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FPGA 助力工控行业迈向智能、安全、互连新世界
来源:安徽京准电钟 | 作者:安徽京准科技 | 发布时间: 2021-10-28 | 46 次浏览 | 分享到:
FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,是异构计算技术领域的一项重要分支,在目前的工控行业中发挥着越来越重要的作用。近期,本刊采访到莱迪思(Lattice)半导体亚太区总裁徐宏来先生,请他详细介绍了近年来莱迪思在FPGA 器件开发上的主要思路和技术方向,以及最近推出的专门针对工厂自动化领域开发的 Automate 解决方案合集,从中我们也可以一窥当前在这一专业技术领域中的最新发展动向。

莱迪思(Lattice)半导体亚太区总裁徐宏来随着高性能数据分析、网络边缘、AI 人工智能等计算密集型应用的兴起,传统的通用计算方式已无法完全胜任庞大的算力要求,正基于此,异构计算成为了一项理想的解决方案。FPGA (Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列, 作为优秀的异构计算协同技术之一,在其中正发挥着越来越重要的作用。尤其是在工控自动化领域的伺服驱动、马达控制应用中, 目前主控芯片通常以“CPU+FPGA”双核结构为主,利用 FPGA 器件并行计算且运算速度快的特点,实现多轴电机驱动,以及逼近模拟控制的高性能硬件电流环控制功能,为客户提供驱控一体化集成式运动控制解决方案。

  专注低功耗 FPGA 创新开发

  最近几年,原先以两大国际寡头为主阵营的全球FPGA 市场,经过一系列企业并购行为之后,供应格局发生了深刻的变化,

  同时,技术开发路线也由独立 FPGA 转向整合集成的方向加速前进。例如,英特尔通过收购 Altera,入局 FPGA 市场;赛灵思和AMD 携手,与之分庭抗礼,背靠更为强大的资源优势,使得这些厂商主要专注研发的是加速特定任务的FPGA 器件,例如云计算、物联网数据中心的 AI 人工智能等等,它们大多都是功耗非常高的大型器件。

  “Lattice 莱迪思则专注于低功耗FPGA 的创新和产品开发, 用于网络边缘应用,”徐宏来强调道,“这些应用的 OEM 厂商在设计选择器件时考虑的一个关键要素,就是器件的低功耗和小尺寸。莱迪思始终致力于低功耗FPGA 市场的应用开发,从2019 年末我们发布的 Lattice Nexus FPGA 平台就可以看出这一特点。”

  莱迪思Nexus 是近十年来对低功耗FPGA 技术的一次重大突破,它结合了莱迪思在低功耗FPGA 领域长期积累的经验,以及领先的 28 nmFD-SOI 半导体制造工艺,开发出多种低功耗、高性能、高可靠性和小尺寸的解决方案(如CrossLink- NXCertus-NXMath-NX,以及最新推出的 CertusPro-NX), 为视觉处理、马达控制、光通讯等细分应用市场提供低功耗、安全可靠的 FPGA 器件方案。

  除此之外,Lattice 莱迪思近几年另一个显著的变化是,成功地将发展重点从通信行业转移到工业和汽车领域,以适合当前市场的变化和企业自身的技术定位,并且已在工厂自动化和新能源汽车市场上取得了突破性成长。

  “莱迪思是低功耗可编程器件领域的全球领导者。我们的FPGA 在低功耗、高可靠性和小尺寸方面处于行业领先地位。莱迪思将继续使用当前的 Lattice Nexus FPGA 平台,革新我们低功耗 FPGA 的性能和特性,到 2022 年下半年,我们将计划推出新的平台——Lattice Avant,继续延续这一创新优势。”徐宏来补充道。

