破局工业4.0，为何非FPGA不可？
- 发布时间：2021-03-09 浏览次数：1567
- 在信息时代飞速发展过程中，消费类产品迭代速度的加快，促使人力、材料等成本持续上涨，也为工厂生产带来了持续的压力。这种制造产业风向的变化及产品个性化需求的增加，对相关企业提出了更高的要求。基于此，以物联网和智能制造为核心的第四次工业革命正悄然来袭。
加速转型！工业领域的新挑战
2011年，德国率先提出“工业4.0”概念，此后美国也推出工业物联网等类似概念。但无论是工业4.0还是工业物联网，其主要重叠的部分都是智能与物联，也说明全球化工业正在加速转型。
工业4.0，是德国与工业界为制造业制定的未来蓝图，也是工业转型升级的指路明灯。将互联网引入到车间和厂房内，让数据通过网络在各个机器和设备之间流通，发挥数据最大的价值，这是一场伟大的工业革命。
与传统工业相比，或者说与工业1.0、2.0、3.0相比，工业4.0的核心是物理信息系统的集成，以人工智能、物联网、云计算等新兴技术为底层支柱，通过生产机器、设备与管理系统相连接，间接将企业与价值链水平整合，实现工业的自动化管理，迈入智能制造。
工业转型历程
（图片来源：集成灶网）
当然，在底层技术不断迭代更新的过程中，工业4.0的市场价值也在不断爆发出来。据Markets and Markets最新市场研究显示，2019年，全球工业4.0市场规模预计为717亿美元，到2024年，其市场规模将达1566亿美元，期间复合增长率为16.9%。
在市场的强劲推动下，当下的工业应用主要表现出以下几大趋势：第一，工业网络正在向以太网转移；第二，工业系统集成度提高，资源利用率提升；第三，工业控制对于安全性的要求增高。此外，还有时延、功耗、灵活性等要求，为传统CPU、ASIC等处理器带来了新的挑战。
新的机遇！为什么要选FPGA？
在工业4.0的大部分应用场景中，对于边缘智能的硬件加速提出了新的需求，要求更低延迟的数据处理能力。另一方面，新设备需要具有可重新编程的能力，以应对标准或者协议的演变。此外，智能工厂的建立离不开大数据处理及AI技术的应用，这些要求促使智能工厂使用的SOC必须引进新的架构。
具有优秀数据处理、加速功能的FPGA成为智能工厂新的选择。FPGA，是一种数字芯片，翻译过来又叫可编程逻辑器件，其内部主要由IOB（输入输出模块）、CLB（可配置逻辑模块）、时钟管理模块、嵌入式块ARM、丰富的布线资源等部分组成。
FPGA器件内部结构图
（图片来源：腾讯架构师）
可以看到，FPGA内部连线可以将最小的逻辑单元连接成更大的逻辑功能单元，由IOB连接完成信号的输入输出。它与CPU、GPU、DSP等处理器工作方式有着本质不同，它不需要通过获取指令、解码指令等繁琐步骤工作，而是在芯片内部通过真值表作为器件画电路图，所以它的本质属于硬件开发。
另外，FPGA最大的特点就是可重复编程、并行计算能力强，灵活性上高于专用芯片ASIC，性能和实时处理能力优于CPU，但编译难度较高，应用开发门槛偏高，并不适合大规模应用（详细对比如下图）。
四类主流芯片对比
（芯师爷制图）
由于FPGA能根据新的版本进行方便的再编程，并可进行现场再编程，所以它对周期更长的工业产品也非常有利。有业者指出：“FPGA工艺不需要最低预订数量，寿命更长，这是令其独树一帜的重要原因。许多采用ASIC产品设计五年之久的工业客户现在都用FPGA来代替ASIC。”
此外，据一位下游应用端的工程师表示，FPGA在工业控制领域有着不可替代的作用，特别是涉及到一些运动控制算法，及图像识别算法。
五大场景！FPGA迎来新发展
在加速转型的工业领域，FPGA大有取代ASIC的趋势，提供更灵活的解决方案，特别是在工业通讯、电机控制、机器视觉、边缘计算、工业机器人等应用场景。
