工控領(lǐng)域芯片廠商高附加值的底層邏輯

眾所周知，工控自動化的發(fā)展，背靠信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)的三者融合，也離不開電力電子元器件的持續(xù)迭代。同時，還有三大支柱產(chǎn)業(yè)支撐著現(xiàn)代工業(yè)自動化，分別是工業(yè)機(jī)器人、PLC、CAD/CAM。由此，我們談到工業(yè)控制，可以聯(lián)系到無數(shù)相關(guān)的軟硬件及系統(tǒng)解決方案，甚至電子元器件。那么其中有哪些關(guān)鍵的元素，在工業(yè)控制系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用？今天，與非網(wǎng)匯集了多家國內(nèi)外芯片廠商，就半導(dǎo)體技術(shù)在工控領(lǐng)域的作用及發(fā)展進(jìn)行深度探討，從而管中窺豹，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)廠商與國外頭部企業(yè)在技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用上的區(qū)別與差距。

一、?? ?工業(yè)控制系統(tǒng)中，發(fā)揮重要作用的核心半導(dǎo)體技術(shù)

工業(yè)控制主要是通過電力電子、儀器儀表測量和信息通訊等技術(shù)對工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行檢測與控制，從而在保證準(zhǔn)確性的同時，提高生產(chǎn)效率。集成電路被喻為現(xiàn)代工業(yè)的“糧食”，在工控設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用主要有儀器儀表、系統(tǒng)控制類、電機(jī)控制類和工業(yè)電腦類等，涉及的集成電路產(chǎn)品有MCU（微控制器）、嵌入式存儲芯片、MOS邏輯器件以及電源電路等等。因而半導(dǎo)體技術(shù)之于工業(yè)控制系統(tǒng)的重要性，可見一斑。也正是這些核心半導(dǎo)體技術(shù)，構(gòu)成了后續(xù)產(chǎn)品高附加值的底層邏輯。

意法半導(dǎo)體功率模擬市場部工業(yè)技術(shù)市場經(jīng)理——姚春雷認(rèn)為，有多項半導(dǎo)體技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，包括嵌入式AI、VIPower和BCD等技術(shù)。

嵌入式AI的技術(shù)原理是通過STM32Cube. AI和NanoEdge AI Studio等軟件，讓AI技術(shù)在MCU及傳感器上部署運(yùn)行。通過嵌入式AI技術(shù)，工程師可以把訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)部署到各種STM32 MCU上，從而通過人工智能來促進(jìn)工業(yè)自動化系統(tǒng)從集中式向分布式轉(zhuǎn)型。

VIPower? 縱向智能功率，是意法半導(dǎo)體開發(fā)的一項功率器件制造技術(shù)，自1991年開始投產(chǎn)至今，依然在工控系統(tǒng)中發(fā)揮著光和熱。VIPower 技術(shù)為中/高功率工業(yè)設(shè)備帶來功率控制、保護(hù)和診斷功能。該技術(shù)在單片集成縱向雙擴(kuò)散MOS功率器件及其溫度傳感器和電流傳感器、CMOS晶體管和高壓元器件，用于設(shè)計功率模擬混合信號集成電路。在最新一代VIPower技術(shù)中， TrenchFET溝槽效應(yīng)功率管與以前的DMOS結(jié)構(gòu)相比，又將Ron導(dǎo)通電阻降低了35%，從而降低工業(yè)自動化模塊的耗散功率。

BCD是意法半導(dǎo)體開發(fā)的一項功率芯片制造技術(shù)，包含了一系列硅半導(dǎo)體制造工藝，每種工藝都在一顆芯片上集成了三種不同技術(shù)的優(yōu)勢。這三種不同的技術(shù)分別是用于設(shè)計精確模擬功能的雙極晶體管，設(shè)計數(shù)字電路的CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管，設(shè)計電源和高壓元件的DMOS(雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管。與分立器件相比，單片集成這些技術(shù)有許多優(yōu)勢，其中包括可靠性更高、電磁干擾更低、芯片面積更小。該技術(shù)在2021年5月還獲得了IEEE的里程碑獎。

