中心議題：

• 宇宙射線對汽車電子係統的損傷分析
• 探討太空射線引發電子係統的故障

解決方案：

• 采用具有SRAM FPGA的汽車係統

設想一下：如果你驅車以每小時75英裏的速度在高速公路上疾馳，一邊駕駛著2006才購買的新車
，一邊欣賞著Steve Miller的Greatest Hits樂le曲qu。突tu然ran間jian
，引yin擎qing管guan理li係xi統tong或huo穩wen定ding控kong製zhi係xi統tong失shi效xiao。如ru果guo出chu現xian這zhe一yi幕mu
，您nin不bu僅jin僅jin可ke能neng會hui遭zao遇yu嚴yan重zhong或huo可ke能neng是shi致zhi命ming的de車che禍huo，而er且qie車che廠chang也ye可ke能neng被bei毀hui譽yu一yi旦dan，假jia設she類lei似si情qing況kuang不bu止zhi你ni一yi個ge的de話hua。

隨sui著zhe汽qi車che從cong純chun機ji械xie設she備bei向xiang現xian代dai高gao度du集ji成cheng的de線xian控kong駕jia駛shi汽qi車che電dian子zi係xi統tong發fa展zhan，設she計ji工gong程cheng現xian在zai麵mian臨lin越yue來lai越yue多duo的de挑tiao戰zhan。它ta們men必bi須xu持chi續xu把ba複fu雜za的de電dian子zi設she備bei添tian加jia到dao每mei一yi個ge後hou續xu車che型xing年nian，與yu此ci同tong時shi，仍reng然ran要yao維wei持chi高gao標biao準zhun的de品pin質zhi和he可ke靠kao性xing
，並bing滿man足zu嚴yan格ge的de低di成cheng本ben和he大da批pi量liang生sheng產chan的de要yao求qiu。

傳統上，這些開發商一直采用微控製器(MCU)、ASICheshuodadexianshulaishixianhekongzhizhexiexitongbingkuozhanmeiyidaiqichedexingneng。muqian，zhexiejishuyijingbijinletamendejixian
，bingyinfuzaxingchengzhishuzengchangeryinfaleduikekaoxingwentideguanzhu。weilejiejuezhexiewenti，xuduoshejigongchengshizhengzaizhuanxiangcaiyongFPGA作為下一代汽車電子設計的靈活和低成本的解決方案。

太空射線引發的故障

weilequebaoxiandaiqichezhonggezhongxitongdegongnengyunzhuanzhengchang
，bixuduiyuanqijiantichukekaoxingshujudeyaoqiu。suiranrenmenzhangwoyuanqijiankekaoxingdedabufenyuanli
，danshi
，zaixuanzekebianchengluojiqijianruFPGA的過程中，要把一些獨特的問題納入應該考慮的因素。

明確地說

，技術決策人要預見到將影響可編程邏輯係統的故障源。雖然來自太空(宇宙射線)的中子轟擊的概念聽起來就像蹦出Star Trek的插曲，中子導致的錯誤現實上對許多類型的電子設備都有危害。

中子導致的固件錯誤(firm error)已經從一件麻煩事變為重大問題。例如，如果中子導致基於SRAM(基於靜態)的FPGA的(以下簡稱：SRAM FPGA)配(pei)置(zhi)單(dan)元(yuan)被(bei)擾(rao)亂(luan)，就(jiu)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)功(gong)能(neng)喪(sang)失(shi)。如(ru)果(guo)出(chu)現(xian)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)，它(ta)就(jiu)可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)主(zhu)係(xi)統(tong)失(shi)常(chang)。展(zhan)望(wang)未(wei)來(lai)
，這(zhe)種(zhong)問(wen)題(ti)將(jiang)更(geng)為(wei)嚴(yan)重(zhong)，因(yin)為(wei)將(jiang)來(lai)的(de)深(shen)亞(ya)微(wei)米(mi)製(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)將(jiang)持(chi)續(xu)為(wei)基(ji)於(yu)FPGA的汽車電子係統的設計工程師帶來實實在在的挑戰。

在集成電路內部由中子造成的單事件擾亂(SEU)可能在各種類型非易失性存儲單元中都會出現。上述SRAM FPGA采用內部存儲單元來保持FPGA的配置狀態或(個性)。這些存儲器單元麵對更為嚴重的可靠性威脅。當內容被改變的時候
，它被稱為“軟錯誤”，因為是數據錯誤，而功能不受影響。雖然該器件可以采用校正數據成功地重新寫入，對SRAM數據和寄存器可以分別采用EDAC(錯誤檢測和校正)或TMR(隧道磁阻)。軟錯誤可能導致數據丟失或“係統出現意外故障”。

如果SRAM FPGA配置存儲器單元受到破壞

，那就稱為“固件錯誤”，因為這些錯誤不易檢測或校正並且本質上不是瞬時現象。一旦在FPGA中出現固件錯誤，必須采用初始配置對該器件進行重新載入。在一些情況下
，必須重新上電以清除故障，然後
，重新配置。

