?設想一下：如果你駕駛最新款的汽車，以每小時 75 英里的速度在高速公路上疾馳，并一邊欣賞著流行的樂曲。

突然間，引擎管理系統或穩定控制系統失效。面對這個情勢，您不僅可能會遭遇嚴重 （甚至致命） 的車禍，而車廠的聲譽也可能遭到損害，如果類似情況不止出現在你身上的話。

隨著汽車在過去 25 年中從純機械設備演變成高度集成的線控駕駛汽車電子系統，設計人員面臨的挑戰也不斷增加。他們必須把復雜的電子設備增添到每一個后續車型中，同時還得維持高標準的品質和可靠性，并滿足嚴格的低成本和大批量生產要求。

傳統上，汽車開發人員一直依賴于 MCU、ASIC 和碩大的線束來實現和控制電子系統，并擴展每一代汽車的功能。如今，這些解決方案正逼近其技術極限，而且隨著汽車電子的復雜性呈指數級增長，其可靠性也引起人們的關注。為了解決這些問題，許多設計人員開始轉向 FPGA，將其作為下一代汽車電子設計的靈活及低成本解決方案。

為了確保現代汽車中各種系統的功能運轉正常，必須對元件提出可靠性數據的要求。雖然人們已掌握元件可靠性的大部分要素，但是在選擇可編程邏輯器件如 FPGA 的過程中，還得考慮一些特殊的問題。

了解宇宙射線的破壞作用

具體點說，技術決策人必須預見到影響可編程邏輯系統的故障源。來自太空 （宇宙射線） 的中子轟擊，這聽起來有點像電影《星際旅行》中的某個情節，但事實上中子導致的錯誤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） 已經從純粹的麻煩事變為大問題。例如，如果中子導致基于 SRAM 的FPGA 配置單元被擾亂，就可能使到功能失效。如果出現這種情況，可以造成主系統失常。展望未來，這種問題將更為嚴重，因為將來的 FPGA 會采用深亞微米制造工藝，這將給基于 FPGA 的汽車電子設計工程師帶來實實在在的挑戰。

中子轟擊造成的單事件擾亂 （SEU） 在任何類型的易失性存儲單元都易于發生。上述SRAM FPGA 采用內部存儲單元來保持 FPGA 的配置狀態 （或個性）。這種存儲器單元存在更為嚴重的可靠性問題。當內容被更改的時候，我們說器件發生“軟錯誤”，因為在這種情況下，僅數據受影響，而功能未受影響。雖然可以采用校正數據成功地重新寫入器件 （對 SRAM 數據和寄存器可以分別采用 EDAC （錯誤檢測和校正） 和 TMR （隧道磁阻） 技術來糾正），但軟錯誤還是可以導致數據丟失或“系統意外故障”。

如果 SRAM FPGA 配置存儲器單元受到破壞，我們說器件發生“固件錯誤”，因為這些錯誤不易檢測或校正，而且本質上不是暫時現象。一旦在 FPGA 中出現固件錯誤，必須重新載入初始配置數據。在某些情況下，還必須重新上電以清除故障，然后再重新配置。在這些配置單元中，只要有一個遭遇中子導致的 SEU，后果都可以很嚴重。如果某個配置位被擾亂而改變狀態，它可能會改變整個器件的功能，導致重大數據崩潰或向系統中的其它電路發送虛假的信號。在極端情況下，如果固件錯誤長期未被檢測到，那么，就會變成“硬故障 （hard errors）” 并對器件本身或包含該器件的系統造成破壞。這類問題的常見例子是：中子導致的固件錯誤把信號導向錯誤的路徑，從而造成短路。

對采用 SRAM FPGA 來實現關鍵任務汽車電子應用系統來說，中子導致的錯誤存在嚴重的潛在隱患。由于現有的檢測技術是通過每隔一段時間讀回 FPGA配置實現檢測，因此，對防止系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于遭受 SEU 或破壞。再者，隨著這種易受攻擊的FPGA 技術的廣泛發展，有可能需要能檢查汽車電子系統對中子導致的固件錯誤免疫能力的全新質量評價系統，把它添加到 AEC-Q100 標準之中，以補充JEDEC 標準 No.89 的不足。此外，目前用于檢測和糾正 FPGA 固件錯誤的方案會增加系統設計的復雜性，并大幅增加線路板尺寸和材料成本，進而提高發現中子導致錯誤的材料清單成本。

中子導致的固件錯誤可能對整個系統的 FIT （failure in time） 率影響很大。這種固件錯誤難于檢測，且幾乎不可能診斷，給維護和維修帶來棘手的問題，并造成維護費用攀升。在三種主流 FPGA 技術 （反熔絲、Flash 和 SRAM） 之中，只有反熔絲和 Flash 技術能抵御中子導致的軟錯誤和固件錯誤的影響。

實例：采用 SRAM FPGA 實現的汽車電子系統

本例分析了安裝在駕駛室內地板中的系統。有人用 SpaceRad 4.5 （廣泛應用的輻射效應預測軟件程序） 計算了美國科羅拉多州丹佛市 5000 英尺高度的中子射線密度。根據已發表的輻射數據，對于采用 0.22 微米技術，密度為百萬門的SRAM FPGA，每天發 生 SEU 的概率為 1.05E-4。

如果廠商在乘員傳感器和安全氣囊控制模塊中采用百萬門的 SRAM FPGA，把這個 1.054E-4 的 SEU 發生概率換算成每天每系統的 SEU 發生概率就是 4.38E-06，或者說系統的 FIT 值為 4，375。這意味著如果該廠商在 50 萬輛車中采用這種百萬門 SRAM FPGA 實現的安全系統，這個 1.054E-4 的 SEU 發生概率乘以路上的車輛/系統數量，就得到該車輛群體中每天總計會發生 52.5 次 SEU 事件（假設車輛一直在運行）。這就相當于每 27.4 分鐘出現一次 SEU。即使假定這些車輛平均每天只行駛兩小時，每天仍然會發生兩起 SEU。由于這些故障是固件故障，因此會持續下去，直到 SRAM FPGA 被重新加載 （通常需要重新上電或強制重新配置）。

在目前的半導體技術中，器件中的軟錯誤已經受到高度關注。隨著器件尺寸不斷縮小，大家都認識到這種軟錯誤將成為大問題；這些錯誤可能會極大地降低系統的可用性。因此在許多應用場合中，人們都強烈要求避免出現軟錯誤，使到系統的可用性維持在可以接受的水平。

在選擇 FPGA 時，最重要的是評估每一種可編程體系的總體擁有成本，并選擇那些擁有本質上可靠的核心技術的供應商，而不是為較低檔次要求應用而設計的二等品質供應商提供的商業級產品。

如果采用 SRAM FPGA 來設計，設計人員就必須增加檢測和校正配置錯誤的電路，因而會增加系統成本和復雜性。幸運的是，設計人員還有別的選擇。輻射測試數據表明，以反熔絲和 Flash 技術為基礎的 FPGA 不易于出現因中子導致的 SEU 事件而造成配置數據丟失。這使它們特別適用于要求高可靠性的應用。

現在，想象一個稍微不同的場景：你以每小時 75 英里的速度駕駛著最新款的汽車在高速公路奔馳，耳畔聆聽著流行的歌曲。由于知道引擎管理系統中采用的是以非易失性Flash為基礎的FPGA，而不是基于SRAM 的FPGA，你可以繼續推桿加速，享受著舒適和無憂的旅程。