機器人“芯”時(shí)代：芯片助力智能化浪潮

如今隨著(zhù)機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人的應用領(lǐng)域越來(lái)越廣，市場(chǎng)也開(kāi)始相應發(fā)展。 中國電子學(xué)會(huì )預測，2022 年全球機器人市場(chǎng)規模將達到513 億美元，2017-2022 年年均增長(cháng)率為14%。根據波士頓咨詢(xún)集團的研究報告，全球機器人市場(chǎng)預計將未來(lái)10 年增長(cháng)近10倍，到2030 年，全球機器人市場(chǎng)規模將達到1600 億至2600 億美元。

為了促進(jìn)機器人行業(yè)的穩步增長(cháng)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(mén)共同發(fā)布了《“機器人+”應用行動(dòng)實(shí)施方案》。該方案明確了到2025 年制造業(yè)領(lǐng)域機器人發(fā)展的具體目標，并列舉了機器人在不同領(lǐng)域的十大重點(diǎn)應用場(chǎng)景。這一重要政策的推出，標志著(zhù)一個(gè)以“機器人+”為核心的新時(shí)代的開(kāi)啟，預示著(zhù)機器人技術(shù)將在更廣泛的領(lǐng)域得到推廣和應用，尤其是在制造業(yè)，機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。當下無(wú)論是工業(yè)領(lǐng)域的機器人還是服務(wù)于日常生活的服務(wù)型機器人，它們都在通過(guò)與信息技術(shù)的深度融合，不斷增強自身的感知、數據處理和執行任務(wù)的能力。隨著(zhù)智能化水平的不斷提升，機器人對高性能芯片的依賴(lài)也日益增強。那么，在這個(gè)“機器人+”的新時(shí)代，哪些芯片將會(huì )因此迎來(lái)快速發(fā)展的機遇呢？

1   FPGA（現場(chǎng)可編程門(mén)陣列）芯片

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

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FPGA作為一種靈活的硬件平臺，可以應用于小節點(diǎn)的分散控制和大節點(diǎn)的高效FPGA SoC控制，以實(shí)現精準控制的任務(wù)。通過(guò)FPGA 加速計算，可以有效降低驅動(dòng)反應時(shí)間，提高系統運行速度，從而在優(yōu)化機器人應用方面具有優(yōu)勢。

FPGA的這些特性使得它在機器人領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。隨著(zhù)機機器人智能化的發(fā)展中發(fā)揮更加重要的作用。在伺服驅動(dòng)方面，FPGA 的應用已經(jīng)成為行業(yè)內的標準做法。特別是在執行圖像處理算法時(shí)，FPGA 的表現優(yōu)于CPU，被認為是最佳解決方案。而在執行人工智能算法時(shí)，FPGA與GPU并列為主流方案，且在功耗上有明顯優(yōu)勢。與ASIC（專(zhuān)用集成電路）開(kāi)發(fā)相比，FPGA 的使用不僅縮短了開(kāi)發(fā)和驗證周期，還允許在出現問(wèn)題時(shí)迅速調整邏輯，或者在需要時(shí)修改或增強功能需求，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 在內的多種硬件IP，確?？偩€(xiàn)連接的可靠性的同時(shí)，促進(jìn)了外圍邏輯的集成，實(shí)現了設備的小型化和低功耗。低功耗設計意味著(zhù)設備可以使用無(wú)風(fēng)扇外殼，從而避免了易磨損的機械部件和灰塵的侵入，提高了機器人的可靠性和維護周期。

在機器人行業(yè)中，尤其是工業(yè)應用領(lǐng)域，設備的供貨周期較長(cháng)是一個(gè)考慮因素。由于工業(yè)設備的設計壽命通常在10 年甚至更長(cháng)，因此延長(cháng)產(chǎn)品生命周期對于滿(mǎn)足客戶(hù)需求至關(guān)重要。FPGA 正好滿(mǎn)足了這一點(diǎn)，它的使用可以延長(cháng)產(chǎn)品的維護和更新周期，適應工業(yè)領(lǐng)域對長(cháng)期穩定運行的需求。

圖3

因此，在當前的工業(yè)和商業(yè)環(huán)境中，FPGA 技術(shù)正被積極采用和推廣，以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的設計需求并實(shí)現成本控制。FPGA 的靈活性和高性能使其成為推動(dòng)機器人智能化的理想選擇。

