機(jī)器人“芯”時(shí)代：芯片助力智能化浪潮

如今隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，市場也開始相應(yīng)發(fā)展。 中國電子學(xué)會(huì)預(yù)測，2022 年全球機(jī)器人市場規(guī)模將達(dá)到513 億美元，2017-2022 年年均增長率為14%。根據(jù)波士頓咨詢集團(tuán)的研究報(bào)告，全球機(jī)器人市場預(yù)計(jì)將未來10 年增長近10倍，到2030 年，全球機(jī)器人市場規(guī)模將達(dá)到1600 億至2600 億美元。

為了促進(jìn)機(jī)器人行業(yè)的穩(wěn)步增長和全面進(jìn)步，2023年初，我國工業(yè)和信息化部攜手其他16 個(gè)部門共同發(fā)布了《“機(jī)器人+”應(yīng)用行動(dòng)實(shí)施方案》。該方案明確了到2025 年制造業(yè)領(lǐng)域機(jī)器人發(fā)展的具體目標(biāo)，并列舉了機(jī)器人在不同領(lǐng)域的十大重點(diǎn)應(yīng)用場景。這一重要政策的推出，標(biāo)志著一個(gè)以“機(jī)器人+”為核心的新時(shí)代的開啟，預(yù)示著機(jī)器人技術(shù)將在更廣泛的領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用，尤其是在制造業(yè)，機(jī)器人將面臨前所未有的發(fā)展空間。

截至目前，我們正處于該方案承上啟下的關(guān)鍵時(shí)期。當(dāng)下無論是工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人還是服務(wù)于日常生活的服務(wù)型機(jī)器人，它們都在通過與信息技術(shù)的深度融合，不斷增強(qiáng)自身的感知、數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行任務(wù)的能力。隨著智能化水平的不斷提升，機(jī)器人對(duì)高性能芯片的依賴也日益增強(qiáng)。那么，在這個(gè)“機(jī)器人+”的新時(shí)代，哪些芯片將會(huì)因此迎來快速發(fā)展的機(jī)遇呢？

1   FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）芯片

隨著科技的飛速發(fā)展，機(jī)器人智能化已經(jīng)成為當(dāng)今科技領(lǐng)域的一大趨勢。這一趨勢不僅體現(xiàn)在商業(yè)應(yīng)用、工業(yè)領(lǐng)域，也滲透到了創(chuàng)客項(xiàng)目和日常生活中。目前，機(jī)器人智能化的重點(diǎn)在于持續(xù)優(yōu)化機(jī)器人的整體架構(gòu)，包括提升機(jī)器人的感知能力和控制精準(zhǔn)度。這對(duì)器件的性能提出了很高的要求。

圖1

FPGA作為一種靈活的硬件平臺(tái)，可以應(yīng)用于小節(jié)點(diǎn)的分散控制和大節(jié)點(diǎn)的高效FPGA SoC控制，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的任務(wù)。通過FPGA 加速計(jì)算，可以有效降低驅(qū)動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，從而在優(yōu)化機(jī)器人應(yīng)用方面具有優(yōu)勢。

FPGA的這些特性使得它在機(jī)器人領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著機(jī)機(jī)器人智能化的發(fā)展中發(fā)揮更加重要的作用。在伺服驅(qū)動(dòng)方面，F(xiàn)PGA 的應(yīng)用已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)做法。特別是在執(zhí)行圖像處理算法時(shí)，F(xiàn)PGA 的表現(xiàn)優(yōu)于CPU，被認(rèn)為是最佳解決方案。而在執(zhí)行人工智能算法時(shí)，F(xiàn)PGA與GPU并列為主流方案，且在功耗上有明顯優(yōu)勢。與ASIC（專用集成電路）開發(fā)相比，F(xiàn)PGA 的使用不僅縮短了開發(fā)和驗(yàn)證周期，還允許在出現(xiàn)問題時(shí)迅速調(diào)整邏輯，或者在需要時(shí)修改或增強(qiáng)功能需求，這種靈活性是FPGA 的一大亮點(diǎn)。

圖2

FPGA 芯片的這些特性可以有效提升伺服控制性能并降低功耗。它還提供了包括PCI Express 在內(nèi)的多種硬件IP，確?？偩€連接的可靠性的同時(shí)，促進(jìn)了外圍邏輯的集成，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化和低功耗。低功耗設(shè)計(jì)意味著設(shè)備可以使用無風(fēng)扇外殼，從而避免了易磨損的機(jī)械部件和灰塵的侵入，提高了機(jī)器人的可靠性和維護(hù)周期。

