隨著消費者對於汽車的安全、舒適便利和娛樂等應用有著高度需求，加上車載多媒體視訊影像應用日益普及，多樣的新技術逐漸進入汽車電子領域，促使汽車電子功能複雜性不斷提高，更加重視靈活性、效能整合、縮短開發時程和成本低廉的設計架構。在此關鍵時刻，FPGA可重新編程的彈性架構，在汽車電子領域越來越受重視。FPGA可編程邏輯元件能超越以往矽晶片設計，即便是在製程之後，系統設計者仍可透過可編程的模式，因應車用電子設計需要的關鍵IP架構、作業系統和軟體內容。

《圖一 PLD/FPGA應用比例示意圖》

FPGA已成汽車電子常客

在汽車儀表、車載資訊娛樂系統（infotainment）、駕駛輔助（driver assistance）、倒車後視等領域，FPGA設計的身影也已經越來越熟悉。正由於汽車逐漸需要複雜高階的多媒體圖形處理能力，藉由高階處理器和DSP設計，成本、複雜度和功耗都較高，FPGA設計可以透過軟體重複編程定義邏輯和I/O模組的功能、以及具備高度可靠性和數位訊號處理和分析能力的特性，滿足汽車電子設計多變動彈性的需求。

賽靈思（Xilinx）亞太區行銷級應用總監張宇清表示，FPGA產品還能提供通過驗證符合規範的車用等級元件，包括眾多晶片內建的連結解決方案，搭配各種IP解決方案，同時還提供彈性化的連結介面解決方案。客製化的特定設計平台（Targeted Design Platform），亦可滿足車用電子工程師設計多重車用平台的動態應用時對於差異化、創新和彈性化的要求。包括車載資訊娛樂、駕駛輔助系統和其他駕駛資訊系統，都逐漸以可編程引擎平台的系統級設計和整合架構為核心。

駕駛輔助FPGA逐漸超越ASSP/ASIC

在駕駛輔助系統，高效能影像處理是非常重要的設計關鍵。汽車駕駛輔助系統涵蓋面相當廣泛，舉凡車道偏離警告系統、盲點偵測、自動巡航控制、自動停車、防撞偵測等，需要整合複雜的系統輸入驅動功能。例如紅外線和雷達轉換器以及攝影鏡頭，都需要強大的即時數位訊號處理效能，便進行元素分析，進一步驅動通訊、控制系統和顯示等處理應用。

汽車駕駛輔助系統的嵌入式處理架構，要能夠突破既有訊號處理效能延遲的限制，兼顧複雜的系統介面輸出入訊息，並且取代多晶片建置在成本、功耗和尺寸上的弱點，同時提高嵌入式設計的靈活性。

《圖二 賽靈思（Xilinx）亞太區行銷級應用總監張宇清》

不同於一般串列處理器必須為各種功能提供時間多工資源，FPGA能分頭執行各模塊的處理工作以及執行時脈處理作業。此外，若必須修改處理架構，FPGA能重新編程硬體模塊，這方面的彈性超越了採用特定應用標準產品（ASSP）與特定用途積體電路（ASIC）的方案，在因應未來先進的演算法環境中更具有設計優勢。

可編程邏輯FPGA設計架構，具有可擴充性、並行處理能力、軟硬體設計的彈性化和客製化能力，可因應各種訊號處理。具有可擴充性的FPGA設計架構，才能嵌入於不同整車車款系統中。因此FPGA不僅開始在嵌入式處理市場攻城掠地，也開始受到汽車電子廠商的矚目。

車用多媒體重彈性 FPGA支援前線

在車用資訊娛樂領域，FPGA早已被業者持續運用在多個世代的資訊娛樂架構平台上，並扮演支援（或輔助）角色來協助主處理器或晶片組。客戶不僅可把元件連結到內含FPGA的架構中，還能利用FPGA作為更趨近於核心角色的元件，因為FPGA能持續提升必要的彈性，並提高其基礎架構的擴充性。在這個領域，FPGA已經被視為可增加處理架構擴充性和彈性的核心要素。

張宇清表示，針對車用多媒體設計，FPGA解決方案內的整合式記憶體核心，攸關車用高效能繪圖系統效能，記憶體傳輸速率要有效提昇。再者，串列收發器等高速輸出入介面設計，可強化諸如APIX（Automotive Pixel Link）等車用等級遙控數位影像顯示連結規格的整合度。此外，為了因應密集運算處理的需求，FPGA架構要能提供最佳化乘積累加MAC運算器（multiply and accumulate）和先行加法器，來支援影像即時處理、實現高速平行傳輸效能的車用多媒體應用。

張宇清進一步舉例指出，特定設計平台可協助車用電子設計商架構FPGA系統，例如駕駛輔助系統的全景環繞影像功能，特定設計平台亦可處理例如4鏡頭環繞影像的多重並行輸入視訊，或者後視停車影像和盲點偵測等解耦合平行處理系統。不同的應用能夠被編程設計於同一裝置當中，例如為了支援盲點偵測運作和轉傳功能，特定設計平台和開發工具板就會針對視訊鏡頭、感測器和其他車電元件，重新規劃各類工作，工程師可藉此整合並行處理所需要的平台關鍵零組件。

