基于閃存的FPGA添臂力便攜式醫(yī)療設備可靠度大增

 　　便攜式醫(yī)療產(chǎn)品逐漸獲得市場青睞，如何開發(fā)出更小尺寸、更低功耗與高可靠度的產(chǎn)品已成為產(chǎn)品設計人員首要課題。產(chǎn)品設計人員透過高效能的Flash-ba[x]sed FPGA元件，將可實現(xiàn)微型化、高安全性與低功耗等特性，進而擴大便攜式醫(yī)療設備應用市場商機。

 　　便攜式醫(yī)療設備的系統(tǒng)設計工程師正面臨到許多問題，其中包括縮小體積、增加功能性和延長可植入人體設備所用電池的壽命，同時還要藉由佳的可靠性和功效來確保設備安全無虞。另外，在放射治療環(huán)境中使用的設備，易因電離輻射而產(chǎn)生單事件翻轉(zhuǎn)（SEU），工程師也須將此一影響納入設計考量，因為這些挑戰(zhàn)皆可能會導致使用者在操作上出現(xiàn)危險狀況。

 　　本文將介紹現(xiàn)今微型化醫(yī)療設備所面臨的技術挑戰(zhàn)與因應之道，提供醫(yī)療設備產(chǎn)品開發(fā)人員以高效能FPGA為基礎的解決方案，藉此打造低功耗、高可靠度的產(chǎn)品。

 　　微型化已成為醫(yī)療設備市場主要成長驅(qū)動力，如植入式心臟整流除顫器（ICD）和心律管理（CRM）等產(chǎn)品，都已邁入微型化設計。不只如此，產(chǎn)品開發(fā)人員透過縮小設備體積，讓產(chǎn)品使用較小的電池，同時改善產(chǎn)品功耗。

 　　圖1是Given Imaging采用微型化技術所開發(fā)出的Pillcam無線內(nèi)視鏡成像膠囊，此一產(chǎn)品因采用客制化RF收發(fā)器而縮小了電池的體積，因為它讓膠囊的功耗低于7.5毫瓦（mW），同時還可以在8小時的工作過程中每秒傳送多達十四個圖像。 　　
　　除客制化RF收發(fā)器外，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）元件也是讓醫(yī)療設備微型化的重要因素。過去傳統(tǒng)的設計工程師一直都是以微控制器（MCU）、特定應用標準產(chǎn)品（ASSP）芯片和小型可編程邏輯元件，開發(fā)用于便攜式醫(yī)療設備的人機界面（HMI）和微型馬達控制器，這種方法不僅難以縮小設備的體積，也不適用于優(yōu)化十分重要的傳感器和致動器的通道數(shù)目。反觀，以FPGA為基礎的解決方案則非常適合在較小的封裝體積中加入更多的功能性，滿足那些要求外形尺寸小的設備設計需求；同時它們還提供可讓用戶升級設計的附加優(yōu)勢，因而能夠支援新的標準或提供更多的功能性。

　　與替代解決方案相比，F(xiàn)PGA元件還有助于降低功耗。例如便攜式醫(yī)療設備中的液晶顯示（LCD）面板功耗占掉應用設備功耗預算的一半，解決之道就是進行系統(tǒng)設計，盡可能地將LCD和控制邏輯置于功耗節(jié)省模式，以大幅降低電池的耗電量。由于ASSP并未考慮到醫(yī)療市場的實際需求，所以產(chǎn)品開發(fā)人員要以 ASSP開發(fā)這些設計是有其困難度，若利用具備可編程特性的FPGA開發(fā)低功耗設計則較為簡單。

 　　此外，產(chǎn)品開發(fā)人員也可采用空間使用效率高的半導體封裝技術來縮小設備的體積，例如芯片直接封裝（Chip on Board， COB）組裝、芯片堆疊（Chip on Chip， CoC）以及先進的叁維（3D）封裝。這些封裝技術可將心律管理設備的整體電路空間減少多達80%；其中，有效的技術之一就是芯片堆疊方法，它可縮短互連的長度和降低電阻，同時還可提高良率。