莱迪思.png

  Automate 解决方案瞄准工厂自动化

  根据有关机构的调查预测,到 2027 年,包括各类上游元器件在内,全球工业自动化市场的规模将达到 3260 亿美元左右。谈到现阶段工业市场的需求特点,徐宏来指出,工业应用需要低功耗和小尺寸的半导体器件,从而最大程度地降低工业设计中的功耗和空间预算;此外,低延迟、精确的可预测性、高稳定性、接口灵活,这些都是工业自动化市场较为明显的需求点,为此, 莱迪思针对工业自动化进行了深层次开发,并已与多家行业领先企业展开合作,力争在这一市场上保持莱迪思 FPGA 器件的领先地位。

  今年,莱迪思推出的Automate 解决方案集合可以说是一款专门针对工厂自动化领域伺服驱动、马达控制应用而开发的高性能、智能化、可拓展的多轴马达控制方案。它基于结合 28 nm FD-SOI 技术和优化 FPGA 架构的莱迪思 Nexus 平台,与同行方案相比,功耗降低多达 75%,尺寸减小多达 90%,控制马达的数量可增长 1 倍;SER(软错误率)最高降低 100 倍,从而实现了高可靠性和可用性,完全满足工控行业对低功耗、高安全性、网络化应用的要求。

  在工业领域,要想精确地控制马达的转速和位置,响应速度快是很重要的一点,而这正是 FPGA 器件的一大特点,它类似于硬件驱动定制化的一种实现方式。Automate 解决方案集合利用莱迪思 Nexus FPGA 的性能优势,数据传输速率最快可达 MIPI D-PHY (2.5 Gbps) , 以支持更快的响应速度,在伺服马达闭环控制系统中实现更高的定位精度、效率和精确控制性能。

  此外,在工业 4.0 的大潮中,工业实时以太网的应用已是大势所趋,因应这一趋势,莱迪思 Automate 解决方案集合通过EtherConnect IP,采用集中式主控制器,支持嵌入式实时工业网络,实现实时网络互连、同步操作、感测、控制,以及网络安全、保护恢复等功能,为位于工厂自动化网络边缘层的伺服驱动、马达控制提供算力强大,且低功耗的技术方案支撑。

  尤为值得一提的是,在这次莱迪思公布的Automate 解决方案合集中,还引入了拥有 AI 功能的多通道马达控制技术,以实现可预测维护功能,能够尽早发现马达性能的下降,最大程度地防止停机;且可扩展的AI/ML,支持多个马达;无需额外的传感器;本地化实现可保护数据隐私,并降低网络带宽成本等等。

  市场供应持续保持增长

  针对目前大多数工控厂商对于 FPGA 器件及其开发并不十分擅长的状况,莱迪思和其合作伙伴可以为这类客户提供具体的参考设计,并给予现场技术支持,以确保新产品的开发周期,满足客户对产品技术性能提升的需求。

  另一个目前市场关注的热点是,由于新冠病毒疫情的蔓延, 以及恶劣环境气候等因素所导致的全球半导体供应链的阻滞,对包括伺服驱动、马达控制厂商在内的工业企业的产能带来了较大的影响。对此,徐宏来表示,近期市场所面对的主要挑战表现为需求与供应之间的矛盾,特别是在对半导体器件供应的管理上, 如何建立更可靠和有效的策略,以保证半导体器件的供应,是许多企业正在思考的一大课题。在莱迪思方面,在整体半导体市场供应紧缺的状况之下,通过与封装厂以及 Fab 厂商的紧密合作, 莱迪思持续保持对中国市场的供应增长,虽然交期有所增长,但价格暂时没有太大的波动。

  经过近三十年的高速发展,中国成为了重要的“世界工厂”,

  中国制造业设备供应商在全球市场的份额也在不断提升之中,随着当前产业竞争的加剧,尽快缩短本土企业与欧美厂商之间的技术差距已迫在眉睫,由此也为工业自动化行业带来了潜力可期的未来发展空间。莱迪思作为全球低功耗 FPGA 器件的领先供应商, 致力于为通信、计算、工业、汽车和消费市场客户提供从网络边缘到云端的创新解决方案,协助中国本土厂商迈向智能、安全、互连的新世界。