這些配置單元中，隻要有一個遭遇中子導致的SEU
，後(hou)果(guo)都(dou)是(shi)嚴(yan)重(zhong)的(de)。如(ru)果(guo)配(pei)置(zhi)為(wei)被(bei)擾(rao)亂(luan)並(bing)改(gai)變(bian)狀(zhuang)態(tai)，它(ta)可(ke)能(neng)會(hui)改(gai)變(bian)整(zheng)個(ge)器(qi)件(jian)的(de)功(gong)能(neng)，導(dao)致(zhi)重(zhong)大(da)數(shu)據(ju)崩(beng)潰(kui)或(huo)向(xiang)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)其(qi)它(ta)電(dian)路(lu)發(fa)送(song)虛(xu)假(jia)的(de)信(xin)號(hao)。在(zai)極(ji)端(duan)情(qing)況(kuang)下(xia)，如(ru)果(guo)固(gu)件(jian)錯(cuo)誤(wu)長(chang)期(qi)未(wei)被(bei)檢(jian)測(ce)到(dao)其(qi)存(cun)在(zai)，那(na)麼(me)，就(jiu)能(neng)變(bian)成(cheng)“硬故障(hard errors)”並對器件本身或包含該器件的係統造成破壞。這類問題的常見例子是：中子導致的穩故障把信號導向錯誤的路徑，從而造成短路。

對於采用SRAM FPGA的、執行重要任務的汽車電子應用係統
，中子導致的錯誤有著重要的影響。現有的檢測技術，每隔一定間隔讀回FPGA的配置
，對防止係統內的錯誤毫無幫助。

此外，能夠檢測受破壞配置的讀回電路本身就易於遭受SEU或破壞。進一步說，在檢查汽車係統抗中子導致的錯誤中，隨著易受影響的FPGA技術的廣泛應用，人們要求把創新的質量認證體係添加到AEC-Q100標準之中，以補充JEDEC標準 89的不足。當前檢測和校正FPGA固件錯誤的方案增加了係統設計的額外複雜性，並增加了電路板的大小和物料的成本
，從而增加了發現中子導致的錯誤的“成本”。

中子導致的固件錯誤可能對整個係統按時間計算的故障(FIT)率影響很大。由於難以檢測和幾乎不可能診斷
，軟和穩故障可能引發維護和服務問題，從而有可能造成擔保費用攀升。在三種主流FPGA技術—反熔絲

、閃存和SRAM—之中，隻有反熔絲和閃存免受抗中子導致的軟錯誤和固件錯誤的影響。
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實例：具有SRAM FPGA的汽車係統

本例分析一個安裝在駕駛室內地板中的係統。中子射線密度以Denver計算，元素鈷放置在5000英尺的高處，用SpaceRad 4.5(一種廣泛應用的輻射效應預測軟件程序)工具測量。根據已出版的關於0.22um SRAM FPGA的輻射數據，每天每1百萬門FPGA的預測擾亂率為1.05E-4。

如果供應商在乘員傳感器和氣袋控製模塊中部署1百萬門SRAM FPGA
，把每天每1百萬門器件為1.054E-4的擾亂率乘以每天每係統為模擬4.38E-06的擾亂率或4375FIT。這意味著，如果同一供應商在50萬輛車中采用基於1百萬門SRAM FPGA的安全係統
，把擾亂數1.05E-4乘以路上的車輛/係統的數量，就得到所有車輛每天有52.5的總擾亂數(假設車輛做恒速工作)。

這就相當於每27.4分鍾出現一次擾亂。即使對於每天兩小時的中等車輛使用率，仍然有每天兩次擾亂。因為這些都是穩故障，它們都將持續下去，直到SRAM FPGA被二次加載(通常要重新上電或強迫配置)。

zaimuqiandebandaotijishuzhong，qijianzhongderuancuowuyijingshoudaogaoduguanzhu。suizheqijianchicunchixusuoxiao

，renmenguangfanrenweizhexieruancuowujiangchengweizhuyaowenti。zhexiecuowukenengchangchangjidadijiangdixitongdekeyongxing。weilebaxitongdekeyongxingweichizaikeyijieshoudeshuiping，renmenqianglieyaoqiubimianchuxianruancuowu。

未來要做的工作

當選擇FPGA的(de)時(shi)候(hou)，至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)評(ping)價(jia)每(mei)一(yi)種(zhong)可(ke)編(bian)程(cheng)架(jia)構(gou)所(suo)有(you)權(quan)的(de)總(zong)成(cheng)本(ben)，並(bing)識(shi)別(bie)具(ju)有(you)本(ben)質(zhi)上(shang)可(ke)靠(kao)的(de)內(nei)核(he)技(ji)術(shu)的(de)供(gong)應(ying)商(shang)
，不(bu)要(yao)采(cai)用(yong)為(wei)低(di)檔(dang)次(ci)要(yao)求(qiu)應(ying)用(yong)而(er)設(she)計(ji)的(de)二(er)等(deng)品(pin)質(zhi)的(de)商(shang)用(yong)產(chan)品(pin)。

對於采用SRAM FPGA的de設she計ji工gong程cheng師shi來lai說shuo，有you必bi要yao實shi現xian檢jian測ce和he校xiao正zheng配pei置zhi錯cuo誤wu的de電dian路lu，盡jin管guan這zhe會hui增zeng加jia係xi統tong成cheng本ben和he複fu雜za性xing。此ci外wai，輻fu射she測ce試shi數shu據ju表biao明ming，反fan融rong絲si和he基ji於yu閃shan存cun的deFPGA不易於出現因中子導致的擾亂而造成的配置丟失。這使它們特別適用於可靠性要求高的應用。

現在，想象以下稍微不同的外景：你以每小時75英裏的速度駕駛著新的2006車型在高速公路奔馳，耳畔聆聽著優美的Steve Miller的Greatest Hits樂曲。由於對引擎管理係統中采用的基於非易失性閃存的FPGA充滿信心
，你推杆加速狂飆，體驗著極速帶來的快樂，享受著舒適和無故障的旅行。