些特性使FPGA能夠構(gòu)建安全系統(tǒng)。

另一個(gè)設(shè)計(jì)汽車系統(tǒng)的重要條件是需要連續(xù)運(yùn)行幾年而不受環(huán)境影響（如單粒子翻轉(zhuǎn)，簡稱SEU）的高可靠系統(tǒng)。閃存FPGA采用閃存架構(gòu)，因而對SEU免疫，提供零失效（FIT）率，應(yīng)對汽車應(yīng)用的高可靠性要求，顯著簡化了此類關(guān)鍵系統(tǒng)的冗余要求和改進(jìn)了可靠性。

3 汽車設(shè)計(jì)向平臺(tái)概念轉(zhuǎn)變

現(xiàn)在，汽車制造商偏愛基于平臺(tái)的實(shí)施，即以某種設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，將其進(jìn)行適度修改，形成各個(gè)型號的差異化方案。這種方法使汽車制造商縮短了設(shè)計(jì)周期和引入了新的特性。

FPGA可程序設(shè)計(jì)并具有豐富資源，成為建立平臺(tái)解決方案的理想選擇。由于FPGA可以程序設(shè)計(jì)，即使汽車制造商在最后一分鐘修改設(shè)計(jì)，也不會(huì)顯著延長上市時(shí)間，是一個(gè)出色的選擇方案。

4 縮短汽車設(shè)計(jì)周期

汽車設(shè)計(jì)周期正變得越來越短，促使一級制造商不僅要快速建立設(shè)計(jì)原型，而且要滿足性能水平的要求。FPGA擁有可程序設(shè)計(jì)的靈活架構(gòu)，提供了開發(fā)原型、評價(jià)性能和設(shè)計(jì)定型的理想平臺(tái)。

5 在汽車中實(shí)現(xiàn)高可靠性和安全性

安全性和可靠性是汽車應(yīng)用重點(diǎn)關(guān)注的問題，汽車系統(tǒng)需要滿足該行業(yè)主流的高可靠性和安全性法規(guī)。美高森美公司提供擁有可靠性和安全性特征的汽車級（AEC-Q100）SmartFusion2SoC FPGA和IGLOO2 FPGA。SmartFusion2和IGLOO2是功耗和成本優(yōu)化的產(chǎn)品，為汽車客戶提供最低整體擁有成本。

美高森美應(yīng)對汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)人員面臨的基本挑戰(zhàn)，提供（圖4）：

圖4 美高森美應(yīng)對汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)人員面臨的基本挑戰(zhàn)

?高可靠性，確保零缺陷（單粒子翻轉(zhuǎn)免疫零FIT率）

?保護(hù)數(shù)據(jù)和連接安全的業(yè)界最佳安全性

?由擁有高可靠性可信任供貨商提供的供應(yīng)保證

?滿足或超過AEC-Q100要求的汽車級組件

?工程客戶支持團(tuán)隊(duì)

?汽車質(zhì)量和故障分析團(tuán)隊(duì)

?可使用TS16949認(rèn)證的晶圓廠和裝配工廠

?廣泛的高可靠性傳承

?可實(shí)現(xiàn)最佳功率效率的低功耗特性

?最低整體擁有成本