FPGA技術在汽車中實現高可靠性和安全性

汽車工業正經歷重大的結構化轉變。自動駕駛革命增加了電子系統的復雜性和縮短了設計周期。隨著人們對安全和燃油效率的關注增加，混合動力車輛和電動車輛也益發受到注目。

這些車輛的電子系統不僅應滿足功能要求，而且還要確保在汽車的整個使用壽命期間無缺陷和故障地安全運行。這些系統中使用的零組件必須滿足或超過汽車電子協會（AEC）等各種工業團體規定的可靠性標準。安全性關鍵的汽車應用還應能夠防止這些系統功能因為任何未授權存取、篡改或破壞而被改變并導致災難性結果（包括人命傷亡）。

安全性是汽車設計的關鍵

汽車創新和技術的提升正推動配置安全解決方案、減少相關安全威脅的需求。雖然包括高級駕駛輔助系統（ADAS）、車輛連接性能和自動駕駛等先進特性對車輛的舒適性和安全性水平做出了重大貢獻，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通訊系統采用專用車載短程通訊系統，使車輛能夠將安全相關信息發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，并且應有安全防護措施，確保信息未在發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，后果會非常嚴重。共享信息和車內通訊使用的增加，也使汽車容易受到黑客攻擊。此外，用戶關心隱私問題，要求保證信息不會泄露駕駛員的身份或位置信息。匿名車輛的安全信息應只提供給預先授權的車輛和其他機構。

多重保護實現功能安全

一些FPGA整合了多種安全特征，如差異化功率分析（DPA）保護、加密加速器、高級加密標準（AES）、安全散列算法（SHA）、篡改檢測器、物理不可復制功能（PUF）等，可以提供硬件、設計和數據層面的安全，從而實施安全的汽車解決方案。

高級駕駛輔助系統ADAS

ADAS是提供被動和主動回饋以改善駕駛員安全性和舒適感的電子系統。它們是預測性系統，針對潛在危險，預先提出警報，以防止事故。由于消費者安全意識增加及政府法規規定，這些系統正日益被OEM采納。ADAS的各種特性包括自我調整巡航控制、盲點預警、偏道警告、避碰和行人檢測系統。ADAS以復雜的傳感器配置為基礎，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。這些輸入經過處理，實現圖像增強、畸變校正、物體識別和動態估計，然后，經分析后，采取糾正措施。控制系統接收處理過的輸入，控制輸出，如剎車或向駕駛員警報系統。ADAS必須堅守其功能以避免事故，因此，需要安全的，帶有失效保護的實施方案。FPGA能夠實施數據處理和顯示功能，提供可靠安全的解決方案。

V2X通訊系統采用車載專用短程無線電通訊裝置，將有關安全的信息傳輸到其他車輛（圖1）。這些信息包括有關車輛速度、方向、剎車狀態和尺寸。這些系統還接收有關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的檢測距離及「看到」周圍環境，因此能夠以比傳感器、攝像機或雷達快很多的速度「意識」到其他車輛的存在，并向其他駕駛員預警某些威脅。

FPGA技術在汽車中實現高可靠性和安全性

圖1車輛連接性：V2X（V2V和V2I）

但是，如果V2X系統無法確保信息來自于值得信任的來源，且它們在發送和接收之間并未被篡改，則可能出現嚴重的后果，包括人命傷亡。FPGA采用對稱或不對稱加密技術，產生公鑰基礎設施（PKI）系統的私鑰，能夠為V2X實施安全的通訊系統（圖2）。

FPGA技術在汽車中實現高可靠性和安全性

圖2FPGA可以為V2X實施安全的通訊系統

燃油價格持續飆升、近期有關碳排放的法律規定、客戶對更好性能和質量的要求，正迫使汽車產業提供更好的內燃機替代方案。向顧客提供各種選擇方案，包括混合、插電式混合動力和全電動方案的動力系統電氣化，已經成為趨勢（圖3）。汽車電子在這種電氣化中起著非常重要的作用，從而導致了新的復雜的發動機控制單元面世。混合/電動發動機控制單元在以下方面為設計人員帶來挑戰：

圖3混合、插電式混合和全電動車輛提供更好的內燃機替代方案。

?整合各種零組件

?配置簡單?平臺擴展性和遷移性?中子誤差免疫性?防篡改和複製安全性?低功耗?總體應用成本

快閃記憶體FPGA的優點有可重程式設計性、安全性、可靠性、硬體設定性及更廣闊的溫度支援，使設計人員能夠應對前面提到的挑戰。

汽車用FPGA的優點

隨著復雜性不斷增加和對駕駛員安全重視的提高，FPGA正日益適合新一代汽車系統。支持汽車應用采用FPGA的因素有幾個。

1 多線程和并行處理能力FPGA能夠并行執行多種功能，在ADAS、智能停車輔助系統和功率控制系統（電動車）等應用中極具優勢。這些應用涉及同時處理不同類型的資料，同時向駕駛員回饋，或產生多種控制功能訊號。例如，ADAS和智能停車輔助系統應用要求同時處理來自多個來源，如攝影機、傳感器等的資料。處理IP可以在FPGA架構中實施，使單一組件可以同時執行多種功能。大多數FPGA還擁有整合外圍的核心，能夠實施通常使用的功能，如控制器區域網通訊（CAN）。這些外圍核心經優化，可與各種輸入訊號并行處理一起使用。

2 實施安全可靠的解決方案現代汽車包括用以控制和監測各種功能的多個處理組件和傳感器。包括ADAS、V2V/V2I和停車輔助系統的應用顯著改善了汽車使用者的安全性，但是，這些先進的特點也帶來了新的潛在風險。建立安全系統的重要一步是確保系統不受惡意篡改攻擊。現在的FPGA擁有幾項整合的安全特性，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能夠構建安全系統。

另一個設計汽車系統的重要條件是需要連續運行幾年而不受環境影響（如單粒子翻轉，簡稱SEU）的高可靠系統。閃存FPGA采用閃存架構，因而對SEU免疫，提供零失效（FIT）率，應對汽車應用的高可靠性要求，顯著簡化了此類關鍵系統的冗余要求和改進了可靠性。

3 汽車設計向平臺概念轉變

現在，汽車制造商偏愛基于平臺的實施，即以某種設計為基礎，將其進行適度修改，形成各個型號的差異化方案。這種方法使汽車制造商縮短了設計周期和引入了新的特性。

FPGA可程序設計并具有豐富資源，成為建立平臺解決方案的理想選擇。由于FPGA可以程序設計，即使汽車制造商在最后一分鐘修改設計，也不會顯著延長上市時間，是一個出色的選擇方案。

4 縮短汽車設計周期

汽車設計周期正變得越來越短，促使一級制造商不僅要快速建立設計原型，而且要滿足性能水平的要求。FPGA擁有可程序設計的靈活架構，提供了開發原型、評價性能和設計定型的理想平臺。

5 在汽車中實現高可靠性和安全性

安全性和可靠性是汽車應用重點關注的問題，汽車系統需要滿足該行業主流的高可靠性和安全性法規。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是功耗和成本優化的產品，為汽車客戶提供最低整體擁有成本。

美高森美應對汽車應用設計人員面臨的基本挑戰，提供（圖4）：

FPGA技術在汽車中實現高可靠性和安全性