FPGA是实现敏捷、安全的工业4.0发展的关键

作者：莱迪思半导体

到2028年，全球工业4.0市场规模预计将超过2790亿美元，复合年增长率为16.3%。虽然开发商和制造商对这种高速增长已经习以为常，但其影响才刚刚开始显现。通过结合云计算、物联网（IoT）和人工智能（AI）的能力，工业4.0将在未来几年继续提升制造业的数字化、自动化和互连计算水平，推动更多企业拥抱第四次工业革命。

随着工业4.0的加速发展，许多工业标准和流程将发生变化，因为许多工业系统需要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和5G。此外，人们越来越关注更先进的软件工具和应用，如预测性维护、功能安全、机器人自动化等等。

反过来，制造商需要先进的技术来驱动互连、高效数据处理、系统和服务优化，同时保持弹性安全性。现场可编程门阵列（FPGA）凭借自身得可编程性、高性能、低功耗和安全特性，正迅速成为开发人员满足这些需求并跟上工业4.0革命步伐的首选工具。

工业标准一览

随着工业4.0的发展，一些标准（如OPC统一架构（OPC-UA）和时间敏感网络（TSN））正在合并，从而更好地聚合和缩放每天生成的海量新数据。作为一种机器间通信协议，OPC-UA提供了一个安全的、独立于平台的、面向服务的架构。当与TSN出色的实时功能相结合时，OPC-UA就成了在不中断运营或安全性的情况下为制造商提供持续的洞察力和数据流的关键框架。

由于标准的合并，开发人员需要高度专业化的技术来实施OPC-UA和TSN框架，并让制造商符合新法规要求，保证持续发展。为了满足这些需求，莱迪思提供了针对特定应用的FPGA解决方案，如莱迪思Automate™解决方案集合，该解决方案支持OPC-UA和TSN，为客户提供全新的工厂自动化和工业机器视觉功能。莱迪思还致力于OPC-UA迁移，于2022年3月加入OPC基金会，在Lattice Insights官方培训平台上提供OPC-UA模块课程。该官方培训门户旨在帮助系统和应用设计人员最大限度地提高其FPGA设计体验。

利用FPGA推进工业4.0应用

除了帮助制造商应对不断发展的法规和标准外，FPGA还支持低功耗、可靠和安全的工业应用开发，如机器人、嵌入式实时网络、预测性维护、功能安全和系统安全。

机器人

采用工业4.0应用助力智能机器人，大大提高了工厂和仓库的自动化水平。随着工厂加快集成这些自主机器人，众多传感器、摄像头和电机产生的大量数据推动了对推理和智能的需求。FPGA具有并行处理功能，有助于聚合传感器和摄像头数据并快速分析大量信息。CPU一次只能处理一批数据，而FPGA可以同时整合和处理多个功能。

FPGA可以通过并行处理同时监控多条通信总线，使开发人员能够跨各种连接类型工作，并快速安全地将更多数据引入流水线。例如，在汽车制造中，FPGA可以组合或多路复用来自多个高分辨率摄像头的信号，然后在这些信号到达SoC时将这些信号拆分。

嵌入式实时网络

随着连接设备的数量远超以往，嵌入式实时网络确保机器、传感器和摄像头可以实时通信和交换数据。在工业4.0中，这意味着监控、控制和制造流程优化可以实现无缝通信和数据交换。

FPGA对于实现实时网络至关重要，因为它们能够以低延迟和稳定的方式执行信号处理和分析。对于制造业中的实时应用，这种低延迟和确定性对于工厂车间始终在线的功能和运营至关重要。

预测性维护

随着工业4.0的发展，预测性维护功能也随着物联网设备、云计算和高级分析的集成而不断发展。预测性维护使用数据分析、传感器和机器学习，实时监控设备运行状况、提高预测准确性并优化维护计划，从而提高运营效率、最大限度地减少停机时间并节省成本。

FPGA对于实现预测性维护至关重要，因为它们能够以超低功耗提供高速性能。在高性能加持下可以快速实时检测异常运行状态，降低设备故障风险。同时，其节能设计可在低功耗下实现连续监控，从而根据实时反馈及时采取维护措施，最大限度地降低运营成本。

功能安全

随着工业4.0中的系统变得更加互连和自主，功能安全（FuSa）可确保系统或设备在响应输入或出现故障时安全、正确地运行。FPGA已成为实现功能安全的高效工具，特别是其可定制和可重新编程的特性。FPGA可以实现安全关键功能，例如直接在工业系统中进行监控、控制和诊断。

莱迪思的软件设计工具经过最新安全设计方法认证，与FPGA配合使用，为设计人员提供了极大的灵活性，帮助他们在安全关键应用中实施和开发功能安全。

系统安全

增强互连在制造业中可能会带来新的安全威胁。事实上，制造业正在经历的网络攻击比其他任何行业都多，尤其是在云端。FPGA在实时硬件可信根（HRoT）产品中集成了“加密敏捷”功能，以增强对服务器平台和其他连接设备应用的保护，在从系统上电到断电的整个攻击面上为组织提供保护。

此外，提供HRoT功能的FPGA具有专用的加密和非对称引擎，可防止代码被擦除、读取或重写，从而利用数字签名确保所使用的代码是正确的代码。它们还建立了唯一的器件标识，在允许数据交换之前进行验证，确保系统的核心功能和关键组件始终受到保护。

支持工业4.0的未来

随着工业4.0的持续发展，对先进计算和互连解决方案的需求只增不减。FPGA因其独特的功能（包括灵活性和可定制、并行处理、高速性能和低功耗以及HRoT基础设施）而成为赋能和实现工业4.0关键应用的重要工具。FPGA帮助制造商快速、安全地优化工业运营、增强互连并适应不断变化的环境。

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