未来十年工业需要什么样的嵌入式处理器

原创电子工程世界 2022-09-14 07:30

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浩瀚的芯片海洋中能被人记住的寥寥无几，因其本就是幕后英雄，加之摩尔定律下技术的飞速发展。那些在人们脑海中留下印记的往往是踩中了时代的脉搏，得以彻底改变了人们的生活或是一个产业，而时代也造就了一些明星。

本文中，我们会探讨中国工业自动化产业的变革以及基于 ARM® 的高性价比处理器是如何推动这种演进的。

热血年代

如今我国已形成独立完整的现代工业体系，但在 2001 年中国加入 WTO，开启驶向“世界工厂”的高速通道时，没人能想象出今天中国“制造强国”的模样，因为那时作为工业生产的基石的我国的自动化产业尚处于萌芽期，外资占据绝对主导地位。只不过敏锐的本土企业已经开始尝试从点至面的突围，日后被誉为工控圈“小华为”的汇川技术股份公司就诞生在那个火热的年代，从电源起家，而后伴随中国市场对于 PLC、HMI 及伺服等需求不断增长，逐步完成了多元化工控的转型。

汇川只是那个时代迅速崛起的众多中国本土工控类企业的一个缩影。事实上，他们成功的背后都有一个重要因素，借助全球 PLC 和 HMI 厂商都在从 MCU 向 MPU 过渡转型的时机，和国际厂商实现了在同一条起跑线上的竞争。飞凌嵌入式技术有限公司就是在那时转型专注工控行业，副总经理杨博向 EEWorld 回忆，2000 年～2010 年，嵌入式还是 MCU 一统天下，Arm 与 Linux 的生态才刚刚酝酿。2011 年 TI 推出的 AM335x 处理器系列让市场眼前一亮，在当时业界普遍采用 ARM9、11 为核心时，它选择了 Arm Cortex-A8，是业界第一颗面向工业市场的 Arm v7 架构处理器，并首次在工业领域引入双千兆网配置的芯片，其他常用的接口种类和数量也远远多于友商，同时又巧妙利用引脚复用的技术实现了高性价比。在 PLC 及 HMI 等领域，AM335x 处理器帮助很多中国企业实现了一次次腾飞。

一颗处理器的诞生

国科量子通信网络公司的陈柱是基于 AM335x 处理器开发平台的 BeagleBone® Black 社区中的铁杆支持者，曾有 TI 的第三方伙伴拿着开发实例来向他展示，被他教育了，因为那就是他曾在 EEWorld 论坛上发表的内容。这几年他一直盼着 AM335X 有更强大的后继者，因为工业市场又发生了很多新变化，中国制造正迈向高质量发展阶段，自然对工业自动化有着更高的要求。

首先，工业 4.0、工业物联网、机器人等概念纷至沓来，包括高速实时以太网通信、更复杂的运动控制、5G、边缘AI等新技术正在迅速蔓延至工业市场，尤其是边缘AI这一新兴事物，从语音识别、手势识别再到人脸识别，正在颠覆着 HMI 的技术发展方向。其次，是可靠性的要求越来越高。相比于其他市场，工业市场应始终将可靠性和稳定性放在第一位。再次，则是更高集成度的需求。工业现场始终追求更小的系统尺寸，从而优化空间，而通过更多的系统集成是实现这一目标的最佳途径，比如目前的 HMI 正在和 PLC 有着更多紧耦合，而且更高的集成度也有助于降低总成本。

原本工业客户为了追求稳定性，一般不太会更换系统架构，然而这些变化使他们或主动或被动地接受更多新鲜技术，从而迫使处理器厂商纷纷求变。2019 年，杨博接到了 TI Sitara 通用 MPU 市场经理 Steven Liu 的拜访，他透露了一个消息，TI 准备推出一款新产品 AM62X 来面向未来的工业市场，希望听到飞凌对新产品在指标、功能等方面的建议。在提出了很多想法后，飞凌特意提出 GPMC 接口应该保留，这方便与 FPGA 和 DSP 的直连，使其可以轻松涵盖马达控制、现场采集等更多工业领域。

事实上，定义的过程是决定一颗芯片能否成功的首要因素。大胆立论、小心求证是芯片定义过程中必不可少的过程。用尽可能低的成本满足尽可能多的客户，这就需要对市场、用户有深刻的理解。比如针对人机交互的显示接口，AM62x 支持 RGB 888 接口，这在以往的产品中并不多见，该接口主要针对低成本的显示屏而设计的，这主要是亚洲区客户的需求。在低价接口之外，考虑到了产业对于双路显示的需求正在从高端向中低端演进，AM62x 希望通过双路显示的支持帮助客户实现更多创新，比如充电桩的双屏广告系统、机器人的虚拟键盘等。

事实上，AM62x 的需求调研涵盖了全球数个工业垂直行业的客户，包括电力电子、仪器仪表、家电、工厂自动化等多个领域。通过与中国客户持续合作，TI 获得了很多一手信息，并影响了 AM62x 新产品的定义与开发：比如用户希望更全面的软件生态支持，更低的功耗以及更高的系统性价比。

