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 Hitslequ。turanjian，yinqingguanlixitonghuowendingkongzhixitongshixiao。ruguochuxianzheyimu
，ninbujinjinkenenghuizaoyuyanzhonghuokenengshizhimingdechehuo，erqiechechangyekenengbeihuiyuyidan，jiasheleisiqingkuangbuzhiniyigedehua。

suizheqichecongchunjixieshebeixiangxiandaigaodujichengdexiankongjiashiqichedianzixitongfazhan，shejigongchengxianzaimianlinyuelaiyueduodetiaozhan。tamenbixuchixubafuzadedianzishebeitianjiadaomeiyigehouxuchexingnian，yucitongshi
，rengranyaoweichigaobiaozhundepinzhihekekaoxing，bingmanzuyangededichengbenhedapiliangshengchandeyaoqiu。

傳統上
，這些開發商一直采用微控製器(MCU)

、ASIC和(he)碩(shuo)大(da)的(de)線(xian)束(shu)來(lai)實(shi)現(xian)和(he)控(kong)製(zhi)這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)並(bing)擴(kuo)展(zhan)每(mei)一(yi)代(dai)汽(qi)車(che)的(de)性(xing)能(neng)。目(mu)前(qian)
，這(zhe)些(xie)技(ji)術(shu)已(yi)經(jing)逼(bi)近(jin)了(le)它(ta)們(men)的(de)極(ji)限(xian)，並(bing)因(yin)複(fu)雜(za)性(xing)呈(cheng)指(zhi)數(shu)增(zeng)長(chang)而(er)引(yin)發(fa)了(le)對(dui)可(ke)靠(kao)性(xing)問(wen)題(ti)的(de)關(guan)注(zhu)。為(wei)了(le)解(jie)決(jue)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)

，許(xu)多(duo)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)正(zheng)在(zai)轉(zhuan)向(xiang)采(cai)用(yong)FPGA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

為wei了le確que保bao現xian代dai汽qi車che中zhong各ge種zhong係xi統tong的de功gong能neng運yun轉zhuan正zheng常chang
，必bi須xu對dui元yuan器qi件jian提ti出chu可ke靠kao性xing數shu據ju的de要yao求qiu。雖sui然ran人ren們men掌zhang握wo元yuan器qi件jian可ke靠kao性xing的de大da部bu分fen原yuan理li
，但dan是shi，在zai選xuan擇ze可ke編bian程cheng邏luo輯ji器qi件jian如ruFPGA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yuFPGA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
，houguodoushiyanzhongde。ruguopeizhiweibeiraoluanbinggaibianzhuangtai，takenenghuigaibianzhenggeqijiandegongneng，daozhizhongdashujubengkuihuoxiangxitongzhongdeqitadianlufasongxujiadexinhao。zaijiduanqingkuangxia
，ruguogujiancuowuchangqiweibeijiancedaoqicunzai，name，jiunengbiancheng“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。