提高产品附加价值
在工业自动化领域中,越来越多的机械手臂迈向智能化、多轴化的趋势,使的软、硬件架构设计越来越趋向复杂,过去的设计方案即使运算能力再强大,功能再多,仍有没办法克服的瓶颈。此外,Xilinx台湾区总经理王汉杰表示,智能化通常因人因地而有各种不同的需求,且当工厂设备变的越来越复杂,在许多部分经常要实时运算,当ASIC要处理这么高的数据量,容易使系统变的不稳定。
相较之下,FPGA本身具备许多优势,能够同时应付多个任务,很容易地做到一颗或甚至多颗IC才能做到的工作,透过FPGA,让机械手臂能够拥有更弹性或更先进的功能。
Xilinx协理周竺鼎指出,FPGA在效能、弹性化设计、产品价值、附加价值等方面都较MCU来的高,且可以做到过去MCU做不到的图形化处理。尽管MCU可以大量生产,降低成本,进入的技术门坎也较低,业者可以很容易地在市面上买到相同规格的MCU,所提供的解决方案也都很完整,但是相对地,产品差异化不大,只能在软件上做出不同,且MCU的效能没办法再做调校。
相较之下,弹性设计、实时为FPGA最大的优势,在用户规格有所改变时,FPGA能够随时改变、调整。周竺鼎指出,当MCU遇到规格变动时,大多的做法就是外挂FPGA做接口扩充。此外,FPGA在技术门坎上也相对较高,容易提高差异化价值。
也因此,即使需要较高的技术能力来开发系统,仍有越来越多任务业自动化厂商开始导入FPGA来做系统设计,除了增加产能外也提高附加价值。就连过去一向使用ASIC的日本大厂,如今也开始使用FPGA。日本许多自动化厂商由于历史传统延续下来,过去大多使用专用芯片ASIC,其好处在于能够掌握产品生命周期、可靠度及保密性。然而,近几年因市场竞争面临重新洗牌,许多厂商也开始考虑在部分产品中改为使用FPGA。
运算能力强 多轴化趋势没问题
Altera亚太区工业业务部市场开发经理江允贵表示,FPGA在工控市场最重要的两大优势,其一在于强大的运算能力,第二则是可扩充的I/O接口。
在工控市场中,由于越来越多的机械手臂走向多轴化,以目前市场来看,机械手臂大多集中在四到六轴。在传统架构中,通常一轴需要一个伺服驱动器带一个马达,在单轴上没有问题的设计,到了多轴的机械手臂中,六轴就需要六个伺服驱动器,而这之中的关键组件也必须同样复制六份,成本昂贵,对于成本敏感的工具机市场来说,少了价格优势。
图一 : 机械手臂走向多轴化,强调连动性和视觉监控(图:Fanuc) |
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此外,这种多轴机械手臂有些强调连动性、有些则为异动,每个关节动作不尽相同却又要彼此配合,运算也跟着复杂许多。针对这样的设计,FPGA能够直接取代多个伺服驱动器,同时实时运算,做到多轴系统控制。「客制化、整合度高、运算能力强,可提升整体系统效能,」王汉杰提出对FPGA优势相同的看法。
除了取代伺服驱动器外,FPGA也能够取代多个DSP,并且以更快速的时间来处理运算复杂的算法。王汉杰指出,FPGA能够提高五到十倍的反应时间。
在硬件架构下,FPGA的运算度较一般的DSP或软件来的快,因此厂商大多将需大量运算的算法摆在FPGA而非CPU上,透过FPGA来分担主处理器负载或加速特定应用的效能。不过江允贵也表示,这样的优势仅限于在多轴机械手臂上,对于单轴的标准产品如电梯,FPGA优势就显得较小。
而随着FPGA制程不断演进,让成本也不断下降,王汉杰表示考虑到整体效能、系统灵活性、竞争力等各种因素,FPGA和ASIC之间的成本差距已越来越小。
软应整合 开发环境复杂
FPGA终究归类在硬件端,需要软硬件整合才能发挥最大功效。在工厂自动化的系统架构中,主要可分为下达命令的主机端及接受、执行命令的设备端,主机端主要由PLC(可程序逻辑控制器)、HMI(人机接口)及运动控制器三个部分组成,而设备端则由伺服驱动器、马达或是I/O开关组成。
在这样的架构下,主机端的CPU要下达命令,并将命令封包透过以太网传送到设备端,必须要靠高效能处理器才不会延误这些动作。然而,在日渐精密的自动化产业中,单靠CPU处理越来越复杂的运算,仍显不够,因此Altera、Xilinx两大FPGA公司不约而同地推出SoC FPGA,整合FPGA、实体处理器以及其他硬件IP组件,透过FPGA减轻CPU的负担,加快指令周期,同时也可降低总体成本。
SoC FPGA已是未来趋势,除了两家大厂外,其他FPGA厂商也正在加快脚步,研发相关产品。不过对于相对保守的工控市场来说,这样的产品走在较前端,市面上也少有针对SoC FPGA的相关开发经验,对自动化厂商而言,要利用SoC FPGA研发产品是一大挑战。江允贵指出,软硬件工程师的分工是客户最头痛的问题。
过去产品开发,CPU通常归属于软件面,由软件工程师负责开发,而FPGA则是硬件端,由硬件工程师负责,其他还包括算法的工程师,分工较为明确。然而,SoC FPGA整合软硬件,部分运算在CPU中实现,另一部分则在FPGA中进行,两边又互相存取,这让开发团队没办法明确的切割所属工作。
此外,若在开发过程中遇到问题,也较少工程师能正确判断哪里有问题,或者由哪一方工程师来解决问题。江允贵表示,这对FPGA厂商及客户都是很大的挑战,不少厂商都为此推出参考设计,清楚定义好各项分工,加快SoC FPGA开发时程。
图二 : 整合FPGA、实体处理器以及其他硬件IP组件的SoC FPGA系统架构图(图:Altera) |
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结论
1970年代,管理之父Peter F. D rucker曾表示,很多的新技术是将过去没想过可以放在一起的事物整合起来,而这些事物通常存在已久。随着技术的进步,FPGA在工业自动化市场中所扮演的角色也越显重要,而SoC FPGA更改善了过去FPGA成本过高等问题,在摆脱过去的瓶颈后,FPGA在工控市场中的应用将持续发酵。