提高產品附加價值

在工業自動化領域中，越來越多的機械手臂邁向智慧化、多軸化的趨勢，使的軟、硬體架構設計越來越趨向複雜，過去的設計方案即使運算能力再強大，功能再多，仍有沒辦法克服的瓶頸。此外，Xilinx台灣區總經理王漢傑表示，智慧化通常因人因地而有各種不同的需求，且當工廠設備變的越來越複雜，在許多部分經常要即時運算，當ASIC要處理這麼高的資料量，容易使系統變的不穩定。

相較之下，FPGA本身具備許多優勢，能夠同時應付多個任務，很容易地做到一顆或甚至多顆IC才能做到的工作，透過FPGA，讓機械手臂能夠擁有更彈性或更先進的功能。

Xilinx協理周竺鼎指出，FPGA在效能、彈性化設計、產品價值、附加價值等方面都較MCU來的高，且可以做到過去MCU做不到的圖形化處理。儘管MCU可以大量生產，降低成本，進入的技術門檻也較低，業者可以很容易地在市面上買到相同規格的MCU，所提供的解決方案也都很完整，但是相對地，產品差異化不大，只能在軟體上做出不同，且MCU的效能沒辦法再做調校。

相較之下，彈性設計、即時為FPGA最大的優勢，在用戶規格有所改變時，FPGA能夠隨時改變、調整。周竺鼎指出，當MCU遇到規格變動時，大多的做法就是外掛FPGA做介面擴充。此外，FPGA在技術門檻上也相對較高，容易提高差異化價值。

也因此，即使需要較高的技術能力來開發系統，仍有越來越多工業自動化廠商開始導入FPGA來做系統設計，除了增加產能外也提高附加價值。就連過去一向使用ASIC的日本大廠，如今也開始使用FPGA。日本許多自動化廠商由於歷史傳統延續下來，過去大多使用專用晶片ASIC，其好處在於能夠掌握產品生命週期、可靠度及保密性。然而，近幾年因市場競爭面臨重新洗牌，許多廠商也開始考慮在部分產品中改為使用FPGA。

運算能力強 多軸化趨勢沒問題

Altera亞太區工業業務部市場開發經理江允貴表示，FPGA在工控市場最重要的兩大優勢，其一在於強大的運算能力，第二則是可擴充的I/O介面。

在工控市場中，由於越來越多的機械手臂走向多軸化，以目前市場來看，機械手臂大多集中在四到六軸。在傳統架構中，通常一軸需要一個伺服驅動器帶一個馬達，在單軸上沒有問題的設計，到了多軸的機械手臂中，六軸就需要六個伺服驅動器，而這之中的關鍵元件也必須同樣複製六份，成本昂貴，對於成本敏感的工具機市場來說，少了價格優勢。

圖一 : 機械手臂走向多軸化，強調連動性和視覺監控（圖：Fanuc）

此外，這種多軸機械手臂有些強調連動性、有些則為異動，每個關節動作不盡相同卻又要彼此配合，運算也跟著複雜許多。針對這樣的設計，FPGA能夠直接取代多個伺服驅動器，同時即時運算，做到多軸系統控制。「客製化、整合度高、運算能力強，可提升整體系統效能，」王漢傑提出對FPGA優勢相同的看法。

除了取代伺服驅動器外，FPGA也能夠取代多個DSP，並且以更快速的時間來處理運算複雜的演算法。王漢傑指出，FPGA能夠提高五到十倍的反應時間。

在硬體架構下，FPGA的運算度較一般的DSP或軟體來的快，因此廠商大多將需大量運算的演算法擺在FPGA而非CPU上，透過FPGA來分擔主處理器負載或加速特定應用的效能。不過江允貴也表示，這樣的優勢僅限於在多軸機械手臂上，對於單軸的標準產品如電梯，FPGA優勢就顯得較小。

而隨著FPGA製程不斷演進，讓成本也不斷下降，王漢傑表示考慮到整體效能、系統靈活性、競爭力等各種因素，FPGA和ASIC之間的成本差距已越來越小。

軟應整合 開發環境複雜

FPGA終究歸類在硬體端，需要軟硬體整合才能發揮最大功效。在工廠自動化的系統架構中，主要可分為下達命令的主機端及接受、執行命令的設備端，主機端主要由PLC(可程式邏輯控制器)、HMI(人機介面)及運動控制器三個部分組成，而設備端則由伺服驅動器、馬達或是I/O開關組成。

在這樣的架構下，主機端的CPU要下達命令，並將命令封包透過乙太網傳送到設備端，必須要靠高效能處理器才不會延誤這些動作。然而，在日漸精密的自動化產業中，單靠CPU處理越來越複雜的運算，仍顯不夠，因此Altera、Xilinx兩大FPGA公司不約而同地推出SoC FPGA，整合FPGA、實體處理器以及其他硬體IP元件，透過FPGA減輕CPU的負擔，加快運算速度，同時也可降低總體成本。

SoC FPGA已是未來趨勢，除了兩家大廠外，其他FPGA廠商也正在加快腳步，研發相關產品。不過對於相對保守的工控市場來說，這樣的產品走在較前端，市面上也少有針對SoC FPGA的相關開發經驗，對自動化廠商而言，要利用SoC FPGA研發產品是一大挑戰。江允貴指出，軟硬體工程師的分工是客戶最頭痛的問題。

過去產品開發，CPU通常歸屬於軟體面，由軟體工程師負責開發，而FPGA則是硬體端，由硬體工程師負責，其他還包括演算法的工程師，分工較為明確。然而，SoC FPGA整合軟硬體，部分運算在CPU中實現，另一部分則在FPGA中進行，兩邊又互相存取，這讓開發團隊沒辦法明確的切割所屬工作。

此外，若在開發過程中遇到問題，也較少工程師能正確判斷哪裡有問題，或者由哪一方工程師來解決問題。江允貴表示，這對FPGA廠商及客戶都是很大的挑戰，不少廠商都為此推出參考設計，清楚定義好各項分工，加快SoC FPGA開發時程。

圖二 : 整合FPGA、實體處理器以及其他硬體IP元件的SoC FPGA系統架構圖（圖：Altera）

結論

1970年代，管理之父Peter F. D rucker曾表示，很多的新技術是將過去沒想過可以放在一起的事物整合起來，而這些事物通常存在已久。隨著技術的進步，FPGA在工業自動化市場中所扮演的角色也越顯重要，而SoC FPGA更改善了過去FPGA成本過高等問題，在擺脫過去的瓶頸後，FPGA在工控市場中的應用將持續發酵。