在機器人領(lǐng)域，FPGA 的應用尤為突出。商用服務(wù)機器人通過(guò)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(lèi)進(jìn)行交互，提升用戶(hù)體驗。在工業(yè)領(lǐng)域，機械手臂等自動(dòng)化設備使用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(zhù)智能化的深入，機器人將成為現代社會(huì )不可或缺的一部分。因此，優(yōu)化機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，為機器人技術(shù)的進(jìn)步提供了強有力的支持。通過(guò)FPGA 的優(yōu)化，機器人能夠實(shí)現更快速、更精準的控制，從而提高整體性能和用戶(hù)體驗。

FPGA技術(shù)的應用和發(fā)展對于機器人智能化至關(guān)重要。它不僅推動(dòng)了機器人技術(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(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步和應用領(lǐng)域的不斷擴大，FPGA 將繼續在機器人智能化領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，助力行業(yè)實(shí)現更高水平的智能化和自動(dòng)化。

FPGA市場(chǎng)在全球機器人領(lǐng)域正經(jīng)歷著(zhù)快速增長(cháng)，其年均復合增長(cháng)率達到了16.4%。這一增長(cháng)速度在全球范圍內是顯著(zhù)的，而中國市場(chǎng)的發(fā)展勢頭更是強勁，預計其年均復合增長(cháng)率將達到23.1%，顯示出中國FPGA市場(chǎng)的巨大潛力。

中國FPGA行業(yè)在市場(chǎng)規模和需求量上均呈現出上升趨勢。這得益于國內對于FPGA 技術(shù)的需求不斷增加，尤其是在機器人、汽車(chē)、工業(yè)和數據中心等關(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，預計未來(lái)幾年，這些領(lǐng)域的需求將持續增長(cháng)。

全球范圍內，FPGA 芯片的需求預計也將保持增長(cháng)。隨著(zhù)機器人技術(shù)的進(jìn)步、汽車(chē)行業(yè)的電動(dòng)化和自動(dòng)化、工業(yè)4.0 的推進(jìn)以及數據中心的擴展，FPGA 芯片在這些領(lǐng)域中的應用將變得更加廣泛。這些趨勢表明，

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

2   微控制器單元（MCU）

微控制器單元（MCU）在機器人執行層中的應用非常廣泛，它作為工業(yè)機器人的核心控制組件，隨著(zhù)機器人市場(chǎng)的快速增長(cháng)而受益匪淺。在工業(yè)機器人的單個(gè)機械臂中，MCU 芯片通常占據了大約80% 的內置控制器市場(chǎng)份額。2022 年中國MCU 市場(chǎng)規模達到493.2 億元，較上年增長(cháng)13.67%。而中商產(chǎn)業(yè)研究院的分析師預測，2023年中國MCU市場(chǎng)規模將進(jìn)一步擴大，達到531.2億元。

在微控制器單元（MCU）的全球市場(chǎng)中，幾家大型廠(chǎng)商占據了主導地位。瑞薩電子、恩智浦、微芯科技、意法半導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(xiàn)以及廣泛的客戶(hù)基礎，在全球MCU市場(chǎng)中占據了顯著(zhù)的市場(chǎng)份額。這些公司通過(guò)持續的技術(shù)創(chuàng )新和產(chǎn)品優(yōu)化，不斷推動(dòng)MCU技術(shù)的發(fā)展。

在國內市場(chǎng)之中，國外廠(chǎng)商如瑞薩電子、恩智浦、意法半導體等依然占據著(zhù)主導地位。這些公司憑借其先進(jìn)的技術(shù)和強大的品牌影響力，在中國市場(chǎng)中占據著(zhù)較大的市場(chǎng)份額。然而，國內MCU廠(chǎng)商的發(fā)展勢頭也不容小覷，他們正迅速崛起，逐步在國內外的機器人市場(chǎng)中占據一席之地。

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

隨著(zhù)國內外MCU廠(chǎng)商的不斷發(fā)展壯大，市場(chǎng)競爭也日益激烈。為了在競爭中脫穎而出，各廠(chǎng)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(chǎng)商不斷提升自身技術(shù)水平，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的持續發(fā)展。

目前，隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，全球MCU廠(chǎng)商在制造工藝、芯片設計、功耗控制等方面進(jìn)行了持續的創(chuàng )新，以提高產(chǎn)品的性能并降低成本。例如，意法半導體與三星晶圓代工廠(chǎng)合作開(kāi)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用的性能和功耗實(shí)現巨大的飛躍。