在國民技術(shù)市場總監(jiān)劉杰文看來，新材料和工藝技術(shù)等半導(dǎo)體核心技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。一方面，隨著第三代半導(dǎo)體材料的興起，以碳化硅、氮化鎵為代表新材料，具有高導(dǎo)熱率、高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子漂移速率等特點(diǎn)，使得能源轉(zhuǎn)化更加的高效。另一方面，半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝越來越先進(jìn)，由原來的250nm演變到今天的7nm、5nm技術(shù)，伴隨工藝提高所帶來的好處是，所生產(chǎn)的芯片在性能上大幅度提升的同時，芯片集成度更高，能耗更小，并且進(jìn)一步提升工業(yè)控制精度，增強(qiáng)工控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

近年來，國產(chǎn)芯片廠商都在基于最先進(jìn)的材料以及工藝開發(fā)產(chǎn)品，例如國民技術(shù)率先在40nm及更高工藝技術(shù)上進(jìn)行32位MCU產(chǎn)品規(guī)劃及開發(fā)，大大提升芯片運(yùn)算能力和系統(tǒng)集成度，以滿足工業(yè)控制系統(tǒng)革新的需求。

靈動微電子產(chǎn)品市場總監(jiān)王維認(rèn)為，MCU/MPU、功率器件和高性能信號鏈半導(dǎo)體產(chǎn)品是工業(yè)控制系統(tǒng)的重要組成部分。對于MCU而言，其技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的8/16bit MCU轉(zhuǎn)向32bit，并要求更高性能。同時，隨著工業(yè)4.0的深入，對MCU的要求不僅在于實(shí)時控制功能，也要求MCU具備一定的算力，來應(yīng)對智能工業(yè)的挑戰(zhàn)。

二、?? ?關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用場景及價值表現(xiàn)

在工業(yè)領(lǐng)域，當(dāng)原本在中央控制器完成的分析下移到傳感器和控制系統(tǒng)附近時，人工智能可實(shí)現(xiàn)更高效的端到端解決方案。利用MCU的先進(jìn)的控制能力和算力，這種分布式自動化方法可大大降低數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求和中央控制器算力要求。人工智能還有助于提高現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時能力，因?yàn)楝F(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)先分析，服務(wù)提供商得到的是數(shù)據(jù)解析程度更高的數(shù)據(jù)。（現(xiàn)場總線指工業(yè)環(huán)境中常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）

VIPower技術(shù)則特別適合應(yīng)用于自動化控制器中來控制各種執(zhí)行器、繼電器、電機(jī)、燈具、閥門、電泵、接觸器，以及任何需要自動化控制及需要電流保護(hù)功能的電力負(fù)載。這主要是因?yàn)閂IPower器件與標(biāo)準(zhǔn)分立式功率MOSFET一樣，襯底成為芯片上集成到的多個功率MOSFET晶體管的公共端子(漏極)，而MOSFET又通常用作控制系統(tǒng)電源和負(fù)載之間的開關(guān)。

在表現(xiàn)上，VIPower的Ron導(dǎo)通電阻較低，可以有效降低工業(yè)自動化模塊的耗散功率，并提高魯棒性和可靠性；另外，該技術(shù)還可提供附加的預(yù)測性維護(hù)功能（包括過溫，過流，欠電壓報警和關(guān)閉狀態(tài)下負(fù)載開路檢測功能）。

BCD技術(shù)廣泛應(yīng)用于電源管理、模擬數(shù)據(jù)采集和電執(zhí)行器。開發(fā)高密度BCD技術(shù)的原因正是市場需要在同一芯片上集成越來越復(fù)雜和多樣化的功能，并在所有類型的應(yīng)用環(huán)境中保證高質(zhì)量和可靠性。尤其是在工業(yè)控制系統(tǒng)中，BCD技術(shù)的應(yīng)用，一方面能通過增加電流隔離，增強(qiáng) PLC 模塊之間的通訊安全性以及可靠性；另一方面，也可以開發(fā)緊湊封裝，減少 PLC 模塊尺寸。

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國民技術(shù)的N32G45x系列MCU在工業(yè)中最為典型的應(yīng)用便是伺服控制器，其對于主控制器的高速運(yùn)算，實(shí)時控制，高速模擬采樣，工業(yè)通訊總線和可靠性等方面都有著非常高的要求。