倒車影像FPGA可當家大展身手

另一方面，倒車影像裝置也成為FPGA處理架構大展身手的應用。以往倒車影像裝置多採用MCU和ARM作為主控制器，影像數據資料傳送到顯示螢幕，往往會產生延遲的問題。而除了顯示之外，現在的倒車影像裝置更要進一步支援各種線條、字元符號、畫圖等動畫顯示功能，並兼顧高安全性和可靠性的車規規範。

針對倒車後視功能，Microsemi（前Actel）提出採用FPGA作為主控制器、整合MCU訊息的處理架構，可將系統頻率提高到100MHz，平行處理能力也提高倒車影像的顯示效能和即時性，並支援車身前後左右影像切換的應用效果。支援倒車錄影的兩塊FPGA架構，其一是將影像即時顯示到螢幕上，其二是接收MCU命令呈現包括多圖層、2D加速、繪圖處理等顯示效果。

汽車儀表革新浪潮起 FPGA趁勢崛起

另一方面，駕駛和前座乘客對於車載資訊通訊的需求日益殷切，因此汽車產業傳統的機械儀表板設計，正在歷經一場巨變與革新。在儀表板應用方面，具備可編程能力的FPGA超越了其他類型元件，為車廠主管提供許多方法，協助車廠限制自己必須研發與維護的平台架構數量，並藉由產品架構的高彈性，針對日趨分眾化的OEM廠商需求與策略進行調整。

在駕駛混合資訊儀表板結合抬頭顯示功能部份，張宇清表示，藉由賽靈思開發出來的特定設計平台，充分利用高頻寬記憶體、高速I/O傳輸、以及FPGA彈性化架構的特性，進一步支援車內多重顯示螢幕所需的高品質圖形處理能力。以特定設計平台為基礎的開發工具板，可提供車用資訊娛樂和駕駛資訊應用設計所需的各類功能。例如針對抬頭顯示器的FPGA架構，可提供當影像投射在擋風玻璃時影像變形校正（image distortion correction）的設計功能，除此之外開發工具板還可支援步進馬達傳動控制（stepper motor gauge control）、雙顯示螢幕和後視影像鏡頭輸入等設計。

值得注意的是，FPGA架構都強調開啟電源就能運作的特性，這會有助於汽車電子運作的即時啟動、以及處理器喚醒緊急事件加以執行的能力。例如在支援車載資資訊系統（Telematics）的短距數據傳輸應用，FPGA架構就要能滿足高速行車數據傳輸準確到位的需求。因此，採用SRAM FPGA或是Flash FPGA的記憶體控制設計，可能會對汽車電子數據傳輸產生不同的影響。

行車安全嚴格認證 FPGA符合標準

儘管FPGA開始在汽車電子領域展現實力，不過FPGA仍是扮演汽車電子前端開發樣品功能雛型的角色，現階段主要處理控制架構仍是以MCU設計為主。FPGA在汽車電子應用的可能性，美商國家儀器（NI）行銷部技術工程師柯璟銘認為，彈性化和簡化功能設計是FPGA的強項，單板式設計架構也將逐漸朝向晶片等級設計階段。中科院飛彈火箭研究所射導機電組張國樑則指出，在車廠嚴格驗證的流程下，晶片設計開發商必須將軟體程式開放給車廠進行測試作業，程式的複雜度也讓多工的程式語言架構逐漸成為主流，因此必須有一套模組化作業系統加以支撐。而強調邏輯化的FPGA工具，若要處理複雜的多工軟體設計，速度效率可能會受到影響。16位元和32位元的單晶片架構，看起來似乎還比較得心應手，不過在設計成本仍較為昂貴。

《圖三 左為中科院飛彈火箭研究所射導機電組張國樑工程師，右為美商國家儀器行銷部技術工程師柯璟銘》

值得注意的是，張國樑進一步強調，在講求行車安全功能嚴格認證的國際規範ISO 26262標準當中，FPGA已被視為是符合標準的軟硬體設計流程，程式語言需要經過相關驗證合格才行，例如不能用C++寫，只能用C語言設計。因此FPGA工具已逐漸成功滲透到嚴格的車規認證標準。不過有些更為講究訊號處理效能的汽車電子產品，仍是FPGA無法介入的領域，例如電子車身穩定系統（Electronic Stability Control；ESC）或是ACC自適應巡航控制系統等等。

目前業界面臨的挑戰，主要是汽車OEM廠商以各種新方法開發差異化產品，盡量避免不同車款必須採用更多硬體設計。若想要避免車款增加導致研發成本提高，其中一種方法就是從傳統微控制器改成運用軟體並搭配合適硬體，這類硬體能針對特定改款產品進行最佳化與修改，並延續使用同一個平台設計或產品架構。新推出的低價位可編程彈性FPGA元件，已快速成為業界達成此一目標的利器。