 　　芯片堆疊可讓設計工程師將多種晶圓處理技術組合在小小的體積中，同時改善測試存取點。在下一代堆疊芯片解決方案方面，薄型互連封裝堆疊（Thin Interconnected Package Stack， TIPS）專案已有顯著的進展，這個專案是由奈米電子研究機構IMEC與企業(yè)和社會組織合作投資開發(fā)的，TIPS專案提供了降低元件高度、縮短長寬尺寸，同時還具備單模組優(yōu)勢的封裝方法。

 　　現(xiàn)今新一代的FPGA元件還提供重要的安全特性，以確保醫(yī)療設備可進行合法的升級。由于便攜式醫(yī)療設備常處于被竊、偽造、售后市場篡改和過度生產(chǎn) （Overbuilding）的風險中，這些風險中的每一項都會給醫(yī)療設備市場帶來嚴重的后果。例如若是將錯誤的軟體下載到胰島素泵中，或在設計中用到了仿冒零組件，任何一種情況都有可能讓胰島素泵給出不準確的劑量，增加病患受到傷害的風險。

 　　除此之外，產(chǎn)品開發(fā)人員為保護醫(yī)療設備避免被篡改，需要從硬體和軟體兩方面進行檢查，否則沒有辦法檢測到該被電腦駭客篡改的攻擊，因為電腦駭客有可能修改服務和基礎設備的功能性。

 　　使用反熔絲和基于閃存（Flash Memory）的FPGA元件是很重要的，因為與基于靜態(tài)隨機存取記憶體（SRAM）的FPGA相比，它們非常難以進行逆向工程，一旦被編程后，基于閃存的FPGA就將所有可編程的資訊保留在晶粒內(nèi)。

 　　由于可編程單元是非揮發(fā)性的，因此在上電週期之間仍可保持運行狀態(tài)；反觀，基于SRAM的FPGA須在上電時重新載入配置資料，容易將編程的位元串流暴露在潛在的駭客眼前，而駭客截取基于閃存的FPGA位元串流的方法則是從用于現(xiàn)場設備升級的設定檔中擷取，然而，要防止此一駭客竊取狀況發(fā)生，產(chǎn)品開發(fā)人員則可在FPGA元件中進行加密，并以閃存將所有的加密密匙和設置性儲存起來。

 　　當產(chǎn)品開發(fā)人員在設計放射治療環(huán)境中使用的設備時，須能確保設備對這些危險的SEU事件免疫。SEU事件是在當高能粒子或離子衝擊N-P結耗散區(qū)時所發(fā)生，例如從毫微微庫侖（Femtocoloumb）到微微庫侖（Picocoloumb）的電荷在此一區(qū)域聚集，會造成電壓和電流瞬變，稱為SEU事件。產(chǎn)品開發(fā)人員若使用基于SRAM的FPGA，所獲得的線性能量傳輸（Linear Energy Transfer， LET）足以給N-P結供給過多的能量，容易引起SEU事件，其形式是記憶體單元（SRAM單元、暫存器、閂鎖或正反器）的狀態(tài)改變（位元翻轉(zhuǎn)）。

 　　然而，對于以閃存為基礎的FPGA元件，情形則大不相同。閃存是一種非揮發(fā)性的儲存結構，包括封裝在良好的電介質(zhì)中（圖2）的浮動門（它位于控制門和下方MOSFET結構之間），在離子攻擊或接近閃存單元耗散區(qū)時，仍有一個電荷沉積著。然而，翻轉(zhuǎn)快閃單元儲存位元所需的臨界電荷量 （QCRIT）遠大于SRAM單元，而且用于配置的快閃單元還具有非常穩(wěn)健的結構，因此，用于FPGA配置的快閃單元具有SEU事件的免疫能力。 　　
　　
　　綜上所述，微型化對于醫(yī)療設備來說是愈來愈重要，與此同時，產(chǎn)品開發(fā)人員還須提供更好的功能性、電池壽命和安全性。產(chǎn)品開發(fā)人員透過新的FPGA元件，結合超低功耗芯片設計和先進的封裝技術，將有助于大幅縮小設備尺寸，且與替代方法相比，可在更小的空間中增加更多功能，同時提升效能。此外，產(chǎn)品開發(fā)人員若選擇基于閃存的FPGA技術，亦能夠同時降低致命安全性漏洞的風險，并可為在放射治療環(huán)境下使用的設備提供SEU免疫能力，提升產(chǎn)品可靠度。