在機(jī)器人行業(yè)中，尤其是工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)備的供貨周期較長是一個(gè)考慮因素。由于工業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命通常在10 年甚至更長，因此延長產(chǎn)品生命周期對(duì)于滿足客戶需求至關(guān)重要。FPGA 正好滿足了這一點(diǎn)，它的使用可以延長產(chǎn)品的維護(hù)和更新周期，適應(yīng)工業(yè)領(lǐng)域?qū)﹂L期穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

圖3

因此，在當(dāng)前的工業(yè)和商業(yè)環(huán)境中，F(xiàn)PGA 技術(shù)正被積極采用和推廣，以滿足日益增長的設(shè)計(jì)需求并實(shí)現(xiàn)成本控制。FPGA 的靈活性和高性能使其成為推動(dòng)機(jī)器人智能化的理想選擇。

在機(jī)器人領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 的應(yīng)用尤為突出。商用服務(wù)機(jī)器人通過集成動(dòng)態(tài)感知算法和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)，能夠更自然地與人類進(jìn)行交互，提升用戶體驗(yàn)。在工業(yè)領(lǐng)域，機(jī)械手臂等自動(dòng)化設(shè)備使用FPGA 進(jìn)行控制，不僅提高了生產(chǎn)效率，還減少了人力需求，提升了安全性。

圖4

隨著智能化的深入，機(jī)器人將成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分。因此，優(yōu)化機(jī)器人的性能和智能化水平成為行業(yè)的重要任務(wù)。FPGA以其高性能和成本效益，為機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步提供了強(qiáng)有力的支持。通過FPGA 的優(yōu)化，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)更快速、更精準(zhǔn)的控制，從而提高整體性能和用戶體驗(yàn)。

FPGA技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展對(duì)于機(jī)器人智能化至關(guān)重要。它不僅推動(dòng)了機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，也為行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展提供了新的可能性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，F(xiàn)PGA 將繼續(xù)在機(jī)器人智能化領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，助力行業(yè)實(shí)現(xiàn)更高水平的智能化和自動(dòng)化。

FPGA市場在全球機(jī)器人領(lǐng)域正經(jīng)歷著快速增長，其年均復(fù)合增長率達(dá)到了16.4%。這一增長速度在全球范圍內(nèi)是顯著的，而中國市場的發(fā)展勢頭更是強(qiáng)勁，預(yù)計(jì)其年均復(fù)合增長率將達(dá)到23.1%，顯示出中國FPGA市場的巨大潛力。

中國FPGA行業(yè)在市場規(guī)模和需求量上均呈現(xiàn)出上升趨勢。這得益于國內(nèi)對(duì)于FPGA 技術(shù)的需求不斷增加，尤其是在機(jī)器人、汽車、工業(yè)和數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵領(lǐng)域。這些領(lǐng)域的快速發(fā)展推動(dòng)了FPGA 芯片的需求，預(yù)計(jì)未來幾年，這些領(lǐng)域的需求將持續(xù)增長。

全球范圍內(nèi)，F(xiàn)PGA 芯片的需求預(yù)計(jì)也將保持增長。隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步、汽車行業(yè)的電動(dòng)化和自動(dòng)化、工業(yè)4.0 的推進(jìn)以及數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)展，F(xiàn)PGA 芯片在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用將變得更加廣泛。這些趨勢表明，

FPGA的發(fā)展空間是巨大的，無論是國內(nèi)還是全球市場，都為FPGA技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用提供了廣闊的舞臺(tái)。

2   微控制器單元（MCU）

微控制器單元（MCU）在機(jī)器人執(zhí)行層中的應(yīng)用非常廣泛，它作為工業(yè)機(jī)器人的核心控制組件，隨著機(jī)器人市場的快速增長而受益匪淺。在工業(yè)機(jī)器人的單個(gè)機(jī)械臂中，MCU 芯片通常占據(jù)了大約80% 的內(nèi)置控制器市場份額。2022 年中國MCU 市場規(guī)模達(dá)到493.2 億元，較上年增長13.67%。而中商產(chǎn)業(yè)研究院的分析師預(yù)測，2023年中國MCU市場規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，達(dá)到531.2億元。

