基于闪存的FPGA添臂力 便携式医疗设备可靠度大增

　　便携式医疗产品逐渐获得市场青睐，如何开发出更小尺寸、更低功耗与高可靠度的产品已成为产品设计人员首要课题。产品设计人员透过高效能的Flash-based FPGA元件，将可实现微型化、高安全性与低功耗等特性，进而扩大便携式医疗设备应用市场商机。

　　便携式医疗设备的系统设计工程师正面临到许多问题，其中包括缩小体积、增加功能性和延长可植入人体设备所用电池的寿命，同时还要藉由最佳的可靠性和功效来确保设备安全无虞。另外，在放射治疗环境中使用的设备，易因电离辐射而产生单事件翻转（SEU），工程师也须将此一影响纳入设计考量，因为这些挑战皆可能会导致使用者在操作上出现危险状况。

　　本文将介绍现今微型化医疗设备所面临的技术挑战与因应之道，提供医疗设备产品开发人员以高效能FPGA为基础的解决方案，藉此打造低功耗、高可靠度的产品。

　　高整合度FPGA助力　医疗设备大吹微型风

　　微型化已成为医疗设备市场主要成长驱动力，如植入式心脏整流除颤器（ICD）和心律管理（CRM）等产品，都已迈入微型化设计。不只如此，产品开发人员透过缩小设备体积，让产品使用较小的电池，同时改善产品功耗。

　　图1是Given Imaging采用微型化技术所开发出的Pillcam无线内视镜成像胶囊，此一产品因采用客制化RF收发器而缩小了电池的体积，因为它让胶囊的功耗低于7.5毫瓦（mW），同时还可以在8小时的工作过程中每秒传送多达十四个图像。

　　

　　图1 Pillcam无线内视镜成像胶囊示意图

　　除客制化RF收发器外，现场可编程门阵列（FPGA）元件也是让医疗设备微型化的重要因素。过去传统的设计工程师一直都是以微控制器（MCU）、特定应用标准产品（ASSP）芯片和小型可编程逻辑元件，开发用于便携式医疗设备的人机界面（HMI）和微型马达控制器，这种方法不仅难以缩小设备的体积，也不适用于优化十分重要的传感器和致动器的通道数目。反观，以FPGA为基础的解决方案则非常适合在较小的封装体积中加入更多的功能性，满足那些要求外形尺寸小的设备设计需求；同时它们还提供可让用户升级设计的附加优势，因而能够支援新的标准或提供更多的功能性。

　　与替代解决方案相比，FPGA元件还有助于降低功耗。例如便携式医疗设备中的液晶显示（LCD）面板功耗占掉应用设备功耗预算的一半，解决之道就是进行系统设计，尽可能地将LCD和控制逻辑置于功耗节省模式，以大幅降低电池的耗电量。由于ASSP并未考虑到医疗市场的实际需求，所以产品开发人员要以 ASSP开发这些设计是有其困难度，若利用具备可编程特性的FPGA开发低功耗设计则较为简单。

　　此外，产品开发人员也可采用空间使用效率高的半导体封装技术来缩小设备的体积，例如芯片直接封装（Chip on Board， COB）组装、芯片堆叠（Chip on Chip， CoC）以及先进的叁维（3D）封装。这些封装技术可将心律管理设备的整体电路空间减少多达80%；其中，最有效的技术之一就是芯片堆叠方法，它可缩短互连的长度和降低电阻，同时还可提高良率。

　　芯片堆叠可让设计工程师将多种晶圆处理技术组合在小小的体积中，同时改善测试存取点。在下一代堆叠芯片解决方案方面，薄型互连封装堆叠（Thin Interconnected Package Stack， TIPS）专案已有显着的进展，这个专案是由奈米电子研究机构IMEC与企业和社会组织合作投资开发的，TIPS专案提供了降低元件高度、缩短长宽尺寸，同时还具备单模组优势的封装方法。

　　防范骇客篡改资料　闪存FPGA立大功

　　现今新一代的FPGA元件还提供重要的安全特性，以确保医疗设备可进行合法的升级。由于便携式医疗设备常处于被窃、伪造、售后市场篡改和过度生产 （Overbuilding）的风险中，这些风险中的每一项都会给医疗设备市场带来严重的后果。例如若是将错误的软体下载到胰岛素泵中，或在设计中用到了仿冒的零组件，任何一种情况都有可能让胰岛素泵给出不准确的剂量，增加病患受到伤害的风险。

　　除此之外，产品开发人员为保护医疗设备避免被篡改，需要从硬体和软体两方面进行检查，否则没有办法检测到该被电脑骇客篡改的攻击，因为电脑骇客有可能修改服务和基础设备的功能性。

　　使用反熔丝和基于闪存（Flash Memory）的FPGA元件是很重要的，因为与基于静态随机存取记忆体（SRAM）的FPGA相比，它们非常难以进行逆向工程，一旦被编程后，基于闪存的FPGA就将所有可编程的资讯保留在晶粒内。

　　由于可编程单元是非挥发性的，因此在上电週期之间仍可保持运行状态；反观，基于SRAM的FPGA须在上电时重新载入配置资料，容易将编程的位元串流暴露在潜在的骇客眼前，而骇客截取基于闪存的FPGA位元串流的唯一方法则是从用于现场设备升级的设定档中撷取，然而，要防止此一骇客窃取状况发生，产品开发人员则可在FPGA元件中进行加密，并以闪存将所有的加密密匙和设置永久性储存起来。

　　当产品开发人员在设计放射治疗环境中使用的设备时，须能确保设备对这些危险的SEU事件免疫。SEU事件是在当高能粒子或离子衝击N-P结耗散区时所发生，例如从毫微微库仑（Femtocoloumb）到微微库仑（Picocoloumb）的电荷在此一区域聚集，会造成电压和电流瞬变，称为SEU事件。产品开发人员若使用基于SRAM的FPGA，所获得的线性能量传输（Linear Energy Transfer， LET）足以给N-P结供给过多的能量，容易引起SEU事件，其形式是记忆体单元（SRAM单元、暂存器、闩锁或正反器）的状态改变（位元翻转）。

　　然而，对于以闪存为基础的FPGA元件，情形则大不相同。闪存是一种非挥发性的储存结构，包括封装在良好的电介质中（图2）的浮动门（它位于控制门和下方MOSFET结构之间），在离子攻击或接近闪存单元耗散区时，仍有一个电荷沉积着。然而，翻转快闪单元储存位元所需的临界电荷量 （QCRIT）远大于SRAM单元，而且用于配置的快闪单元还具有非常稳健的结构，因此，用于FPGA配置的快闪单元具有SEU事件的免疫能力。

　　

　　图2　闪存单元的电介质示意图

　　

　　综上所述，微型化对于医疗设备来说是愈来愈重要，与此同时，产品开发人员还须提供更好的功能性、电池寿命和安全性。产品开发人员透过最新的FPGA元件，结合超低功耗芯片设计和先进的封装技术，将有助于大幅缩小设备尺寸，且与替代方法相比，可在更小的空间中增加更多功能，同时提升效能。此外，产品开发人员若选择基于闪存的FPGA技术，亦能够同时降低致命安全性漏洞的风险，并可为在放射治疗环境下使用的设备提供SEU免疫能力，提升产品可靠度。

　　本文作者为美高森美通讯和医疗产品部医疗产品高级副总裁暨总经理