FPGA：大幅渗透医疗电子领域,逐步SoC化 - 全文

　　深陷在消费电子红海中的OEM，不妨将目光转向医疗电子这片需求不断增长的蓝海。目前，世界各地对医疗保健的需求在不断增长，对保健模式的要求也越来越高。Altera医疗业务部高级市场经理John Sotir认为，变化体现在两方面，特别是医院环境中。首先，预测和预防保健的发展提高了患者的生活质量，在不断发展的诊断成像平台的支持下，社会医疗保健总成本也在不断下降。其次，功能强大的、基于价值的便携式医疗设备在性能上超越了几年前的大型高成本设备，在此基础上，政府政策能够扩大医疗保健的覆盖范围。

　　

　　Altera医疗业务部高级市场经理John Sotir

　　他还指出，推动中国医疗电子设计快速发展的几个因素包括：经济增长推动了市场需求；人口增长和老龄化，预期寿命延长等；生活水平的提高，患者更高的期望；慢性病发病率的增加（肥胖、呼吸系统疾病、心脏病）；政府政策覆盖面越来越广，医院采购预算不断升级和扩张；对医疗成像（可视化）和数字医疗设备不断增长的需求。

　　不过，中国医疗电子市场与全球市场对比，既有共同点也有独特之处。赛灵思亚太区新业务拓展经理黄文杰指出，共同点在于中国医疗器械制造商正在与全球其他企业一起，从低端到中/高端不断升级他们的技术和产品，不同之处在于中国更多的需求是对新的健康医疗设施的需求，包括中国十二五计划中的中心城市以及农村地区的医院、社区医疗保健中心以及诊所等。他强调说：“全球和中国医疗机构对于设备升级的需求以及市民对优质医疗产品的需求，是驱动全球和中国医疗电子市场增长的普遍因素。在这种市场环境中，中国医疗设备企业对更高性能、更低功耗以及高度集成电子设备的需求，将会持续增加，以满足国内和出口市场的下一代医疗设备发展的要求。”

　　

　　赛灵思亚太区新业务拓展经理黄文杰

　　不断进步的医疗电子技术是满足这些医疗保健需求的关键。得益于灵活的架构以及强大的并行处理和计算能力，FPGA器件被越来越多地应用于医疗电子系统的优化设计中，这也为FPGA市场带来了新的发展契机，预期FPGA将成为医疗电子市场成长最快的半导体器件。

　　不仅如此，成本也是FPGA渗透到该领域的关键因素之一。黄文杰表示：“在大多数医疗设备中，实时信号处理和视频处理是其中最重要的应用，CPU可以满足性能的需求，但是与此同时增加了成本。而FPGA 可以取代CPU的实时信号处理算法，同时降低成本。”他介绍说，赛灵思All Programmable SoC器件中含有软件可编程的多核ARM Cortex A9，大量硬件可编程的逻辑电路、存储器和DSP，还有可编程的模拟电路（ADC）和12.5Gbps收发器等。通过将处理器和FPGA高度集成，单芯片解决方案降低了系统成本和功耗。

　　

　　京微雅格市场总监窦祥峰

　　FPGA 的优势似乎还有很多，异军突起的中国本土FPGA厂商京微雅格公司市场总监窦祥峰也表示，该公司目前量产的芯片与规划下一代产品均有嵌入处理器平台，将 FPGA、CPU、ASIC、存储器以及模拟单元等功能模块集成在单一芯片上，与传统处理器相比FPGA嵌入硬核处理器在应用范围、多系统集成、减少用户 PCB面积方面优势巨大。他说：“在医疗领域，尤其是便携式医疗设备方面，由于对于芯片的面积功耗有限制，嵌入了处理器平台的FPGA更能体现优势。此外，FPGA安全特性可最大限度保护客户的设计，界面友好的开发工具可加速客户设计从概念到市场时间。”