在微控制器單元（MCU）的全球市場中，幾家大型廠商占據(jù)了主導(dǎo)地位。瑞薩電子、恩智浦、微芯科技、意法半導(dǎo)體和英飛凌等國際知名企業(yè)，憑借其卓越的技術(shù)實(shí)力、豐富的產(chǎn)品線以及廣泛的客戶基礎(chǔ)，在全球MCU市場中占據(jù)了顯著的市場份額。這些公司通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品優(yōu)化，不斷推動(dòng)MCU技術(shù)的發(fā)展。

在國內(nèi)市場之中，國外廠商如瑞薩電子、恩智浦、意法半導(dǎo)體等依然占據(jù)著主導(dǎo)地位。這些公司憑借其先進(jìn)的技術(shù)和強(qiáng)大的品牌影響力，在中國市場中占據(jù)著較大的市場份額。然而，國內(nèi)MCU廠商的發(fā)展勢頭也不容小覷，他們正迅速崛起，逐步在國內(nèi)外的機(jī)器人市場中占據(jù)一席之地。

例如，兆易創(chuàng)新、中穎電子等國內(nèi)企業(yè)在MCU領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)展。這些企業(yè)通過不斷的創(chuàng)新和技術(shù)升級(jí)，逐漸提高了產(chǎn)品的性能和可靠性，使得國內(nèi)MCU產(chǎn)品在國際市場上更具競爭力。

隨著國內(nèi)外MCU廠商的不斷發(fā)展壯大，市場競爭也日益激烈。為了在競爭中脫穎而出，各廠商紛紛加大研發(fā)投入，推出更具創(chuàng)新性和競爭力的產(chǎn)品。這種競爭態(tài)勢促使廠商不斷提升自身技術(shù)水平，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

目前，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，全球MCU廠商在制造工藝、芯片設(shè)計(jì)、功耗控制等方面進(jìn)行了持續(xù)的創(chuàng)新，以提高產(chǎn)品的性能并降低成本。例如，意法半導(dǎo)體與三星晶圓代工廠合作開發(fā)了基于18 納米全耗盡絕緣體上硅（FD-SOI）技術(shù)的先進(jìn)制造工藝。這種新工藝技術(shù)有望使嵌入式處理應(yīng)用的性能和功耗實(shí)現(xiàn)巨大的飛躍。

作為工業(yè)機(jī)器人核心控制器件，MCU等控制芯片必將受惠于工業(yè)機(jī)器人市場的快速增長。據(jù)悉，特斯拉機(jī)器人有40 個(gè)伺服電機(jī)相對(duì)應(yīng)一臺(tái)特斯拉機(jī)器人擁有80個(gè)MCU芯片，對(duì)應(yīng)MCU 價(jià)值量大約200 美金。預(yù)計(jì)到2025 年特斯拉機(jī)器人的出貨量將達(dá)到100 萬臺(tái)以上，對(duì)應(yīng)的MCU增量市場約為2億美金。

對(duì)于面向機(jī)器人應(yīng)用的MCU，除了提供易于開發(fā)的嵌入式平臺(tái)和設(shè)計(jì)工具之外，建立圍繞MCU 的完整通信環(huán)境也至關(guān)重要。這包括處理USB、SPI等各種工業(yè)通信協(xié)議，以確保機(jī)器人各部分之間的高效通信。與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人相比，類人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式更為復(fù)雜，這就要求對(duì)電機(jī)的位置、方向、速度和力矩進(jìn)行高精度的控制。MCU能夠執(zhí)行這些任務(wù)所需的復(fù)雜、高速計(jì)算，使得機(jī)器人能夠精確地執(zhí)行各種動(dòng)作。

目前的機(jī)器人解決方案主要包括單電機(jī)平臺(tái)和雙電機(jī)平臺(tái)。在單電機(jī)平臺(tái)中，一個(gè)MCU控制一個(gè)電機(jī)，而在雙電機(jī)平臺(tái)中，一個(gè)MCU可以同時(shí)控制兩個(gè)電機(jī)。

值得注意的是，雙電機(jī)平臺(tái)的兩個(gè)電機(jī)功率之和通常小于單個(gè)電機(jī)的最大功率，這種設(shè)計(jì)可以更有效地分配資源和提高效率。