传统的工业通信，主要考虑小范围内的设备连接层数据传输与交换，各工业以太网之间的传输协议并不相同，无法完全兼容。工业物联网与外界通信不同，它是一个非常封闭的网络，对数据的实时性、可确定性、安全性及可靠性等有非常严格的要求。工业4.0时代，则要求所有的传输协议相同。
SOPC工业以太网控制器硬件结构
（芯师爷制图，信息来源：weeqoo）
而在工业转型的过程中，FPGA或将成为产业快速发展的迭代手段。在这个过程中，不同通信协议标准还会共存很久，各设备之间的数据转换需要一个非常灵活的转换介质，FPGA将有望成为首选目标。
当前，电机控制的发展越来越趋于多样化、复杂化，FPGA芯片固有的可编程性和并行处理能力十分适合高端产品的电机控制，尤其是工业领域。FPGA以硬件方式进行并行处理，并不占用CPU资源，可以促使系统性能达到最大化。目前很多FPGA厂商会将一些优化算法整合到FPGA中，可以基于FPGA器件，通过一个平台实现多个电机控制，极大程度的提高了能源的利用效率。
在机器视觉方面，目前主流的工业相机解决方案，仍是基于X86的通用软件方案，即前端摄像头采集图像，图像处理部分在PC或PLC中通过软件算法完成，但由于CPU的计算性能有限，对于计算复杂度很高的视觉算法（如基于SIFT特征点的目标识别和跟踪），其处理速度难以满足系统实时性的需求。GPU的并性计算能力很高，可以较好提高计算速度，但功耗高、体积大也是其明显的劣势。综合来看，随着FPGA集成度越来越高，可实现实际的规模越来越大，功耗越来越低等趋势，基于FPGA的嵌入式视觉系统将成为机器视觉发展的重要方向。
相较于集中式存储、处理的云计算，边缘计算可以为工业控制提供更明显的效率和灵活性。FPGA 相比其他异构处理器更适配边缘计算场景，与GPU相比，FPGA可以大幅优化带宽，不占用CPU资源。而FPGA在工业领域所要求的低延时和稳定性上也具备天然的优势。一方面，FPGA上集成了大量缓存和外部DRAM接口，减少了计算过程中与CPU的交互。另一方面，FPGA可实现基于 MIMD（并行指令和并行数据）设计，实现中间数据在流水线之间传递和交互，减少对缓存的依赖，降低数据传输延迟。
图片来源：摄图网
在工业机器人应用方面，FPGA内部丰富的布线资源、嵌入式专用IP、基本可编程逻辑单元等使其可以同时处理不同种类的任务，实现更加灵活性的同时满足一些高速接口的时序要求，这些都是工业机器人实现控制功能必备的条件。
除了以上五大应用场景外，FPGA还被用于工业云、显示控制等工业领域。可以看到，FPGA所提供的灵活性、优秀的并行计算性能可以帮助工业领域在实现智能化、高性能等能力的条件下，极大程度的降低成本、功耗等，这些都是FPGA未来在工业领域发展的良好契机。
正式突围！国产FPGA迈向新高度
工业转型升级为FPGA应用开辟了新的处女地。据MRFR统计，2019年全球FPGA市场规模为69亿美元左右，其中工业领域占比大约为12%，市场规模约为8.3亿美元。预计到2025年，全球FPGA在工业市场应用占比将增长至19%，市场规模突破20亿美元。
据观研天下最新研究数据显示，2019年中国FPGA市场规模约为187.5亿元，其中工业市场应用占比约为28%，市场规模约为52.5亿元，预计2025年，FPGA在中国工业领域的市场规模将达至100亿元。
芯师爷制图
（数据来源：观研天下）
从行业发展趋势来看，中国工业市场对于FPGA的需求，略高于全球，这也为本土FPGA发展带来了新的机遇。然而，在中国FPGA市场中，早已形成Xilinx和Altera双寡头的局面，两者市场占比高达52%和28%，从技术到知识产权等方面，国产FPGA厂商面临着不小的挑战。
