到2028年，全球工業(yè)4.0市場規(guī)模預計將超過2790億美元，復合年增長率為16.3%。雖然開發(fā)商和制造商對這種高速增長已經(jīng)習以為常，但其影響才剛剛開始顯現(xiàn)。通過結合云計算、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和人工智能(AI)的能力，工業(yè)4.0將在未來幾年繼續(xù)提升制造業(yè)的數(shù)字化、自動化和互連計算水平，推動更多企業(yè)擁抱第四次工業(yè)革命。

隨著工業(yè)4.0的加速發(fā)展，許多工業(yè)標準和流程將發(fā)生變化，因為許多工業(yè)系統(tǒng)需要先進的計算引擎和多種類型的現(xiàn)代連接標準，包括工業(yè)以太網(wǎng)、Wi-Fi和5G。此外，人們越來越關注更先進的軟件工具和應用，如預測性維護、功能安全、機器人自動化等等。

反過來，制造商需要先進的技術來驅(qū)動互連、高效數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)和服務優(yōu)化，同時保持彈性安全性。現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)憑借自身得可編程性、高性能、低功耗和安全特性，正迅速成為開發(fā)人員滿足這些需求并跟上工業(yè)4.0革命步伐的首選工具。

工業(yè)標準一覽

隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，一些標準(如OPC統(tǒng)一架構(OPC-UA)和時間敏感網(wǎng)絡(TSN))正在合并，從而更好地聚合和縮放每天生成的海量新數(shù)據(jù)。作為一種機器間通信協(xié)議，OPC-UA提供了一個安全的、獨立于平臺的、面向服務的架構。當與TSN出色的實時功能相結合時，OPC-UA就成了在不中斷運營或安全性的情況下為制造商提供持續(xù)的洞察力和數(shù)據(jù)流的關鍵框架。

由于標準的合并，開發(fā)人員需要高度專業(yè)化的技術來實施OPC-UA和TSN框架，并讓制造商符合新法規(guī)要求，保證持續(xù)發(fā)展。為了滿足這些需求，萊迪思提供了針對特定應用的FPGA解決方案，如萊迪思Automate™解決方案集合，該解決方案支持OPC-UA和TSN，為客戶提供全新的工廠自動化和工業(yè)機器視覺功能。萊迪思還致力于OPC-UA遷移，于2022年3月加入OPC基金會，在Lattice Insights官方培訓平臺上提供OPC-UA模塊課程。該官方培訓門戶旨在幫助系統(tǒng)和應用設計人員最大限度地提高其FPGA設計體驗。

利用FPGA推進工業(yè)4.0應用

除了幫助制造商應對不斷發(fā)展的法規(guī)和標準外，F(xiàn)PGA還支持低功耗、可靠和安全的工業(yè)應用開發(fā)，如機器人、嵌入式實時網(wǎng)絡、預測性維護、功能安全和系統(tǒng)安全。

機器人

采用工業(yè)4.0應用助力智能機器人，大大提高了工廠和倉庫的自動化水平。隨著工廠加快集成這些自主機器人，眾多傳感器、攝像頭和電機產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)推動了對推理和智能的需求。FPGA具有并行處理功能，有助于聚合傳感器和攝像頭數(shù)據(jù)并快速分析大量信息。CPU一次只能處理一批數(shù)據(jù)，而FPGA可以同時整合和處理多個功能。

FPGA可以通過并行處理同時監(jiān)控多條通信總線，使開發(fā)人員能夠跨各種連接類型工作，并快速安全地將更多數(shù)據(jù)引入流水線。例如，在汽車制造中，F(xiàn)PGA可以組合或多路復用來自多個高分辨率攝像頭的信號，然后在這些信號到達SoC時將這些信號拆分。

嵌入式實時網(wǎng)絡

隨著連接設備的數(shù)量遠超以往，嵌入式實時網(wǎng)絡確保機器、傳感器和攝像頭可以實時通信和交換數(shù)據(jù)。在工業(yè)4.0中，這意味著監(jiān)控、控制和制造流程優(yōu)化可以實現(xiàn)無縫通信和數(shù)據(jù)交換。

FPGA對于實現(xiàn)實時網(wǎng)絡至關重要，因為它們能夠以低延遲和穩(wěn)定的方式執(zhí)行信號處理和分析。對于制造業(yè)中的實時應用，這種低延遲和確定性對于工廠車間始終在線的功能和運營至關重要。

預測性維護

隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，預測性維護功能也隨著物聯(lián)網(wǎng)設備、云計算和高級分析的集成而不斷發(fā)展。預測性維護使用數(shù)據(jù)分析、傳感器和機器學習，實時監(jiān)控設備運行狀況、提高預測準確性并優(yōu)化維護計劃，從而提高運營效率、最大限度地減少停機時間并節(jié)省成本

FPGA對于實現(xiàn)預測性維護至關重要，因為它們能夠以超低功耗提供高速性能。在高性能加持下可以快速實時檢測異常運行狀態(tài)，降低設備故障風險。同時，其節(jié)能設計可在低功耗下實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控，從而根據(jù)實時反饋及時采取維護措施，最大限度地降低運營成本。

功能安全

隨著工業(yè)4.0中的系統(tǒng)變得更加互連和自主，功能安全(FuSa)可確保系統(tǒng)或設備在響應輸入或出現(xiàn)故障時安全、正確地運行。FPGA已成為實現(xiàn)功能安全的高效工具，特別是其可定制和可重新編程的特性。FPGA可以實現(xiàn)安全關鍵功能，例如直接在工業(yè)系統(tǒng)中進行監(jiān)控、控制和診斷。

萊迪思的軟件設計工具經(jīng)過最新安全設計方法認證，與FPGA配合使用，為設計人員提供了極大的靈活性，幫助他們在安全關鍵應用中實施和開發(fā)功能安全。

系統(tǒng)安全

增強互連在制造業(yè)中可能會帶來新的安全威脅。事實上，制造業(yè)正在經(jīng)歷的網(wǎng)絡攻擊比其他任何行業(yè)都多，尤其是在云端。FPGA在實時硬件可信根(HRoT)產(chǎn)品中集成了“加密敏捷”功能，以增強對服務器平臺和其他連接設備應用的保護，在從系統(tǒng)上電到斷電的整個攻擊面上為組織提供保護。

此外，提供HRoT功能的FPGA具有專用的加密和非對稱引擎，可防止代碼被擦除、讀取或重寫，從而利用數(shù)字簽名確保所使用的代碼是正確的代碼。它們還建立了唯一的器件標識，在允許數(shù)據(jù)交換之前進行驗證，確保系統(tǒng)的核心功能和關鍵組件始終受到保護。

支持工業(yè)4.0的未來

隨著工業(yè)4.0的持續(xù)發(fā)展，對先進計算和互連解決方案的需求只增不減。FPGA因其獨特的功能(包括靈活性和可定制、并行處理、高速性能和低功耗以及HRoT基礎設施)而成為賦能和實現(xiàn)工業(yè)4.0關鍵應用的重要工具。FPGA幫助制造商快速、安全地優(yōu)化工業(yè)運營、增強互連并適應不斷變化的環(huán)境。