同時，國民技術(shù)正在基于最為先進(jìn)的Arm Cortex-M7內(nèi)核，使用最新工藝平臺打造集超高性能、高集成度、支持新一代工業(yè)總線和先進(jìn)電機(jī)控制算法等優(yōu)勢技術(shù)特性于一體的MCU系列產(chǎn)品。MCU產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)的提升，使得工業(yè)控制應(yīng)用的控制精度，響應(yīng)速度，轉(zhuǎn)換效率等都有非常大的提高，并且更加智能化。

在王維看來，工業(yè)控制系統(tǒng)可以分成幾個類別：最底層是傳感和執(zhí)行，其功能是快速和有效地執(zhí)行控制，在輸入輸出方面對MCU有一定的要求，如高精度ADC，有些場合需要低功耗，以及對執(zhí)行部件的控制驅(qū)動；中間層是驅(qū)動，包括驅(qū)動控制和顯示控制，需要MCU具備一定的算力，豐富的接口能在系統(tǒng)中與多種外部執(zhí)行模塊連接，并且完成對多個電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電機(jī)算法；最上層是控制層，通過高級總線技術(shù)和下層連接并與云端做交互，需要MCU具有較高的算力，特別是DSP的能力。

三、?? ?中短期內(nèi)，工控領(lǐng)域半導(dǎo)體技術(shù)的走向

姚春雷表示，新一代VIPower技術(shù)將改進(jìn)封裝緊湊性、分布式智能、深度診斷等功能，從而促進(jìn)下一代智能工廠發(fā)展。工況監(jiān)測和預(yù)測性維護(hù)是半導(dǎo)體最重要的工業(yè)應(yīng)用之一，創(chuàng)建預(yù)測性維護(hù)應(yīng)用也將通過各種技術(shù)和解決方案來實(shí)現(xiàn)，包括嵌入式AI、VIPower診斷功能、工業(yè)MEMS傳感器、IO Link和無線通信解決方案等。

伴隨著工業(yè)4.0的進(jìn)展加快，工控領(lǐng)域加速在向自動化和數(shù)據(jù)化方向上轉(zhuǎn)型，尤其是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方向上依然有巨大的發(fā)展空間。伴隨國產(chǎn)芯片的崛起，背后的傳感器、主控制器、功率器件、工業(yè)總線和工控系統(tǒng)等方面的產(chǎn)品技術(shù)不斷取得新的突破，也支撐著我國新一代工業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，實(shí)現(xiàn)中國工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的自主研發(fā)和國產(chǎn)化的目標(biāo)。

王維認(rèn)為，在MCU領(lǐng)域，主要的突破性進(jìn)展會出現(xiàn)在高算力、高精度ADC和更多符合工控要求的模擬和工業(yè)總線功能。

結(jié)語：

通過對比國內(nèi)外芯片廠商的企業(yè)代表對于不同半導(dǎo)體技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的觀點(diǎn)，可知意法半導(dǎo)體的關(guān)注點(diǎn)較廣，包括結(jié)合軟件技術(shù)、優(yōu)化制造技術(shù)等，以及在多項技術(shù)的共同作用下，達(dá)到提高可靠性、降低電磁干擾、減小芯片面積等目的。

國民技術(shù)關(guān)注新材料、工藝技術(shù)，企業(yè)本身主要還是通過先進(jìn)的工藝技術(shù)來提升芯片的集成度，降低能耗，提高控制精度，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。靈動微電子的側(cè)重點(diǎn)則基本圍繞MCU，其產(chǎn)品逐步轉(zhuǎn)向更高的位數(shù)，追求更高的性能。

這從側(cè)面也反映了國際頭部芯片企業(yè)在產(chǎn)品性能、技術(shù)多樣性、技術(shù)儲備等方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢交織在一起為下游客戶能提供更高的附加值，從而使產(chǎn)品能夠攫取更多的利潤。反觀國內(nèi)芯片企業(yè)，主要發(fā)力點(diǎn)依然還在性能方面，即使關(guān)注點(diǎn)有所放開，有時候也有些力不足，但這是國內(nèi)芯片企業(yè)成長與追趕的必經(jīng)之路。