FPGA如何让工业4.0大放异彩

技术领域最热门的话题之一就是工业4.0，它本质上是指将数字化、自动化和互连计算智能融入制造业。这背后的思路就是将云计算、物联网（IoT）和人工智能（AI）的价值与功能相融合，从而在制造也和其他工业环境中实现更智能、更可靠、更高效的运营。

工业4.0愿景的一个重要部分是创造智能互联机器。几十年来，在这类的环境中使用的大部分设备与外界交互的方式非常有限。物理旋钮、仪表和其他简单的视觉机制通常是了解设备当前状态的唯一手段。随着时间的推移，各个行业开发了一些简单的连接和监控形式，包括PLC（可编程逻辑控制器）和SCADA（监控和数据采集），分别用于这些机器的硬件物理连接和软件监控。

随着技术的发展以及对这些不同设备的需求不断增长，许多工业系统现在集成了先进的计算引擎和多种类型的现代连接标准，包括工业以太网、Wi-Fi甚至5G。此外，人们越来越关注更加先进的软件工具和应用，例如预测性维护、机器人自动化等等。

由于这些设备本身各不相同，专业化程度高，因此需要可以针对其功能进行定制的计算解决方案。现场可编程门阵列（FPGA）作为一种半导体芯片，可以编程从而执行几乎任何类型的计算功能，非常适合这些要求苛刻的设备和应用。

FPGA能帮助设备制造商创建计算引擎或协处理器，这些引擎或协处理器可以专门针对其需求进行优化。而且，和专业应用的定制ASIC不同，FPGA拥有在系统部署后重新编程或更新的优势。这在特定机器的开发过程中非常重要，因为产品要求经常会发生变化。此外，工业设备的产品寿命通常有几十年（而不是几年），因此更新现有机器以支持新标准或满足不断变化的技术需求至关重要。

FPGA的一个独特功能就是它们能够在连续的、时间敏感的事务中处理数据或执行某些功能。这就是为什么它们经常用于网络连接、电信和其他类型的延迟敏感环境中，在这些环境中，稳定、统一地完成某些功能至关重要。许多工业环境都有类似类型的需求，FPGA非常适合这些应用。

尽管FPGA性能强大、灵活且功能全面，但对于软件开发人员来说，编写FPGA上运行的应用可能比较困难。由于其独特的架构，许多标准开发环境和编程工具并不适用于FPGA。为了解决这个问题，使用针对FPGA进行优化的软件工具至关重要。所以FPGA芯片厂商自己开发一些工具也就不足为奇了。

例如，莱迪思半导体已经推出一系列软件工具，可以设计FPGA芯片本身的独特功能，还推出了在这些芯片上运行的软件。直到最近，莱迪思还FPGA的重心还集中在莱迪思Nexus™平台的低功耗器件上。随着全新莱迪思Avant™平台的推出，其业务范围扩展到中端FPGA市场。此举使公司能够满足工业领域、通信基础设施、数据中心和汽车等市场的更多应用需求。新平台将成为莱迪思FPGA新产品系列的基石。与同类竞品芯片相比，Avant产品功耗降低2.5倍、性能高2倍、物理封装尺寸小6倍，更适合满足工业设备不断增长的处理需求。

从软件角度来看，莱迪思全新Avant FPGA系列可以使用莱迪思Radiant®和莱迪思Propel™工具进行芯片设计，以及莱迪思Automate、mVision、sensAI、Sentry和ORAN等众多解决方案集合来实现工厂自动化、机器视觉、AI、安全和5G应用。这意味着在基于Nexus的设计中使用过这些工具的企业和开发人员可以将他们的经验用于新的Avant系列。因此，如果一家公司使用过莱迪思的Nexus器件来实现基于硬件的可信根或其他功能，但同时希望使用Avant FPGA来运行更高级的应用，那么这些莱迪思软件工具的使用经验可以无缝衔接。

实现工业4.0愿景是一个长期目标，可以说现在仍处于起步阶段。许多工业组织和设备供应商非常保守，采用先进技术方面进展缓慢，他们的应变速度也往往比一般市场慢得多。但很明显很多企业都在启动这一过程，希望寻找可以帮助他们实现运营现代化的创新解决方案。像莱迪思这样的功能强大的FPGA，以及充分利用它们所需的基本软件工具，在推动组织向前发展的过程中提供了得天独厚的优势。