FPGA如何讓工業(yè)4.0大放異彩

技術(shù)領(lǐng)域最熱門的話題之一就是工業(yè)4.0，它本質(zhì)上是指將數(shù)字化、自動(dòng)化和互連計(jì)算智能融入制造業(yè)。這背后的思路就是將云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和人工智能（AI）的價(jià)值與功能相融合，從而在制造也和其他工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更智能、更可靠、更高效的運(yùn)營(yíng)。

工業(yè)4.0愿景的一個(gè)重要部分是創(chuàng)造智能互聯(lián)機(jī)器。幾十年來(lái)，在這類的環(huán)境中使用的大部分設(shè)備與外界交互的方式非常有限。物理旋鈕、儀表和其他簡(jiǎn)單的視覺(jué)機(jī)制通常是了解設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的唯一手段。隨著時(shí)間的推移，各個(gè)行業(yè)開(kāi)發(fā)了一些簡(jiǎn)單的連接和監(jiān)控形式，包括PLC（可編程邏輯控制器）和SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集），分別用于這些機(jī)器的硬件物理連接和軟件監(jiān)控。

隨著技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)這些不同設(shè)備的需求不斷增長(zhǎng)，許多工業(yè)系統(tǒng)現(xiàn)在集成了先進(jìn)的計(jì)算引擎和多種類型的現(xiàn)代連接標(biāo)準(zhǔn)，包括工業(yè)以太網(wǎng)、Wi-Fi甚至5G。此外，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注更加先進(jìn)的軟件工具和應(yīng)用，例如預(yù)測(cè)性維護(hù)、機(jī)器人自動(dòng)化等等。

由于這些設(shè)備本身各不相同，專業(yè)化程度高，因此需要可以針對(duì)其功能進(jìn)行定制的計(jì)算解決方案。現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）作為一種半導(dǎo)體芯片，可以編程從而執(zhí)行幾乎任何類型的計(jì)算功能，非常適合這些要求苛刻的設(shè)備和應(yīng)用。

FPGA能幫助設(shè)備制造商創(chuàng)建計(jì)算引擎或協(xié)處理器，這些引擎或協(xié)處理器可以專門針對(duì)其需求進(jìn)行優(yōu)化。而且，和專業(yè)應(yīng)用的定制ASIC不同，FPGA擁有在系統(tǒng)部署后重新編程或更新的優(yōu)勢(shì)。這在特定機(jī)器的開(kāi)發(fā)過(guò)程中非常重要，因?yàn)楫a(chǎn)品要求經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化。此外，工業(yè)設(shè)備的產(chǎn)品壽命通常有幾十年（而不是幾年），因此更新現(xiàn)有機(jī)器以支持新標(biāo)準(zhǔn)或滿足不斷變化的技術(shù)需求至關(guān)重要。

FPGA的一個(gè)獨(dú)特功能就是它們能夠在連續(xù)的、時(shí)間敏感的事務(wù)中處理數(shù)據(jù)或執(zhí)行某些功能。這就是為什么它們經(jīng)常用于網(wǎng)絡(luò)連接、電信和其他類型的延遲敏感環(huán)境中，在這些環(huán)境中，穩(wěn)定、統(tǒng)一地完成某些功能至關(guān)重要。許多工業(yè)環(huán)境都有類似類型的需求，F(xiàn)PGA非常適合這些應(yīng)用。

盡管FPGA性能強(qiáng)大、靈活且功能全面，但對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，編寫FPGA上運(yùn)行的應(yīng)用可能比較困難。由于其獨(dú)特的架構(gòu)，許多標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)環(huán)境和編程工具并不適用于FPGA。為了解決這個(gè)問(wèn)題，使用針對(duì)FPGA進(jìn)行優(yōu)化的軟件工具至關(guān)重要。所以FPGA芯片廠商自己開(kāi)發(fā)一些工具也就不足為奇了。

例如，萊迪思半導(dǎo)體已經(jīng)推出一系列軟件工具，可以設(shè)計(jì)FPGA芯片本身的獨(dú)特功能，還推出了在這些芯片上運(yùn)行的軟件。直到最近，萊迪思還FPGA的重心還集中在萊迪思Nexus?平臺(tái)的低功耗器件上。隨著全新萊迪思Avant?平臺(tái)的推出，其業(yè)務(wù)范圍擴(kuò)展到中端FPGA市場(chǎng)。此舉使公司能夠滿足工業(yè)領(lǐng)域、通信基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)中心和汽車等市場(chǎng)的更多應(yīng)用需求。新平臺(tái)將成為萊迪思FPGA新產(chǎn)品系列的基石。與同類競(jìng)品芯片相比，Avant產(chǎn)品功耗降低2.5倍、性能高2倍、物理封裝尺寸小6倍，更適合滿足工業(yè)設(shè)備不斷增長(zhǎng)的處理需求。

從軟件角度來(lái)看，萊迪思全新Avant FPGA系列可以使用萊迪思Radiant^?和萊迪思Propel?工具進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)，以及萊迪思Automate、mVision、sensAI、Sentry和ORAN等眾多解決方案集合來(lái)實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化、機(jī)器視覺(jué)、AI、安全和5G應(yīng)用。這意味著在基于Nexus的設(shè)計(jì)中使用過(guò)這些工具的企業(yè)和開(kāi)發(fā)人員可以將他們的經(jīng)驗(yàn)用于新的Avant系列。因此，如果一家公司使用過(guò)萊迪思的Nexus器件來(lái)實(shí)現(xiàn)基于硬件的可信根或其他功能，但同時(shí)希望使用Avant FPGA來(lái)運(yùn)行更高級(jí)的應(yīng)用，那么這些萊迪思軟件工具的使用經(jīng)驗(yàn)可以無(wú)縫銜接。

實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0愿景是一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)，可以說(shuō)現(xiàn)在仍處于起步階段。許多工業(yè)組織和設(shè)備供應(yīng)商非常保守，采用先進(jìn)技術(shù)方面進(jìn)展緩慢，他們的應(yīng)變速度也往往比一般市場(chǎng)慢得多。但很明顯很多企業(yè)都在啟動(dòng)這一過(guò)程，希望尋找可以幫助他們實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)代化的創(chuàng)新解決方案。像萊迪思這樣的功能強(qiáng)大的FPGA，以及充分利用它們所需的基本軟件工具，在推動(dòng)組織向前發(fā)展的過(guò)程中提供了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。