래티스는 자동차 전장 분야에 활용할 수 있도록 AEC-Q100 인증을 통과한 '래티스 LA(Lattice Automotive)-XP2' 디바이스를 제공하고 있다. '인스턴트-온' 성능을 특징으로 하는 이 디바이스는 DSP 블록과 프리 
엔지니어 소스 I/O 블록, 그리고 독자적인 '플렉시 플래시(FlexiFLASH)' 구조와 같은 새로운 SoC 기능을 제공한다(그림 1).
SRAM 기반으로 AEC-Q100 인증을 통과한 기존의 FPGA가 컨피규레이션을 위해 외부 부팅 메모리를 요구하는 반면, 플렉시 플래시 구조는 하나의 다이에 SRAM FPGA 코어와 컨피규레이션 플래시 메모리가 통합되어 있다. 이 같은 비휘발성 플렉시 플래시 구조로 인해 초기 작동속도, 신뢰성 외에도 자동차 설계 엔지니어들이 요구하는 부분들을 만족시킨다.
비휘발성 = 인스턴트 온
플렉시 플래시 구조로 인해 구현할 수 있는 설계 보안성, 시리얼 태그 메모리, 플래시백(FlashBAK) 기능들은 인스턴트-온을 요구하는 애플리케이션에 응용할 수 있다(그림 2). 인스턴트-온은 로직 어레이가 있는 하나의 다이 안에 컨피규레이션 부트 코드를 저장하는 FPGA 구조를 갖추고 있어 가능하다.
디바이스에 전원이 인가되면 플래시 메모리의 내용은 1ms 이내로 SRAM 컨피규레이션에 폭넓은 병렬 버스를 이용하여 복사된다. 외부 부트 메모리가 필요한 동급 FPGA는 동작하기 전에 컨피규레이션을 위해 80ms가 더 소요된다. 인스턴트-온 기능은 엔진 컨트롤 유닛(ECU), CAN인터페이스, 프로세서 버스 디코더, 파워 리셋과 엔진 효율 사이클을 이용한 저전력 디자인과 같은 실시간 동작 애플리케이션에 매우 적합한 기능이다.
래티스 LA-XP2 구조상의 임베디드 블록램(Embedded Block RAM)은 데이터 혹은 마이크로 프로세서 코드 저장을 위한 애플리케이션에 이용될 수 있다. FPGA 초기화 때, EBR 블록은 플래시 메모리 메모리에 저장된 데이
터와 함께 로딩된다. 플래시백 기능을 통해서 EBR 블록의 내용은 차후 디바이스 초기화 때에 EBR 메모리가 새로운 저장값으로 초기화 될 수 있도록 플래시 메모리에 다시 기록된다.
시리얼 태그 메모리는 시리얼 인터페이스를 통해 외부 소스 뿐만 아니라 로직 어레이에 접근할 수 있는 플래시 메모리의 특정 영역이다. 태그 메모리는 외부의 EEPROM을 대신해서 시스템 ID, 켈리브레이션 데이터, 에러코드와 제조 정보와 같은 목록을 저장할 수 있다.
설계 보안 기능은 디바이스 잠금 모듈과 해독 기능을 이용함으로써 가능한데, 이것은 권한이 없는 읽기와 쓰기를 128bit AES 암호키를 이용하여 플래시 메모리의 내용을 보호한다.
FPGA의 내구성 문제
어떤 자동차 시스템 설계 엔지니어들은 SRAM 셀에 소프트 에러의 원인이 되는 미세한 부분까지 고려해야 한다. 동작중인 FPGA가 동작 장애원인이 아닌 비트 변경을 에러로 인식하는 경우가 발생할 수 있기 때문이다. 이를 해결하기 위해 래티스는 추가적으로 SED(Soft Error Detection)를 제공하는데, LA-XP2 디바이스는 CRC 에러 확인을 수행하는 전용 로직을 갖추고 있다. 컨피규레이션 중에 데이터 비트 스트림의 무결성을 검증하기 위해 CRC 블록을 활용할 수 있는 것이다.
