沒(méi)了它們，機(jī)器人就是一堆“鐵塊”，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將帶飛哪些芯片？
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(lái)越廣，市場(chǎng)也相應(yīng)的開(kāi)始發(fā)展。中國(guó)電子學(xué)會(huì)預(yù)計(jì)2022年，全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到513億美元，2017至2022年的年均增長(zhǎng)率達(dá)到14%。波士頓咨詢公司研究報(bào)告顯示，全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將在未來(lái)10年內(nèi)增長(zhǎng)近10倍，到2030年全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)1600億至2600億美元。
機(jī)器人市場(chǎng)的騰飛
《“機(jī)器人﹢”應(yīng)用行動(dòng)實(shí)施方案》中包括十大應(yīng)用重點(diǎn)領(lǐng)域分別是經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域的制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、能源、商貿(mào)物流，社會(huì)民生領(lǐng)域的醫(yī)療健康、養(yǎng)老服務(wù)、教育、商業(yè)社區(qū)服務(wù)、安全應(yīng)急和極限環(huán)境應(yīng)用。
在工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)增長(zhǎng)強(qiáng)勁。制造業(yè)是本次發(fā)布的方案中首個(gè)提到的機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域。由于多國(guó)勞動(dòng)力縮減和人口老齡化造成勞動(dòng)力供應(yīng)短缺和成本上升，提高流程效率和自動(dòng)化程度比以往任何時(shí)候都更加迫切。因此，在制造業(yè)和其他工作場(chǎng)所中，能夠執(zhí)行各種操作和運(yùn)輸任務(wù)的多軸機(jī)器人的使用范圍正在迅速擴(kuò)大。通過(guò)推進(jìn)智能制造示范工廠建設(shè)，發(fā)展基于工業(yè)機(jī)器人的智能制造系統(tǒng)，將加快制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化變革。
除了工業(yè)機(jī)器人，三年疫情也讓服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)初具規(guī)模。抗疫系列機(jī)器人成為疫情防控的新生力量，“無(wú)接觸”的無(wú)人配送已成為新焦點(diǎn)。預(yù)計(jì)2022年，全球服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到217億美元。2024年，全球服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將有望增長(zhǎng)到290億美元。
無(wú)論工業(yè)機(jī)器人還是服務(wù)機(jī)器人，這些機(jī)器人都在結(jié)合信息技術(shù)提升感知、計(jì)算、執(zhí)行能力，在機(jī)器人智能化水平提升的同時(shí)，對(duì)芯片的需求也在增加。那么哪些芯片產(chǎn)品有望受益呢？
機(jī)器人帶飛哪些芯片？
FPGA芯片
FPGA芯片在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)具有高速、并行、運(yùn)算及引腳資源極其豐富、功能靈活、硬件直接實(shí)現(xiàn)算法、操作數(shù)存取機(jī)制簡(jiǎn)單高效、開(kāi)發(fā)調(diào)試手段直探硬件底層等優(yōu)點(diǎn)。在伺服驅(qū)動(dòng)器中應(yīng)用FPGA是業(yè)界的常規(guī)做法，F(xiàn)PGA在執(zhí)行圖像處理算法方面比CPU更強(qiáng)，是最優(yōu)方案；在執(zhí)行人工智能算法時(shí)，F(xiàn)PGA是與GPU并列的主流方案，而且在功耗方面具備非常大的優(yōu)勢(shì)。與 ASIC 開(kāi)發(fā)相比，除了縮短開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證周期之外，使用 FPGA 還意味著在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以快速更改邏輯，或者在必要時(shí)可以對(duì)功能需求進(jìn)行修改或增強(qiáng)。
FPGA芯片的特性可以提高伺服控制性能、降低功耗；此外，F(xiàn)PGA 芯片可以通過(guò)提供包括 PCI Express 在內(nèi)的多種硬件 IP，從而通過(guò)在確保總線連接可靠性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)外圍邏輯集成，促進(jìn)電路的微型化并降低功耗。功耗的降低意味著可以采用無(wú)風(fēng)扇外殼，從而不再需要容易磨損的機(jī)械部件，并避免吸入粉塵。