一位网名为“清霜一梦”的专业人士对芯师爷表示：“国产FPGA目前仍处于起步阶段，企业在判断FPGA器件性能时，重点不在于看FPGA器件有多少LUT，这种硬件堆砌的模板设计难度并不大，相配套的EDA软件和相应的IP才是选择FPGA性能的重要参数。如LUT可以达到多少利用率，时钟网络能否很好的适配，器件对应的IP是否稳定，兼容性如何等等，这些方面才是国产FPGA需要提升的重点。”
在如此多的挑战之下，国产FPGA厂商该如何突破？抓住FPGA在工业转型升级过程中的红利呢？
国产FPGA领导厂商紫光同创市场总监吕喆表示：“工业市场是FPGA在通信市场之外的第二大应用市场，覆盖面广、生命周期长、实时处理和灵活性要求高。传统的工业市场应用主要集中在IO单元控制、工业通讯、马达驱动、伺服电机控制、人机界面、安防监控等领域，在工业4.0和人工智能浪潮推动下，新兴的工业需求正在涌现，比如新的工业通讯协议、传感器融合、机器视觉、边缘计算、工业云计算加速等，都是FPGA新的应用方向。紫光同创已经推出针对工业领域的小型CPLD和中小规模FPGA产品，在工业级IO扩展、伺服马达驱动和控制、EtherCAT通讯、图像视频处理、安防监控、高清细间距LED控制卡、高清电视显示控制等方面都有成熟的解决方案，并已在多家国内知名设备厂商成功导入并量产发货。针对未来新兴的市场方向，我们也在积极规划布局更高端的FPGA产品和系统平台方案，满足工业市场多样化的需求。”
图片来源：摄图网
当然，国产FPGA也并非没有机会，它的优势也非常明显。据一位应用端工程师表示：“FPGA开发过程可能会碰到诸多难点，比如代码移植、资源优化、时序优化等等，所以他们选择国产FPGA时，首先关注国产厂商实力，包括产品性能、品质、软件能力、长期持续稳定供货能力，其次关注技术支持实力和解决方案，以及本土团队能否及时响应客户需求，协助客户完成项目。”
犹记得，去年参加慕尼黑电子展的时候，一家下游企业负责人表示：“还是期待国产FPGA能够取得更好的成绩，建立独立自主、完整可控的产业链。”对于国产FPGA厂商推出的新产品，他们也会尝试使用，给予支持。
另外，据紫光同创市场总监吕喆透漏，紫光同创的产品除了在通信、工业和消费等领域的系统厂商顺利导入并量产发货外，也开始逐步建立和带动下游产品和解决方案应用和开发生态，与多家行业内的专业合作伙伴建立合作关系，包括推出ARM Cortex-M1软核解决方案、EtherCAT主站解决方案、专业的低成本评估和学习开发板卡套件、针对各垂直领域的IP解决方案等。同时，公司也在积极推动与新兴市场比如人工智能和数据中心加速器等领域的专业方案商的战略合作，推进大学计划培育国产FPGA开发生态，扩展与高校的产学研合作模式，携手客户和合作伙伴推动基于国产FPGA方案的创新，并逐步得到国内FPGA应用生态的认可，同时也期待与更多的合作伙伴建立合作共赢的关系。
当下，国产FPGA正处于突破核心应用领域（如通信、工业等领域），单纯追求LUT的规模，已经不再是FPGA未来的发展重点。“未来的FPGA会集成越来越多的异构单元，对先进节点上实现强大的计算性能、超高的存储带宽能力和I/O处理能力有着高要求，同时也会带来更高成本和功耗的挑战。”一位行业人士如是说道。
写在最后
在挑战中寻求机遇，在封锁中突破重围，国产FPGA想要立足，必须要搭建完整的生态系统，其中EDA软件、丰富的IP库、材料、设备等缺一不可。只有建设完善的生态系统，才能针对不同的应用场景、市场环境，灵活应对。
工业加速转型为国产FPGA赋予了无限可能，但也带来了更多的挑战。接下来，期待国内能够涌现出更多优秀的FPGA产业链企业，从设计、制造、封测等全产业链打破国外厂商在高端应用垄断的局面。
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