FPGA是非常有用的器件，通常與ADI公司的ADC或功率IC等一起設計到客戶的設計中。FPGA 可以實現微控制器和所需的任何膠水邏輯。在這篇博客中，我將討論一些與功能安全和FPGA相關的問題。

首先，什么是FPGA？FPGA（現場可編程門陣列）是一種集成電路，但它不是專用的片上邏輯，它由可重新配置的邏輯和通常包括 uC 的硬宏組成，例如 ARM Cortex 或 A9 系列（某些 uC 也提供 HDL/軟格式）。可重構邏輯通常采用邏輯塊數組的形式。FPGA制造商包括Xilinx，Altera（現為英特爾的一部分），萊迪思半導體和Microsemi。可重新配置意味著使用FPGA可以為您的硬件提供靈活性，這通常只能在軟件解決方案中找到，包括能夠快速更改“硬件”，如果使用分立IC將需要數周或更長時間，如果使用ASIC則需要幾個月的時間。但是，從安全的角度來看，這意味著您也會遇到一些令人頭疼的軟件問題。

對于某些FPGA，FPGA的配置存儲在片上閃存或EEPROM中，但對于較大的FPGA，則存儲在片外閃存中，并在啟動時加載到FPGA上的RAM中。FPGA上的可重構邏輯通常使用HDL（硬件描述語言）完成，例如Verilog或VHDL，它看起來非常像軟件（我必須將“Verilog軟件嗎？”添加到我即將發布的博客列表中）。

IEC 61508-2：2010的附錄F為在設計數字ASIC（表F.1）和FPGA（表F.2）時避免系統錯誤提供了指導。實際上，表 F.1 與設計 FGPA 芯片的人員相關，例如 Xilinx 或 Micro-semi 的工程師，表 F.2 與設計將在 FPGA 中實現的內容的客戶相關。

圖 1 - IEC 61508-2：2010 表 F.2 的摘錄

這兩個表都給出了類似的度量列表，根據 SIL 排名為 HR 或 R。HR 標準為強烈推薦，R 為推薦。R或HR的含義似乎被不同的人有不同的解釋，但對我來說，這意味著如果一個問題被標記為“R”，你應該提供一個簡短的理由來不實施該措施，對于標記為“HR”的東西，理由需要更詳細地解釋為什么你的智慧比編寫標準的專家更清楚。有些項目實際上被標記為“HR*”，這可以解釋為沒有借口只是這樣做（我們將忽略這樣一個事實，即這是一個信息豐富的附件，不應該包含任何“應”聲明）。“R”、“HR”等下的參考文獻。旨在表示實施此技術的工作量，但該標準沒有明確的指導，說明在這方面應該意味著什么。

FPGA 實現的設計流程包括如下步驟。

在HDL中創建所需電路的描述（也可以基于模型的輸入）

選擇具有足夠可重配置邏輯的目標 FPGA 來處理您的 HDL

使用軟件工具將行為代碼合成到 FPGA 中可用的可重新配置資源上

使用軟件工具生成上述配置的比特流表示，該表示可以加載到FPGA中

現在我想談談我認為在安全應用中使用FPGA的最大問題，即“軟錯誤”。

軟錯誤已在之前的“安全問題”博客中介紹過。這些是由包裝材料中存在的α粒子或來自太空的中子粒子引起的誤差，導致RAM單元和FF中存儲的值改變狀態。雖然ASIC和FPGA都可能包含RAM，軟錯誤問題相似，但FPGA的問題是，當可編程邏輯的配置存儲在RAM單元中時，單個位的擾動會有效地改變硬件。對于硬連線ASIC，邏輯功能是凍結的，不受α和中子粒子的影響，但對于FPGA來說，這是一個真正的問題。如果軟錯誤率為 1000 FIT/兆位（參見 IEC 61508-7：2010），則具有 1 萬配置位的 FPGA 的軟 FIT 將為 1000。

我注意到IEC 62380：2004允許計算FPGA的硬FIT，甚至在那里λ1每個晶體管的 20e-5/h 值高于 uC 和 DSP 的 3.4e-6。

FPGA在安全應用中的其他問題包括：

過時 – FPGA 通常設計在技術的最前沿，可能會過時 - 為了實現 65nm 上 ASIC 的性能，您可能需要在 20nm 上設計 FPGA，因為可重新配置邏輯帶來的開銷

由電源排序和EMC引起的單比特和多比特翻轉

如何實現片上硬件容錯（參見IEC 13-61508：2中的注釋2010）

實現高數字故障覆蓋率。表F.1要求數字ASIC>98.5%，但FPGA一旦編程，就沒有最低要求

IEC TS 61508-3-1：2016的相關性

與實現類似功能的ASIC相比，FPGA很可能很昂貴

FPGA用戶在HDL編碼可能不是公司核心競爭力的情況下實現HDL代碼的額外責任

與專用工業或汽車IC相比，溫度范圍有限

相對較高的功率（如果沒有別的，可能會導致更差的可靠性數字）

與串行接口上的邏輯可編程性相關的網絡安全問題

“宇宙的基本規則之一是沒有什么是完美的。完美根本不存在...沒有不完美，你和我都不會存在。

~斯蒂芬·霍金

盡管存在這些擔憂，但FPGA的靈活性，特別是對于快速原型設計和快速上市時間，一個硬件解決方案可以針對多個終端應用進行定制而無需重新設計PCB的事實，以及幾乎可以連接到任何東西的能力，這使得它們非常有用。對于小批量和概念驗證設計尤其如此。例如，嘗試找到一個帶有MIPI接口的漂亮工業處理器，這并不容易，但對于FPGA，您只需在HDL中實現膠水邏輯即可。

審核編輯：郭婷