作為工業(yè)機器人核心控制器件，MCU等控制芯片必將受惠于工業(yè)機器人市場(chǎng)的快速增長(cháng)。據悉，特斯拉機器人有40 個(gè)伺服電機相對應一臺特斯拉機器人擁有80個(gè)MCU芯片，對應MCU 價(jià)值量大約200 美金。預計到2025 年特斯拉機器人的出貨量將達到100 萬(wàn)臺以上，對應的MCU增量市場(chǎng)約為2億美金。

對于面向機器人應用的MCU，除了提供易于開(kāi)發(fā)的嵌入式平臺和設計工具之外，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，以確保機器人各部分之間的高效通信。與傳統工業(yè)機器人相比，類(lèi)人機器人的運動(dòng)模式更為復雜，這就要求對電機的位置、方向、速度和力矩進(jìn)行高精度的控制。MCU能夠執行這些任務(wù)所需的復雜、高速計算，使得機器人能夠精確地執行各種動(dòng)作。

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

值得注意的是，雙電機平臺的兩個(gè)電機功率之和通常小于單個(gè)電機的最大功率，這種設計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）

傳統的工控和電源行業(yè)為IGBT 市場(chǎng)的穩定發(fā)展提供了堅實(shí)的支撐。在這些領(lǐng)域中，工業(yè)控制尤為突出，成為IGBT最大的應用市場(chǎng)，其需求持續上升。隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步和普及，工業(yè)機器人和智能機床的廣泛應用變得越來(lái)越依賴(lài)于高性能的交流電機、伺服電機，以及節能型變頻器和電源裝置，這些都離不開(kāi)IGBT 功率半導體器件的支持。

IGBT功率半導體器件在電力電子應用中扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色。它們主要處理電能，通過(guò)電力電子技術(shù)實(shí)現電能的整流、穩壓、開(kāi)關(guān)和變頻，從而實(shí)現電能的高效和高質(zhì)量轉換。

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

在過(guò)去的幾年中，中國的逆變器和電焊機市場(chǎng)保持了穩定的增長(cháng)態(tài)勢，而工業(yè)機器人市場(chǎng)的發(fā)展更是呈現出加速趨勢。這些因素共同推動(dòng)了工控IGBT市場(chǎng)的穩步增長(cháng)。根據最新的數據，我國IGBT行業(yè)的產(chǎn)量在過(guò)去幾年中呈現穩定增長(cháng)的趨勢。從2019年到2021年，我國IGBT的產(chǎn)量分別為1550萬(wàn)只、2020 萬(wàn)只和2580 萬(wàn)只。這一增長(cháng)趨勢表明，我國IGBT 行業(yè)正在快速發(fā)展，并且預計將繼續保持這一勢頭。

具體到2023 年，預計我國IGBT 的產(chǎn)量將增長(cháng)至3624 萬(wàn)只。這一預測基于我國IGBT 行業(yè)的持續增長(cháng)和技術(shù)進(jìn)步，以及IGBT 在工業(yè)自動(dòng)化、新能源汽車(chē)、電力系統等領(lǐng)域的廣泛應用。

此外，根據《國內IGBT模塊市場(chǎng)發(fā)展趨勢報告》的預測， 到2029 年， 全球IGBT模塊市場(chǎng)規模將增長(cháng)至765.36億元，而中國IGBT 模塊市場(chǎng)規模也將持續擴大。這一預測表明，我國IGBT 模塊市場(chǎng)在全球范圍內具有重要的地位，并且在未來(lái)幾年內將繼續保持增長(cháng)勢頭。這一增長(cháng)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，也預示著(zhù)IGBT 市場(chǎng)將繼續作為電力電子行業(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)展提供強有力的技術(shù)支撐。

在我國智能機械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，雖然取得了顯著(zhù)的進(jìn)步，但與發(fā)達國家相比，仍存在一定的差距。目前，我國智能機械市場(chǎng)規模約占全球的20%，但主要集中在低端產(chǎn)品，中高端產(chǎn)品的市場(chǎng)份額不足5%。在技術(shù)層面，我國的智能機械主要采用通用處理器來(lái)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)機器人為例，國內30 多家機器人企業(yè)雖然推出了15 種以上的工業(yè)機器人產(chǎn)品，但產(chǎn)品類(lèi)型較為單一，可靠性和穩定性不足。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)激光雷達產(chǎn)品在性能上只能達到進(jìn)口產(chǎn)品的40% 至50%。激光雷達技術(shù)作為人工智能與機器人技術(shù)融合的基礎之一，其發(fā)展對于推動(dòng)智能機械行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。然而，與美歐等發(fā)達地區相比，我國在智能機械核心芯片技術(shù)方面還面臨著(zhù)不小的挑戰。

（本文來(lái)源于《EEPW》202410）