破局工業4.0
，為何非FPGA不可
？
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：2021-03-09 瀏覽次數
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- 在信息時代飛速發展過程中
，消費類產品迭代速度的加快
，促使人力
、材料等成本持續上漲
，也為工廠生產帶來了持續的壓力
。這種製造產業風向的變化及產品個性化需求的增加
，對相關企業提出了更高的要求
。基於此
，以物聯網和智能製造為核心的第四次工業革命正悄然來襲
。
加速轉型
！工業領域的新挑戰
2011年
，德國率先提出“工業4.0”概念
，此後美國也推出工業物聯網等類似概念
。但無論是工業4.0還是工業物聯網
，其主要重疊的部分都是智能與物聯
，也說明全球化工業正在加速轉型
。
工業4.0
，是德國與工業界為製造業製定的未來藍圖
，也是工業轉型升級的指路明燈
。將互聯網引入到車間和廠房內
，讓數據通過網絡在各個機器和設備之間流通
，發揮數據最大的價值
，這是一場偉大的工業革命
。
與傳統工業相比
，或者說與工業1.0
、2.0
、3.0相比
，工業4.0的核心是物理信息係統的集成
，以人工智能
、物聯網
、雲計算等新興技術為底層支柱
，通過生產機器
、設備與管理係統相連接
，間接將企業與價值鏈水平整合
，實現工業的自動化管理
，邁入智能製造
。
工業轉型曆程
（圖片來源
：集成灶網）
當然
，在底層技術不斷迭代更新的過程中
，工業4.0的市場價值也在不斷爆發出來
。據Markets and Markets最新市場研究顯示
，2019年
，全球工業4.0市場規模預計為717億美元
，到2024年
，其市場規模將達1566億美元
，期間複合增長率為16.9%
。
在市場的強勁推動下
，當下的工業應用主要表現出以下幾大趨勢
：第一
，工業網絡正在向以太網轉移
；第二
，工業係統集成度提高
，資源利用率提升
；第三
，工業控製對於安全性的要求增高
。此外
，還有時延
、功耗
、靈活性等要求
，為傳統CPU
、ASIC等處理器帶來了新的挑戰
。
新的機遇
！為什麽要選FPGA
？
在工業4.0的大部分應用場景中
，對於邊緣智能的硬件加速提出了新的需求
，要求更低延遲的數據處理能力
。另一方麵
，新設備需要具有可重新編程的能力
，以應對標準或者協議的演變
。此外
，智能工廠的建立離不開大數據處理及AI技術的應用
，這些要求促使智能工廠使用的SOC必須引進新的架構
。
具有優秀數據處理
、加速功能的FPGA成為智能工廠新的選擇
。FPGA
，是一種數字芯片
，翻譯過來又叫可編程邏輯器件
，其內部主要由IOB（輸入輸出模塊）
、CLB（可配置邏輯模塊）
、時鍾管理模塊
、嵌入式塊ARM
、豐富的布線資源等部分組成
。
FPGA器件內部結構圖
（圖片來源
：騰訊架構師）
可以看到
，FPGA內部連線可以將最小的邏輯單元連接成更大的邏輯功能單元
，由IOB連接完成信號的輸入輸出
。它與CPU
、GPU
、DSP等處理器工作方式有著本質不同
，它不需要通過獲取指令
、解碼指令等繁瑣步驟工作
，而是在芯片內部通過真值表作為器件畫電路圖
，所以它的本質屬於硬件開發
。
另外
，FPGA最大的特點就是可重複編程、並行計算能力強
，靈活性上高於專用芯片ASIC
，性能和實時處理能力優於CPU
，但編譯難度較高
，應用開發門檻偏高
，並不適合大規模應用（詳細對比如下圖）
。
四類主流芯片對比
（芯師爺製圖）
由於FPGA能根據新的版本進行方便的再編程
，並可進行現場再編程
，所以它對周期更長的工業產品也非常有利
。有業者指出
：“FPGA工藝不需要最低預訂數量
，壽命更長
，這是令其獨樹一幟的重要原因
。許多采用ASIC產品設計五年之久的工業客戶現在都用FPGA來代替ASIC
。”
此外
，據一位下遊應用端的工程師表示
，FPGA在工業控製領域有著不可替代的作用，特別是涉及到一些運動控製算法
，及圖像識別算法
。
五大場景
！FPGA迎來新發展
在加速轉型的工業領域
