基于閃存的FPGA添臂力　便攜式醫療設備可靠度大增

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

　　便攜式醫療設備的系統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，同時還要藉由最佳的可靠性和功效來確保設備安全無虞。另外，在放射治療環境中使用的設備，易因電離輻射而產生單事件翻轉（SEU），工程師也須將此一影響納入設計考量，因為這些挑戰皆可能會導致使用者在操作上出現危險狀況。

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

　　高整合度FPGA助力　醫療設備大吹微型風

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

　　圖1是Given Imaging采用微型化技術所開發出的Pillcam無線內視鏡成像膠囊，此一產品因采用客制化RF收發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。

　　圖1 Pillcam無線內視鏡成像膠囊示意圖

　　除客制化RF收發器外，現場可編程門陣列（FPGA）元件也是讓醫療設備微型化的重要因素。過去傳統的設計工程師一直都是以微控制器（MCU）、特定應用標準產品（ASSP）芯片和小型可編程邏輯元件，開發用于便攜式醫療設備的人機界面（HMI）和微型馬達控制器，這種方法不僅難以縮小設備的體積，也不適用于優化十分重要的傳感器和致動器的通道數目。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，FPGA元件還有助于降低功耗。例如便攜式醫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設計，盡可能地將LCD和控制邏輯置于功耗節省模式，以大幅降低電池的耗電量。由于ASSP并未考慮到醫療市場的實際需求，所以產品開發人員要以 ASSP開發這些設計是有其困難度，若利用具備可編程特性的FPGA開發低功耗設計則較為簡單。

　　此外，產品開發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，最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與企業和社會組織合作投資開發的，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勢的封裝方法。

　　防范駭客篡改資料　閃存FPGA立大功

　　現今新一代的FPGA元件還提供重要的安全特性，以確保醫療設備可進行合法的升級。由于便攜式醫療設備常處于被竊、偽造、售后市場篡改和過度生產 （Overbuilding）的風險中，這些風險中的每一項都會給醫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