　　医疗成像：不断膨胀的性能要求

　　尽管医疗成像设备大多用于医院，设备大型且高昂，但市场显示便于携带、低功耗的医疗设备更容易受到用户青睐。此外，具备信息化、安全标准（安全性）和质量执法、医疗器械和生物信息学的融合等特性的设备也是医疗成像设备的发展潮流。Altera的Sotir指出，这些需求趋势对IC行业特别是FPGA提出了以下具体要求：1.通过工艺技术进步来优化性能和功耗；2.通过硬件加速提高性能；3.灵活的应对标准的变化以及越来越强的功能；4.提供可承受的高性价比解决方案，包括总体拥有成本；5.定制解决方案，更好的适应医疗器械多样化需求。

　　FPGA厂商也努力满足以上要求。在增强医疗成像技术方面，半导体器件技术的进步直接导致了诊断质量的提高。半导体性能的提高支持传感器阵列采集更多的数据，噪声基底更低，提高了信噪比。半导体技术通过高性能I/O、大容量片内存储器、更大的存储器带宽和DSP等更高效的处理硬件对大量的数据进行实时汇集、滤波和预处理。

　　可编程逻辑的发展前所未有的提高了并行处理能力，支持当今的高级成像算法。每一代成像设备探测的数据量越来越大，由于采用复杂的迭代算法，因此，单位数据需要更多的处理资源。在提高性能的同时，还必须满足同样的功耗需求，以及长期可靠性要求。这只有通过半导体器件技术进步才能实现，提高性能同时低功耗。

　　为了解决下一代医疗成像系统日益膨胀的性能要求，赛灵思称已推出领先竞争对手整整一代的28nm7 系列FPGA产品，可以为医疗设备企业提供宝贵的设计局灵活性、丰富的IP硬核、强大的收发器功能和开发工具支持的最佳组合，使设计人员能够应对超声、 CT、X射线等设计领域等提高性能，满足不断变化的市场需求和严苛的官方资格认证的市场挑战，满足图像更清楚、更精确的需求。

　　便携医疗：SoC大行其道

　　尺寸更小、功耗更低是便携医疗设备的主要趋势，随着各类技术的进步，高性能也成为不可或缺的重要属性。这一点在超声应用中得到了很好的验证。仅在几年前，支持64通道和多种成像模式的高级超声系统会含有多块电子电路板和子系统，需要很大的机箱才能容纳这些电子器件。

　　今天，性能相似的超声电子设备可以安装到一个笔记本电脑大小的机箱中。传感器技术的进步提高了探测信噪比，可以在一个可编程逻辑器件中实现复杂的聚束技术。灵活的可编程器件支持超声平台在其生命周期中不断进行改进。半导体技术会继续在一个器件中集成越来越多的功能，因此，更紧凑的高性能超声平台这一趋势将持续下去。

　　SoC器件平台由此应运而生，它能够在SoC集成封装内部和外部提供高速I/O、容量更大的片内存储器、更大的存储器总线带宽，以及硬件加速功能，例如DSP模块、嵌入式处理器和可编程架构等，更加灵活，今后也不会过时，满足了新系统的需求。“这些高度集成的SoC器件降低了功耗，减少了器件数量，减小了PCB面积，支持实现体积更小的超声设备，例如，平板或者手持式产品，其成像质量与前一代机箱式设备相似。”Sotir说。

　　他还说道：“智能医疗解决方案是一种新的趋势，它包括连续采集患者数据，并对不同时间点测量数据进行分析的便携式医疗监控设备，再到使用复杂算法处理方法对全部人口进行复杂数据挖掘的技术等。”Altera的可编程逻辑在单一平台上应用了高级集成技术，支持各种医疗设备解决方案，从可穿戴式监视器、随身看护诊断，直至便携式保健服务解决方案等等。Altera固有的并行和可定制硬件支持通过硬件加速方法实现高级成像平台，使用生物信息和高性能计算平台，性能提高了几个数量级。