3   IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）

傳統(tǒng)的工控和電源行業(yè)為IGBT 市場的穩(wěn)定發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的支撐。在這些領(lǐng)域中，工業(yè)控制尤為突出，成為IGBT最大的應(yīng)用市場，其需求持續(xù)上升。隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步和普及，工業(yè)機(jī)器人和智能機(jī)床的廣泛應(yīng)用變得越來越依賴于高性能的交流電機(jī)、伺服電機(jī)，以及節(jié)能型變頻器和電源裝置，這些都離不開IGBT 功率半導(dǎo)體器件的支持。

IGBT功率半導(dǎo)體器件在電力電子應(yīng)用中扮演著至關(guān)重要的角色。它們主要處理電能，通過電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能的整流、穩(wěn)壓、開關(guān)和變頻，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效和高質(zhì)量轉(zhuǎn)換。

這些器件在大功率、大電流、高頻、高速、低噪聲等特殊應(yīng)用環(huán)境中具有不可替代的重要性，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在過去的幾年中，中國的逆變器和電焊機(jī)市場保持了穩(wěn)定的增長態(tài)勢，而工業(yè)機(jī)器人市場的發(fā)展更是呈現(xiàn)出加速趨勢。這些因素共同推動(dòng)了工控IGBT市場的穩(wěn)步增長。根據(jù)最新的數(shù)據(jù)，我國IGBT行業(yè)的產(chǎn)量在過去幾年中呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的趨勢。從2019年到2021年，我國IGBT的產(chǎn)量分別為1550萬只、2020 萬只和2580 萬只。這一增長趨勢表明，我國IGBT 行業(yè)正在快速發(fā)展，并且預(yù)計(jì)將繼續(xù)保持這一勢頭。

具體到2023 年，預(yù)計(jì)我國IGBT 的產(chǎn)量將增長至3624 萬只。這一預(yù)測基于我國IGBT 行業(yè)的持續(xù)增長和技術(shù)進(jìn)步，以及IGBT 在工業(yè)自動(dòng)化、新能源汽車、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

此外，根據(jù)《國內(nèi)IGBT模塊市場發(fā)展趨勢報(bào)告》的預(yù)測， 到2029 年， 全球IGBT模塊市場規(guī)模將增長至765.36億元，而中國IGBT 模塊市場規(guī)模也將持續(xù)擴(kuò)大。這一預(yù)測表明，我國IGBT 模塊市場在全球范圍內(nèi)具有重要的地位，并且在未來幾年內(nèi)將繼續(xù)保持增長勢頭。這一增長趨勢不僅反映了IGBT 技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的重要地位，也預(yù)示著IGBT 市場將繼續(xù)作為電力電子行業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵部分，為工業(yè)自動(dòng)化和智能化的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

在我國智能機(jī)械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，雖然取得了顯著的進(jìn)步，但與發(fā)達(dá)國家相比，仍存在一定的差距。目前，我國智能機(jī)械市場規(guī)模約占全球的20%，但主要集中在低端產(chǎn)品，中高端產(chǎn)品的市場份額不足5%。在技術(shù)層面，我國的智能機(jī)械主要采用通用處理器來完成各種任務(wù)，而且大部分是國外產(chǎn)品的“代工”。

以工業(yè)機(jī)器人為例，國內(nèi)30 多家機(jī)器人企業(yè)雖然推出了15 種以上的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，但產(chǎn)品類型較為單一，可靠性和穩(wěn)定性不足。同時(shí)，中國企業(yè)在一些核心零部件上還處于“跟風(fēng)”狀態(tài)，與國外企業(yè)相比仍有較大差距。比如在激光雷達(dá)領(lǐng)域，國外企業(yè)基本掌握了核心技術(shù)和制造工藝。截至2018 年6 月30 日，國產(chǎn)激光雷達(dá)產(chǎn)品在性能上只能達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品的40% 至50%。激光雷達(dá)技術(shù)作為人工智能與機(jī)器人技術(shù)融合的基礎(chǔ)之一，其發(fā)展對(duì)于推動(dòng)智能機(jī)械行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。然而，與美歐等發(fā)達(dá)地區(qū)相比，我國在智能機(jī)械核心芯片技術(shù)方面還面臨著不小的挑戰(zhàn)。

（本文來源于《EEPW》202410）