，FPGA大有取代ASIC的趨勢
，提供更靈活的解決方案，特別是在工業通訊
、電機控製
、機器視覺
、邊緣計算
、工業機器人等應用場景
。
傳統的工業通信
，主要考慮小範圍內的設備連接層數據傳輸與交換
，各工業以太網之間的傳輸協議並不相同，無法完全兼容
。工業物聯網與外界通信不同
，它是一個非常封閉的網絡
，對數據的實時性
、可確定性
、安全性及可靠性等有非常嚴格的要求
。工業4.0時代
，則要求所有的傳輸協議相同
。
SOPC工業以太網控製器硬件結構
（芯師爺製圖
，信息來源
：weeqoo）
而在工業轉型的過程中
，FPGA或將成為產業快速發展的迭代手段
。在這個過程中
，不同通信協議標準還會共存很久
，各設備之間的數據轉換需要一個非常靈活的轉換介質
，FPGA將有望成為首選目標
。
當前
，電機控製的發展越來越趨於多樣化
、複雜化
，FPGA芯片固有的可編程性和並行處理能力十分適合高端產品的電機控製
，尤其是工業領域
。FPGA以硬件方式進行並行處理
，並不占用CPU資源
，可以促使係統性能達到最大化
。目前很多FPGA廠商會將一些優化算法整合到FPGA中
，可以基於FPGA器件
，通過一個平台實現多個電機控製
，極大程度的提高了能源的利用效率
。
在機器視覺方麵
，目前主流的工業相機解決方案
，仍是基於X86的通用軟件方案
，即前端攝像頭采集圖像
，圖像處理部分在PC或PLC中通過軟件算法完成
，但由於CPU的計算性能有限
，對於計算複雜度很高的視覺算法（如基於SIFT特征點的目標識別和跟蹤）
，其處理速度難以滿足係統實時性的需求
。GPU的並性計算能力很高
，可以較好提高計算速度
，但功耗高
、體積大也是其明顯的劣勢
。綜合來看
，隨著FPGA集成度越來越高
，可實現實際的規模越來越大
，功耗越來越低等趨勢
，基於FPGA的嵌入式視覺係統將成為機器視覺發展的重要方向
。
相較於集中式存儲
、處理的雲計算
，邊緣計算可以為工業控製提供更明顯的效率和靈活性
。FPGA 相比其他異構處理器更適配邊緣計算場景
，與GPU相比
，FPGA可以大幅優化帶寬
，不占用CPU資源
。而FPGA在工業領域所要求的低延時和穩定性上也具備天然的優勢
。一方麵
，FPGA上集成了大量緩存和外部DRAM接口
，減少了計算過程中與CPU的交互
。另一方麵
，FPGA可實現基於 MIMD（並行指令和並行數據）設計
，實現中間數據在流水線之間傳遞和交互
，減少對緩存的依賴
，降低數據傳輸延遲
。
圖片來源
：攝圖網
在工業機器人應用方麵
，FPGA內部豐富的布線資源
、嵌入式專用IP
、基本可編程邏輯單元等使其可以同時處理不同種類的任務
，實現更加靈活性的同時滿足一些高速接口的時序要求
，這些都是工業機器人實現控製功能必備的條件
。
除了以上五大應用場景外
，FPGA還被用於工業雲
、顯示控製等工業領域
。可以看到
，FPGA所提供的靈活性
、優秀的並行計算性能可以幫助工業領域在實現智能化
、高性能等能力的條件下
，極大程度的降低成本
、功耗等
，這些都是FPGA未來在工業領域發展的良好契機
。
正式突圍
！國產FPGA邁向新高度
工業轉型升級為FPGA應用開辟了新的處女地
。據MRFR統計
，2019年全球FPGA市場規模為69億美元左右
，其中工業領域占比大約為12%
，市場規模約為8.3億美元
。預計到2025年
，全球FPGA在工業市場應用占比將增長至19%
，市場規模突破20億美元
。
據觀研天下最新研究數據顯示
，2019年中國FPGA市場規模約為187.5億元
，其中工業市場應用占比約為28%
，市場規模約為52.5億元
，預計2025年
，FPGA在中國工業領域的市場規模將達至100億元
。
芯師爺製圖
（數據來源
：觀研天下）
從行業發展趨勢來看
，中國工業市場對於FPGA的需求
，略高於全球
，這也為本土FPGA發展帶來了新的機遇
。然而
，在中國FPGA市場中
，早已形成Xilinx和Altera雙寡頭的局麵
，兩者市場占比高達52%和28%
，從技術到知識產權等方麵
，國產FPGA廠商麵臨著不小的挑戰
。
