FPGA将引领下一次工业革命

本文作者：Lattice公司工业首席系统架构师Karl Wachswender 

在过去十年中，大量创新解决方案——从人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 到云计算、物联网 (IoT) 和 3D 打印——已经改变了医疗保健、供应链、生产等工业技术领域在制造和云业务中。

所有这些进步都是工业 4.0 的一部分——第四次工业革命负责制造业中的数字化、自动化和互联计算智能。在整个工业 4.0 中创新蓬勃发展的同时，我们也看到了对保护信息、知识产权、产品等的安全性的更大需求。

特别是由于多项工业 4.0 进步的独特性和高度专业化的性质，人们一直需要可以根据其所扮演的特定角色轻松定制的计算解决方案。 现场可编程门阵列 (FPGA) 是一种半导体芯片，可以随时编程以执行几乎任何类型的计算功能，这特别适合要求苛刻的工业 4.0 设备和应用。

我们在工业 4.0 中看到的进步通过提高制造过程中的生产力和效率塑造了当今社会，但我们开始看到朝着下一波工业革命浪潮的转变，围绕能源效率和可持续性采取谨慎的方法，也就是工业5.0。

什么是工业5.0？

工业 5.0 将工业 4.0 的技术创新和能力与人类经验和观点相结合，以在制造业中创造更可靠、高效和可持续的运营。拥抱数字化和绿色转型将使整个制造业超越效率和生产力，并将加强制造业对整个社会的作用和贡献。

根据欧盟的说法，这种向工业 5.0 的转变“将工人的福祉置于生产过程的中心，并使用新技术提供就业和增长以外的繁荣，同时尊重地球的生产极限。它补充了现有的“工业 4.0”方法，专门将研究和创新用于向可持续、以人为本和弹性服务的工业。”

为什么是工业 5.0？

工业可以在为社会挑战提供解决方案方面发挥积极作用，包括资源保护、气候变化和社会稳定。 未来工业通过增强和解决工人不断发展的技能和培训需求，为工业、工人和社会带来利益。 这种转变改善了行业竞争，有助于吸引最优秀的人才，并帮助地球更有效地利用循环生产模式以节省自然资源。 修改现有的价值链和能源消耗做法还可以使行业更能抵御 COVID-19 等外部变量。

支持工业 5.0 标准的工具

人工智能和认知计算技术的进步正在使制造业高速发展并提高业务效率。 在满负荷运转的情况下，工业 5.0 将允许更好地实现制造过程的自动化，创造一个协作、数据和安全性比以往任何时候都更加重要的环境。

智能互联、机器学习和工业自动化可以根据现有活动预测生产效率，提高业务效率，根据参数调整流程以避免损失。 这不仅需要与熟练工人和车间机器的适当互动，还需要机器与机器之间的适当通信。 这强调了对符合行业标准的先进技术的需求，包括 OPC 统一架构 (OPC UA) 和时间敏感网络 (TSN)。

OPC UA 是一种机器对机器通信协议，是一种独立于平台的面向服务的架构，它将 OPC 规范集成到框架中，简化连接以简化集成，并使系统和软件应用程序自动化，所有这些都以安全为基础。 借助 OPC UA，您可以轻松连接云端或边缘的远程设备，实现诊断、监控、报告等。 它通过向人们提供有关他们每天使用的机器发生的情况的更多信息，帮助人们做出更好的决策。

更进一步，结合出色的实时TSN 即时功能，OPC UA 是使制造业跟上工业 5.0 步伐的关键解决方案。 具体来说，当您在传感器和执行器级别将 OPC UA 与 TSN 叠加时，您可以在不分散操作或安全性的情况下实现持续的洞察力和数据流。

虽然 OPC UA 通常只在某些设备上受支持，并且只能共享一小部分可用数据，但目前正在朝着通过 TSN 为 OPC UA 创建开源堆栈的方向发展，特别是针对亚马逊的 FreeRTOS，以简化和加速高效的开发、智能和安全的现场设备。

为了支持 OPC UA 和 TSN 以实现工业 5.0 的未来，FPGA 等高度专业化的技术为 OPC UA 和 TSN 提供了独特的机会。

此外，由于其固有的灵活性和适应性，FPGA 是边缘处理和人工智能应用的理想选择。 由于人工智能可以影响各行业和社会活动的经济和社会效益，政府机构也将重点放在其工业 5.0 计划中的人工智能实施上。 人工智能可以通过改进预测、优化运营和资源分配以及个性化服务交付来支持对社会和环境有益的成果，并为公司和整体经济提供关键的竞争优势。

FPGA 如何支持工业 5.0

工业 5.0 的最大挑战之一涉及能源管理，因为需要增加数据流、传感器和监控才能让人们与机器一起工作。 由于 FPGA 可促进协作、安全性并与 OPC UA 和 TSN 无缝协作，因此 FPGA 可以通过多种方式帮助实现工业 5.0 中强大的创新系统。

首先，FPGA 为设备制造商提供了创建专门设计的引擎或协处理器的能力，并具有在系统部署后可重新编程或更新的额外好处。 特别是对于制造业，由于产品要求经常变化，此功能在特定机器的开发过程中可能非常重要。 此外，工业设备的产品寿命通常以几十年为单位，而不仅仅是几年，因此更新和升级现有机器以支持新标准或满足不断发展的技术需求的能力被证明是非常宝贵的。

其次，由于工业 5.0 的互连性增强，FPGA 是帮助保护信息、知识产权、产品等的关键工具。 FPGA 有能力实时监控流量，寻找不准确的交易或恶意情况，并可以同时在多个通道上执行这些操作。 FPGA 还使开发人员能够检查真实性并确保一切按计划运行，如果没有，则提供进入恢复模式并确保部件正常工作的能力。

此外，FPGA 允许开发人员以微控制器无法做到的方式在基础硬件级别进行更新。 这些对关键硬件级信任根 (RoT) 功能集的可更新调整有助于确保随着威胁和标准的发展，现场系统可以使用最新的安全算法实时保护、检测和恢复网络——确保敏感数据的安全、越来越多的固件漏洞和不断扩大的攻击面。 最终，安全的 FPGA 将有助于在不消耗人力或资源的情况下降低安全风险，从而支持工业 5.0 环境。

最后，FPGA 可以通过将 AI 和 ML 算法集成到工业控制系统中来实现智能自动化。 通过允许通过自动化处理制造过程，工人能够将更多时间集中在提供改进的定制服务和产品上。 这有助于提高生产率、减少停机时间并改进质量控制，所有这些都不会牺牲功率和尺寸。

FPGA 的工业 5.0 未来

作为市场上最灵活、最安全的工具之一，FPGA 可以帮助推动向工业 5.0 的转变。 特别是它们对 AI 应用程序的固有灵活性和适应性，以及它们促进协作和安全性以及遵守 OPC UA 和 TSN 的能力，可以帮助制造商在更短的时间内完成更多工作，同时引领工业 5.0 的未来。