功耗和售价则是产品定义阶段的主要约束条件，这需要和客户反复沟通并权衡。最终，AM62x 售价定在了 5 美元起，比竞争对手低至少 30%，同时功耗也低了 30%。

为未来而生

2022 年 6 月，AM62x 最终推出时，我们看到TI以低成本实现了更多接口的支持，这也使产品具有更好的差异化。广州创龙电子科技有限公司总经理朱雅告诉 EEWorld：“AM62x 的外设接口更加符合工业客户需求，如多路千兆网口、多路 UART、多路 CAN 等。其中 GPMC 可实现与低成本 FPGA 进行高速通信（可达 100MB／s），这是其他友商很难实现的。”

在处理器最重要的内核架构方面，AM62x 选择了 1/2/4 核的 Cortex-A53 作为主处理器，其 Cortex-A + Cortex-M 的异构CPU架构得到了杨博赞赏，“异构并不是新概念，但是从异构的主从关系上来说，以往的产品都是以 Cortex-A 作为主核启动，而 AM62x 配置灵活，可以自由选择哪个内核先启动。”实际上，TI 在嵌入式异构多核技术上一直处于行业领先地位，ARM+DSP、ARM+MCU、多核 ARM、多核 DSP 等游刃有余。“由于异构多核处理器十分适合应用于工业自动化、仪器仪表、能源电力、通信、医疗等工业行业，因此此差异化也让 TI 处理器在工业领域成为了用户的首选，”朱雅表示。

而在安全方面，AM62x 支持安全启动功能，无需额外的安全芯片。Steven Liu 表示，尽管中国客户目前对于安全的需求程度不高，但这项技术储备之后可以使他们今后轻松满足加密需要。在未来的工业市场，可预见的是用户将面临一系列更多挑战，统一平台、完善的生态系统和简化的系统设计成为工控系统的三大要素。如果说 10 年前的 AM335x 初步具备了这些特质，那么如今的 AM62x 则已将这三大要素刻在了产品的基因中。

首先，随着工控产品形态越来越多、越来越细分化，这就需要一个完整的处理器平台，来覆盖尽可能多的客户和行业，从而降低学习成本、研发成本、软件复用成本，甚至备货成本等。为此，TI 通过完整且 100% 兼容的 SDK 实现了软件架构的统一，从而简化了产品的开发流程。通过对底层Linux的统一支持，客户无需自行针对 Linux 进行维护，同时此前基于 AM335x 开发的软件，也可轻松迁移至新平台上。

生态系统则是用户重点考虑的第二个问题，如今的通用 MPU 性能、功能不断提升，因此需要更丰富、更完整的生态系统。这其中不仅包括硬件生态，还包括更多的软件生态；这其中既要有操作系统，还要有各种中间件的支撑。对此，TI 给出的解决方案是积极与第三方软件公司或生态平台对接，这其中既包括AI算法公司，也包括了中间件供应商，同时还包括诸如 Arm、Android、Linux、Khronos 等成熟的软硬件生态系统。AM62x 的 SOM 合作上也取得了出色的成绩。2022 年 6 月，飞凌和创龙等 SOM 合作商受 TI 邀请出现在 embedded world 展览上，面向全世界。

第三，面对系统设计层面的挑战，TI 的主要应对方法是尽可能地降低功耗，并提高系统的集成度。曾有工业用户因系统功耗很难优化，而不得不选择更高温度规格的车规级产品，同时增加散热器。AM62x 通过低内核电压、多工作模式以及 16nm 工艺等创新，优化了功耗，从而使系统更为小巧。据 Steven Liu 介绍，四核 AM62x 的功耗仅相当于友商的双核。根据TI的实际测试结果显示，AM62x 在深度睡眠模式下最多可实现长达 1000 小时的电池寿命，这给工业现场应用带来了更多可能。

AM62x 的未来十年

作为 TI 面向未来的高性价比处理器平台，AM62x 不仅担负着重塑工控市场的使命，更担负着 TI 重塑嵌入式领域的决心与信心。AM335x 的成功之处在于其准确把握住了过去 10 年工业市场的需求。AM62x 的问世，能否再次证明 TI 对于工业市场的理解与把握？

虽然从定义到生态，再到价格，与友商的产品相比，AM62x 都有其差异化之处。但不可否认的是，随着 Arm 生态系统的不断扩大，工业市场的外延不断扩大，无论是外资还是本土厂商，甚至是初创公司，都开始涉足这一领域。这当然给传统的工业芯片供应商带来不小的压力，尤其是一些类工业应用，对于可靠性、实时性以及功耗等要求并不严苛。

但是从工业大国到工业强国的演进过程中，绝大多数行业客户始终需要更高品质、更高性价比、更稳定供货的产品。无论竞争态势如何，未来足够庞大的工控市场，以及客户雄心勃勃的升级需求，对每一家都是无限的机会。实际上，作为工业以及其他所有科技产业基石的芯片而言，其成功的关键就在于能否把工艺、技术的先进性转化成市场的先进性和高性价比。

陈柱如很多曾经的 AM335x 拥趸一样，对 AM 62x 充满了期待。与其说他在期盼一个新产品，不如说他更期待的是一份可能，一份让自己可以在未来工业市场上恣意挥洒的可能。芯片厂商要做的就是抓住成千上万个陈柱的心。