一位網名為“清霜一夢”的專業人士對芯師爺表示
：“國產FPGA目前仍處於起步階段
，企業在判斷FPGA器件性能時
，重點不在於看FPGA器件有多少LUT
，這種硬件堆砌的模板設計難度並不大
，相配套的EDA軟件和相應的IP才是選擇FPGA性能的重要參數
。如LUT可以達到多少利用率
，時鍾網絡能否很好的適配
，器件對應的IP是否穩定
，兼容性如何等等
，這些方麵才是國產FPGA需要提升的重點
。”
在如此多的挑戰之下
，國產FPGA廠商該如何突破
？抓住FPGA在工業轉型升級過程中的紅利呢
？
國產FPGA領導廠商紫光同創市場總監呂喆表示
：“工業市場是FPGA在通信市場之外的第二大應用市場
，覆蓋麵廣
、生命周期長
、實時處理和靈活性要求高
。傳統的工業市場應用主要集中在IO單元控製
、工業通訊
、馬達驅動
、伺服電機控製
、人機界麵
、安防監控等領域
，在工業4.0和人工智能浪潮推動下，新興的工業需求正在湧現
，比如新的工業通訊協議
、傳感器融合
、機器視覺
、邊緣計算、工業雲計算加速等
，都是FPGA新的應用方向
。紫光同創已經推出針對工業領域的小型CPLD和中小規模FPGA產品
，在工業級IO擴展
、伺服馬達驅動和控製
、EtherCAT通訊
、圖像視頻處理
、安防監控
、高清細間距LED控製卡
、高清電視顯示控製等方麵都有成熟的解決方案
，並已在多家國內知名設備廠商成功導入並量產發貨
。針對未來新興的市場方向
，尊龍凱時也在積極規劃布局更高端的FPGA產品和係統平台方案
，滿足工業市場多樣化的需求
。”
圖片來源
：攝圖網
當然
，國產FPGA也並非沒有機會
，它的優勢也非常明顯
。據一位應用端工程師表示
：“FPGA開發過程可能會碰到諸多難點
，比如代碼移植
、資源優化
、時序優化等等，所以他們選擇國產FPGA時
，首先關注國產廠商實力
，包括產品性能
、品質
、軟件能力
、長期持續穩定供貨能力
，其次關注技術支持實力和解決方案
，以及本土團隊能否及時響應客戶需求
，協助客戶完成項目
。”
猶記得，去年參加慕尼黑電子展的時候
，一家下遊企業負責人表示
：“還是期待國產FPGA能夠取得更好的成績
，建立獨立自主
、完整可控的產業鏈
。”對於國產FPGA廠商推出的新產品
，他們也會嚐試使用
，給予支持
。
另外
，據紫光同創市場總監呂喆透漏
，紫光同創的產品除了在通信
、工業和消費等領域的係統廠商順利導入並量產發貨外
，也開始逐步建立和帶動下遊產品和解決方案應用和開發生態
，與多家行業內的專業合作夥伴建立合作關係
，包括推出ARM Cortex-M1軟核解決方案
、EtherCAT主站解決方案
、專業的低成本評估和學習開發板卡套件
、針對各垂直領域的IP解決方案等
。同時
，公司也在積極推動與新興市場比如人工智能和數據中心加速器等領域的專業方案商的戰略合作
，推進大學計劃培育國產FPGA開發生態，擴展與高校的產學研合作模式
，攜手客戶和合作夥伴推動基於國產FPGA方案的創新
，並逐步得到國內FPGA應用生態的認可
，同時也期待與更多的合作夥伴建立合作共贏的關係
。
當下
，國產FPGA正處於突破核心應用領域（如通信
、工業等領域）
，單純追求LUT的規模
，已經不再是FPGA未來的發展重點
。“未來的FPGA會集成越來越多的異構單元
，對先進節點上實現強大的計算性能
、超高的存儲帶寬能力和I/O處理能力有著高要求
，同時也會帶來更高成本和功耗的挑戰
。”一位行業人士如是說道
。
寫在最後
在挑戰中尋求機遇
，在封鎖中突破重圍
，國產FPGA想要立足
，必須要搭建完整的生態係統
，其中EDA軟件
、豐富的IP庫
、材料
、設備等缺一不可
。隻有建設完善的生態係統
，才能針對不同的應用場景
、市場環境
，靈活應對
。
工業加速轉型為國產FPGA賦予了無限可能
，但也帶來了更多的挑戰
。接下來
，期待國內能夠湧現出更多優秀的FPGA產業鏈企業
，從設計
、製造
、封測等全產業鏈打破國外廠商在高端應用壟斷的局麵
。
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