由于機(jī)器人，尤其是工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人產(chǎn)品供應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，因此在維護(hù)方面的考慮需要延長(zhǎng)設(shè)備供應(yīng)期，因?yàn)楣I(yè)設(shè)備的使用壽命通常長(zhǎng)達(dá) 10 年或更長(zhǎng)。FPGA 延長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期可滿足工業(yè)領(lǐng)域客戶的需求。
MCU芯片
MCU是在機(jī)器人執(zhí)行層里應(yīng)用較多的選擇，作為工業(yè)機(jī)器人核心控制器件，MCU也會(huì)受惠于機(jī)器人市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。工業(yè)機(jī)器人單支機(jī)器手臂中，內(nèi)建的控制器平均約有八成為MCU芯片。
對(duì)于機(jī)器人應(yīng)用方向的MCU來(lái)說(shuō)，除了提供易開(kāi)發(fā)的嵌入式平臺(tái)、設(shè)計(jì)工具外，建立MCU周邊完善的通訊環(huán)境處理各種工業(yè)通訊協(xié)議如USB，SPI等也是相當(dāng)重要的。相較于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人，人形機(jī)器人有更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，需要對(duì)電機(jī)的位置、方向、速度和扭矩進(jìn)行高精度控制。MCU可以執(zhí)行電機(jī)控制所需的復(fù)雜、高速運(yùn)算。目前機(jī)器人解決方案中包括單電機(jī)平臺(tái)（一顆MCU控制一個(gè)電機(jī)）、雙電機(jī)平臺(tái)（一顆MCU控制兩個(gè)電機(jī)）， 其中雙電機(jī)平臺(tái)的兩個(gè)電機(jī)功率和小于單電機(jī)最大功率。
未來(lái)在更先進(jìn)工藝下設(shè)計(jì)的MCU，采用更高性能的內(nèi)核，其性能將得到大幅度提升，市場(chǎng)需求將快速提升。在全球MCU市場(chǎng)蛋糕逐年增長(zhǎng)和國(guó)產(chǎn)MCU替代的大背景下，國(guó)內(nèi)MCU廠商有望突破國(guó)外壟斷。
DSP芯片
DSP（Digital Signal Processing）即數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，DSP芯片即指能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的芯片。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來(lái)快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。
DSP芯片自誕生以來(lái)得到了飛速發(fā)展，一方面得益于集成電路的發(fā)展，另一方面也得益于巨大的市場(chǎng)。在短短數(shù)十年時(shí)間里，DSP芯片已在通信、雷達(dá)、圖像、軍事、儀器、自動(dòng)化、信號(hào)處理等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
DSP芯片用在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，相當(dāng)于起著關(guān)節(jié)的作用，有了DSP的控制，機(jī)器人反應(yīng)更迅速，行動(dòng)更精準(zhǔn)。工業(yè)機(jī)器人在工作中需要處理大量的數(shù)據(jù)，隨著工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用日益廣泛和普及，DSP芯片在這方面的應(yīng)用越來(lái)越多，重要性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性都會(huì)得到體現(xiàn)。
IGBT芯片
傳統(tǒng)工業(yè)控制及電源行業(yè)是支撐 IGBT 市場(chǎng)穩(wěn)步發(fā)展的基石。工業(yè)控制是 IGBT 第一大應(yīng)用領(lǐng)域，需求穩(wěn)健增長(zhǎng)。隨著工業(yè)自動(dòng)化的深化，廣泛部署的工業(yè)機(jī)器人和智能化機(jī)床都依賴于強(qiáng)大而靈活的交流電機(jī)、伺服電機(jī)以及節(jié)能的變頻器和電源裝置。
IGBT功率半導(dǎo)體器件是電力電子應(yīng)用領(lǐng)域的核心器件。以電能為處理對(duì)象，通過(guò)電力電子技術(shù)對(duì)電能進(jìn)行整流、穩(wěn)壓、開(kāi)關(guān)和變頻等，實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)轉(zhuǎn)換。功率半導(dǎo)體器是構(gòu)成電力電子變換裝置的核心器件，尤其是在大功率、大電流、高頻高速、低噪聲等應(yīng)用領(lǐng)域起著無(wú)法替代的關(guān)鍵作用，被廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域。