SED 기능이 작동되는 동안 SED 검증 동작은 모든 SRAM 셀의 CRC 확인을 수행한다. 만일 소프트 에러가 발생하면, 디바이스는 정상 이미지인 부트 이미지(내부 플래시 메모리, 혹은 외부 SPI 메모리)로부터 다시 로딩하여 프로그램 되거나, 혹은 추가적인 외부 회로나 FPGA에 의해 내부적으로 이용될 수 있는 에러 신호를 생성한다.
LA-XP2의 또 하나의 특징은 듀얼 부팅 기능이다. 듀얼 부팅으로 인해서 외부 SPI 메모리 디바이스가 선택적인 부팅 디바이스로서 연결될 수 있도록 해준다. 초기화 과정에서 주 플래시 메모리에 CRC 문제가 있으면, FPGA는 자동적으로 다른 선택적인 부트 소스로 전환되어 컨피규레이션 된다. 이 기능을 통해서 프로그램 업데이트 시 상당히 높은 신뢰성을 확보할 수 있다. 만일 업데이트 정보가 플래시 메모리로 다운로드되는 동안에 비트 스트림이 손상되어 플래시 메모리로 프로그램 된다면, 시스템은 손상된 것을 감지하고 다른 선택적인 소스로부터 부팅된다. 이 같은 듀얼 부팅 기능은 1차 메모리가 재프로그램되는 동안에 완전히 동작할 수 있다.
LA-XP2를 포함한, 래티스의 모든 자동차용 디바이스는 AEC-Q100 표준안에 적합하고 테스트 및 인증을 거친 제품이다. 이 같은 테스트는 자동차의 고온에서도 최소 10년 동안 플래시 메모리의 데이터 손상이 없다는 것을 증명하기 위한 고온 동작(HTOL), 초기 불량률(ELFR)과 비휘발성 메모리의 내구성 및 데이터 보존 테스트(HTRX)를 포함한다.
ECU 애플리케이션
ECU 설계(그림 3)의 MCU 역시 FPGA로 교체가 가능하다. 엔진 제어의 경우 극한의 온도에서 동작하는 고신뢰성 시스템이 필요하다. 엔지니어들은 새로운 MCU를 활용하기 위해 필요한 시간과 경비 지출을 원하지 않는다. 이에 따라 래티스는 최소한의 하드웨어 변경만으로도 고객의 기존 시스템을 FPGA로 대체할 수 있도록 지원하고 
있다. LA-XP2 FPGA 디바이스는 MCU 대체를 위해 IP 개발을 비롯하여 여러 설계 회사들과 협력하고 있다.
엔지니어들은 AEC-Q100 테스트와는 별도로 자동차용 엔진제어 시스템이 극한의 온도요구사항을 만족할 수 있는지를 자체 시스템 테스트와 검증을 수행하고 있다. 래티스의 LA-XP2 FPGA 디바이스는 이 같은 시스템 테스트 결과, 본래의 시스템과 MCU 코드로도 동일하게 동작한다.
결론
비휘발성과 인스턴트-온 특성을 제공하는 LA-XP2는 초기 작동시간이 길거나 실시간 응답성이 떨어지는 문제로 인해 자동차 전자 시스템에서 사용이 제한되었던 FPGA의 활용성을 높일 수 있다. 특히 SED 스캐닝과 듀얼부팅 등의 기능은 시스템 고장과 내구성에 민감한 자동차용 전장 시스템을 설계하는 엔지니어에게 많은 이점을 제공한다. 이외에도 비트스트림 암호화와 플래시 메모리 잠금 모듈과 같은 플렉시 플래시 구조는 엔지니어의 설계를 보호할 수 있는 최고의 보안 솔루션을 제공한다.
케리 호웰(Kerry Howell)｜래티스 반도체
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