FPGA 助力工控行業邁向智能、安全、互連新世界

萊迪思(Lattice)半導體亞太區總裁徐宏來

　　萊迪思(Lattice)半導體亞太區總裁徐宏來隨著高性能數據分析、網絡邊緣、AI 人工智能等計算密集型應用的興起，傳統的通用計算方式已無法完全勝任龐大的算力要求，正基于此，異構計算成為了一項理想的解決方案。FPGA　(Field-Programmable Gate Array)，即現場可編程門陣列， 作為優秀的異構計算協同技術之一，在其中正發揮著越來越重要的作用。尤其是在工控自動化領域的伺服驅動、馬達控制應用中， 目前主控芯片通常以“CPU+FPGA”雙核結構為主，利用 FPGA 器件并行計算且運算速度快的特點，實現多軸電機驅動，以及逼近模擬控制的高性能硬件電流環控制功能，為客戶提供驅控一體化集成式運動控制解決方案。

　　專注低功耗 FPGA 創新開發

　　最近幾年，原先以兩大國際寡頭為主陣營的全球FPGA 市場，經過一系列企業并購行為之后，供應格局發生了深刻的變化，

　　同時，技術開發路線也由獨立 FPGA 轉向整合集成的方向加速前進。例如，英特爾通過收購 Altera，入局 FPGA 市場;賽靈思和AMD 攜手，與之分庭抗禮，背靠更為強大的資源優勢，使得這些廠商主要專注研發的是加速特定任務的FPGA 器件，例如云計算、物聯網數據中心的 AI 人工智能等等，它們大多都是功耗非常高的大型器件。

　　“Lattice 萊迪思則專注于低功耗FPGA 的創新和產品開發， 用于網絡邊緣應用，”徐宏來強調道，“這些應用的 OEM 廠商在設計選擇器件時考慮的一個關鍵要素，就是器件的低功耗和小尺寸。萊迪思始終致力于低功耗FPGA 市場的應用開發，從2019 年末我們發布的 Lattice Nexus FPGA 平臺就可以看出這一特點。”

　　萊迪思Nexus 是近十年來對低功耗FPGA 技術的一次重大突破，它結合了萊迪思在低功耗FPGA 領域長期積累的經驗，以及領先的 28 nmFD-SOI 半導體制造工藝，開發出多種低功耗、高性能、高可靠性和小尺寸的解決方案(如CrossLink- NX\Certus-NX\Math-NX，以及最新推出的 CertusPro-NX)， 為視覺處理、馬達控制、光通訊等細分應用市場提供低功耗、安全可靠的 FPGA 器件方案。

　　除此之外，Lattice 萊迪思近幾年另一個顯著的變化是，成功地將發展重點從通信行業轉移到工業和汽車領域，以適合當前市場的變化和企業自身的技術定位，并且已在工廠自動化和新能源汽車市場上取得了突破性成長。

　　“萊迪思是低功耗可編程器件領域的全球領導者。我們的FPGA 在低功耗、高可靠性和小尺寸方面處于行業領先地位。萊迪思將繼續使用當前的 Lattice Nexus FPGA 平臺，革新我們低功耗 FPGA 的性能和特性，到 2022 年下半年，我們將計劃推出新的平臺——Lattice Avant，繼續延續這一創新優勢。”徐宏來補充道。

       Automate 解決方案瞄準工廠自動化

　　根據有關機構的調查預測，到 2027 年，包括各類上游元器件在內，全球工業自動化市場的規模將達到 3260 億美元左右。談到現階段工業市場的需求特點，徐宏來指出，工業應用需要低功耗和小尺寸的半導體器件，從而最大程度地降低工業設計中的功耗和空間預算;此外，低延遲、精確的可預測性、高穩定性、接口靈活，這些都是工業自動化市場較為明顯的需求點，為此， 萊迪思針對工業自動化進行了深層次開發，并已與多家行業領先企業展開合作，力爭在這一市場上保持萊迪思 FPGA 器件的領先地位。

　　今年，萊迪思推出的Automate 解決方案集合可以說是一款專門針對工廠自動化領域伺服驅動、馬達控制應用而開發的高性能、智能化、可拓展的多軸馬達控制方案。它基于結合 28 nm FD-SOI 技術和優化 FPGA 架構的萊迪思 Nexus 平臺，與同行方案相比，功耗降低多達 75%，尺寸減小多達 90%，控制馬達的數量可增長 1 倍;SER(軟錯誤率)最高降低 100 倍，從而實現了高可靠性和可用性，完全滿足工控行業對低功耗、高安全性、網絡化應用的要求。

　　在工業領域，要想精確地控制馬達的轉速和位置，響應速度快是很重要的一點，而這正是 FPGA 器件的一大特點，它類似于硬件驅動定制化的一種實現方式。Automate 解決方案集合利用萊迪思 Nexus FPGA 的性能優勢，數據傳輸速率最快可達 MIPI D-PHY (2.5 Gbps) ， 以支持更快的響應速度，在伺服馬達閉環控制系統中實現更高的定位精度、效率和精確控制性能。

　　此外，在工業 4.0 的大潮中，工業實時以太網的應用已是大勢所趨，因應這一趨勢，萊迪思 Automate 解決方案集合通過EtherConnect IP，采用集中式主控制器，支持嵌入式實時工業網絡，實現實時網絡互連、同步操作、感測、控制，以及網絡安全、保護恢復等功能，為位于工廠自動化網絡邊緣層的伺服驅動、馬達控制提供算力強大，且低功耗的技術方案支撐。

　　尤為值得一提的是，在這次萊迪思公布的Automate 解決方案合集中，還引入了擁有 AI 功能的多通道馬達控制技術，以實現可預測維護功能，能夠盡早發現馬達性能的下降，最大程度地防止停機;且可擴展的AI/ML，支持多個馬達;無需額外的傳感器;本地化實現可保護數據隱私，并降低網絡帶寬成本等等。

　　市場供應持續保持增長

　　針對目前大多數工控廠商對于 FPGA 器件及其開發并不十分擅長的狀況，萊迪思和其合作伙伴可以為這類客戶提供具體的參考設計，并給予現場技術支持，以確保新產品的開發周期，滿足客戶對產品技術性能提升的需求。

　　另一個目前市場關注的熱點是，由于新冠病毒疫情的蔓延， 以及惡劣環境氣候等因素所導致的全球半導體供應鏈的阻滯，對包括伺服驅動、馬達控制廠商在內的工業企業的產能帶來了較大的影響。對此，徐宏來表示，近期市場所面對的主要挑戰表現為需求與供應之間的矛盾，特別是在對半導體器件供應的管理上， 如何建立更可靠和有效的策略，以保證半導體器件的供應，是許多企業正在思考的一大課題。在萊迪思方面，在整體半導體市場供應緊缺的狀況之下，通過與封裝廠以及 Fab 廠商的緊密合作， 萊迪思持續保持對中國市場的供應增長，雖然交期有所增長，但價格暫時沒有太大的波動。

　　經過近三十年的高速發展，中國成為了重要的“世界工廠”，

　　中國制造業設備供應商在全球市場的份額也在不斷提升之中，隨著當前產業競爭的加劇，盡快縮短本土企業與歐美廠商之間的技術差距已迫在眉睫，由此也為工業自動化行業帶來了潛力可期的未來發展空間。萊迪思作為全球低功耗 FPGA 器件的領先供應商， 致力于為通信、計算、工業、汽車和消費市場客戶提供從網絡邊緣到云端的創新解決方案，協助中國本土廠商邁向智能、安全、互連的新世界。