　　赛灵思也强调其SoC的独特优势，黄文杰表示：“和当前FPGA+DSP+Processor解决方案相比，赛灵思特有的All Programmable SoC Zynq-7000系列，把ARM处理器和FPGA结合起来，在28nm工艺的FPGA中嵌入双核的ARM Cortex-A9内核，最先进的工艺和强大的处理能力和可编程能力非常适合医疗电子比如高端医用监护仪产品等的应用，而且拥有绝对的成本优势。其单芯片的解决方案降低了制造、耗材（更小的外形尺寸使然）以及相关支持组件的成本，同时也降低了系统的总功耗。”

　　此外，Sotir 还表示Altera的高度集成技术不仅能减少总体功耗，还能减少便携式医疗应用的散热问题，而这些问题是由于小型设备（手持或可穿戴设备）的电池寿命和热特性的因素限制而产生。值得一提的是，Altera还提供设计工具、知识产权（IP）、由第三方评审员根据IEC61508 规范中使用安全关键应用的半导体器件，这减少了选择器件的复杂性，并支持医疗认证的严格要求。

　　同样的，京微雅格也强调其 SoC单芯片系统无论在各子系统的集成还是在研发周期的保证上都具有明显优势，特别是芯片的安全特性。“长期以来，采用SRAM工艺的FPGA加密性广受诟病，如何保证自己的知识产权不被盗取是广大设计者亟待解决的问题，我们的产品系列采用的加密方式符合AES标准且非常容易使用。可以为我们的客户实现他们最关心的问题。”窦祥峰说。

　　支持与服务体系尤为重要

　　由于FPGA具有高度灵活性，医疗设备制造商二次开发也需要FPGA厂商生态系统的各方支持。Altera的Sotir表示，Altera重点支持国内增长中的医疗OEM行业。Altera的器件专家和技术专家经常协助医疗OEM在结构和设计上要求。Altera在槟城拥有一个重大的设计团队，并发展了大型的设计服务合作伙伴网络（DSN），以支持客户的技术需要。到目前为止，很多专门从事成像、治疗、手术、医疗机电、监测、科研和实验室设备的医疗OEM的前沿解决方案是基于Altera CPLD和FPGA产品。从供应链合作伙伴角度，Altera与半导体晶圆厂台积电拥有18年合作关系，供货稳定。

　　赛灵思的黄文杰也指出，目前全球和中国的主要医疗设备制造商都在他们的产品中使用了赛灵思FPGA。赛灵思的28nm All Programmable平台（包括Artix-7， Kintex-7， Virtex-7 和Zynq-7000）已经陆续投入到医疗成像、诊断、监控、治疗、家庭医疗器械和远程医疗等领域应用，通过All Programmable FPGA和SoC，医疗设备设计人员可在较低成本和功耗上实现实时处理和高性能的方案，从而实现各类差异化设计。

　　“对于赛灵思来说，优质的服务和客户满意度至关重要重要。”为此，赛灵思在新加坡设立了亚太区总部及工厂，帮助赛灵思确保稳定的交货期。他还说：“我们的分销商安富利和科通，都是全球或者本地优秀的而且是最大的电子产品分销企业，均可以为广大的中国客户提供出色的技术支持和 服务。”

　　本土FPGA供应商京微雅格的目标指向中国本土厂商。窦祥峰指出，虽然该公司金山系列今年第三季度才开始量产，但是目前已经取得了血氧仪、血液分析仪及医疗显示驱动相关的设计应用，广泛分布在医疗设备的显示、电机控制、主控单元及时序产生器等方面。“我们正在积极挖掘具有技术实力的设计公司开发相应的医疗设备通用设计，具有国产核心芯片的医疗设备即将问世。”他说，“作为本土FPGA供应商，我们最大的亮点在于本土化设计与本土化技术支持团队，无论反馈时间、沟通交流还是解决问题的精准性都绝对优于竞争对手。”