设想一下：如果你驱车以每小时75英里的速度在高速公路上疾驰，一边驾驶着2006才购买的新车，一边欣赏着Steve Miller的Greatest Hits乐曲。突然间，引擎管理系统或稳定控制系统失效。如果出现这一幕，您不仅仅可能会遭遇严重或可能是致命的车祸，而且车厂也可能被毁誉一旦，假设类似情况不止你一个的话。 随着
汽车从纯机械设备向现代高度集成的线控驾驶汽车电子系统发展，设计工程现在面临越来越多的挑战。它们必须持续把复杂的电子设备添加到每一个后续车型年，与此同时，仍然要维持高标准的品质和可靠性，并满足严格的低成本和大批量生产的要求。 传统上，这些开发商一直采用微控制器（MCU）、ASIC和硕大的线束来实现和控制这些系统并扩展每一代汽车的性能。目前，这些技术已经逼近了它们的极限，并因复杂性呈指数增长而引发了对可靠性问题的关注。为了解决这些问题，许多设计工程师正在转向采用FPGA作为下一代汽车电子设计的灵活和低成本的解决方案。 太空射线引发的故障 为了确保现代汽车中各种系统的功能运转正常，必须对元器件提出可靠性数据的要求。虽然人们掌握元器件可靠性的大部分原理，但是，在选择可编程逻辑器件如FPGA的过程中，要把一些独特的问题纳入应该考虑的因素。 明确地说，技术决策人要预见到将影响可编程逻辑系统的故障源。虽然来自太空（宇宙射线）的中子轰击的概念听起来就像蹦出Star Trek的插曲，中子导致的错误现实上对许多类型的电子设备都有危害。 中子导致的固件错误（firm error）已经从一件麻烦事变为重大问题。例如，如果中子导致基于SRAM（基于静态）的FPGA的（以下简称：SRAM FPGA）配置单元被扰乱，就可能导致功能丧失。如果出现这种情况，它就可能造成主系统失常。展望未来，这种问题将更为严重，因为将来的深亚微米制造工艺将持续为基于FPGA的汽车电子系统的设计工程师带来实实在在的挑战。 在集成电路内部由中子造成的单事件扰乱（SEU）可能在各种类型非易失性存储单元中都会出现。上述SRAM FPGA采用内部存储单元来保持FPGA的配置状态或（个性）。这些存储器单元面对更为严重的可靠性威胁。当内容被改变的时候，它被称为“软错误”，因为是数据错误，而功能不受影响。虽然该器件可以采用校正数据成功地重新写入，对SRAM数据和寄存器可以分别采用EDAC（错误检测和校正）或TMR（隧道磁阻）。软错误可能导致数据丢失或“系统出现意外故障”。 如果SRAM FPGA配置存储器单元受到破坏，那就称为“固件错误”，因为这些错误不易检测或校正并且本质上不是瞬时现象。一旦在FPGA中出现固件错误，必须采用初始配置对该器件进行重新载入。在一些情况下，必须重新上电以清除故障，然后，重新配置。 这些配置单元中，只要有一个遭遇中子导致的SEU，后果都是严重的。如果配置为被扰乱并改变状态，它可能会改变整个器件的功能，导致重大数据崩溃或向系统中的其它电路发送虚假的信号。在极端情况下，如果固件错误长期未被检测到其存在，那么，就能变成“硬故障（hard errors）”并对器件本身或包含该器件的系统造成破坏。这类问题的常见例子是：中子导致的稳故障把信号导向错误的路径，从而造成短路。 对于采用SRAM FPGA的、执行重要任务的汽车电子应用系统，中子导致的错误有着重要的影响。现有的检测技术，每隔一定间隔读回FPGA的配置，对防止系统内的错误毫无帮助。 此外，能够检测受破坏配置的读回电路本身就易于遭受SEU或破坏。进一步说，在检查汽车系统抗中子导致的错误中，随着易受影响的FPGA技术的广泛应用，人们要求把创新的质量认证体系添加到AEC-Q100标准之中，以补充JEDEC标准 89的不足。当前检测和校正FPGA固件错误的方案增加了系统设计的额外复杂性，并增加了电路板的大小和物料的成本，从而增加了发现中子导致的错误的“成本”。 中子导致的固件错误可能对整个系统按时间计算的故障（FIT）率影响很大。由于难以检测和几乎不可能诊断，软和稳故障可能引发维护和服务问题，从而有可能造成担保费用攀升。在三种主流FPGA技术—反熔丝、闪存和SRAM—之中，只有反熔丝和闪存免受抗中子导致的软错误和固件错误的影响。 实例：具有SRAM FPGA的汽车系统 本例分析一个安装在驾驶室内地板中的系统。中子射线密度以Denver计算，元素钴放置在5000英尺的高处，用SpaceRad 4.5（一种广泛应用的辐射效应预测软件程序）工具测量。根据已出版的关于0.22um SRAM FPGA的辐射数据，每天每1百万门FPGA的预测扰乱率为1.05E-4。 如果供应商在乘员传感器和气袋控制模块中部署1百万门SRAM FPGA，把每天每1百万门器件为1.054E-4的扰乱率乘以每天每系统为模拟4.38E-06的扰乱率或4375FIT。这意味着，如果同一供应商在50万辆车中采用基于1百万门SRAM FPGA的安全系统，把扰乱数1.05E-4乘以路上的车辆/系统的数量，就得到所有车辆每天有52.5的总扰乱数（假设车辆做恒速工作）。 这就相当于每27.4分钟出现一次扰乱。即使对于每天两小时的中等车辆使用率，仍然有每天两次扰乱。因为这些都是稳故障，它们都将持续下去，直到SRAM FPGA被二次加载（通常要重新上电或强迫配置）。 在目前的半导体技术中，器件中的软错误已经受到高度关注。随着器件尺寸持续缩小，人们广泛认为这些软错误将成为主要问题。这些错误可能常常极大地降低系统的可用性。为了把系统的可用性维持在可以接受的水平，人们强烈要求避免出现软错误。 未来要做的工作 当选择FPGA的时候，至关重要的是评价每一种可编程架构所有权的总成本，并识别具有本质上可靠的内核技术的供应商，不要采用为低档次要求应用而设计的二等品质的商用产品。 对于采用SRAM FPGA的设计工程师来说，有必要实现检测和校正配置错误的电路，尽管这会增加系统成本和复杂性。此外，辐射测试数据表明，反融丝和基于闪存的FPGA不易于出现因中子导致的扰乱而造成的配置丢失。这使它们特别适用于可靠性要求高的应用。 现在，想象以下稍微不同的外景：你以每小时75英里的速度驾驶着新的2006车型在高速公路奔驰，耳畔聆听着优美的Steve Miller的Greatest Hits乐曲。由于对引擎管理系统中采用的基于非易失性闪存的FPGA充满信心，你推杆加速狂飙，体验着极速带来的快乐，享受着舒适和无故障的旅行。
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