近年來(lái)，我國(guó)變頻器、電焊機(jī)市場(chǎng)穩(wěn)步增長(zhǎng)，工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)加速發(fā)展，對(duì)應(yīng)的工控 IGBT 市場(chǎng)也將穩(wěn)步增長(zhǎng)。根據(jù)集邦咨詢數(shù)據(jù)，2020 年全球工控 IGBT 市場(chǎng)規(guī)模約為 140 億元，其中我國(guó)工控 IGBT 市場(chǎng)規(guī)模約為 53 億元，預(yù)計(jì)到 2025 年全球工控 IGBT 市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 170 億元。
智能機(jī)械核心芯片技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
盡管我國(guó)智能機(jī)械產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了顯著進(jìn)展，但與發(fā)達(dá)地域相比仍存在差距。目前我國(guó)智能機(jī)械市場(chǎng)規(guī)模約占全球的20%左右，但主要以低端產(chǎn)品為主，中高端產(chǎn)品占比不足5%。
在技術(shù)水平上，我國(guó)智能機(jī)械主要采用通用處理器完成各種任務(wù)，且大多為國(guó)外產(chǎn)品的“代工品”。以工業(yè)機(jī)器人為例，雖然國(guó)內(nèi)已有超過(guò)30家機(jī)器人企業(yè)推出了15款以上的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，但產(chǎn)品種類較為單一，且可靠性、穩(wěn)定性不足。同時(shí)，我國(guó)企業(yè)在部分核心部件上仍處于“跟跑”狀態(tài)，與國(guó)外企業(yè)相比還有較大差距。如在激光雷達(dá)領(lǐng)域，國(guó)外企業(yè)基本掌握了核心技術(shù)和制造工藝。
2018年6月30日前購(gòu)買的國(guó)產(chǎn)激光雷達(dá)產(chǎn)品只能達(dá)到進(jìn)口水平的40%~50%。智能機(jī)械核心芯片技術(shù)作為人工智能和機(jī)器人融合的基礎(chǔ)技術(shù)之一，將在未來(lái)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。與美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)地域相比，我國(guó)在智能機(jī)械核心芯片技術(shù)的發(fā)展還面臨以下挑戰(zhàn)：
（1）核心芯片產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱。盡管國(guó)內(nèi)有多家企業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人專用處理器，但多為“代加工”產(chǎn)品，多為智能機(jī)械的“大腦”，在智能控制系統(tǒng)、決策控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部分還缺乏核心技術(shù)積累，難以滿足智能機(jī)械全周期應(yīng)用需求。
（2）關(guān)鍵零部件技術(shù)能力不足。主要表現(xiàn)在高性能嵌入式芯片設(shè)計(jì)和制造方面能力不足；機(jī)器人用集成電路芯片和工藝方面存在技術(shù)瓶頸；電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制等專用芯片設(shè)計(jì)方面人才匱乏；導(dǎo)航、定位、視覺(jué)、雷達(dá)等傳感器技術(shù)發(fā)展相對(duì)落后，關(guān)鍵部件與核心部件依賴進(jìn)口。
（3）國(guó)際合作不足。智能機(jī)械領(lǐng)域是我國(guó)自主創(chuàng)新的重點(diǎn)領(lǐng)域，但由于行業(yè)壁壘，國(guó)際合作受限。如在嵌入式芯片方面，由于嵌入式芯片需要集成多個(gè)模塊，目前主要由國(guó)外企業(yè)壟斷；在傳感器方面，主要以中低端傳感器為主，高端傳感器仍依賴進(jìn)口。
（4）支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才隊(duì)伍缺乏。我國(guó)智能機(jī)械領(lǐng)域相關(guān)人才存量不高，在機(jī)器人關(guān)鍵零部件研發(fā)、工藝制造、系統(tǒng)集成方面的人才不足。同時(shí)，由于缺乏相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同機(jī)制及有效的人才培養(yǎng)機(jī)制，我國(guó)智能機(jī)械領(lǐng)域的相關(guān)人才培養(yǎng)體系仍處于起步階段，高水平專業(yè)人才短缺成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。
中科融合以“AI+3D”芯片技術(shù)突破“卡脖子”難題
近日，中科融合感知智能研究院有限公司創(chuàng)始人王旭光在“OFweek 2023（第十二屆）中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)大會(huì)”期間接受媒體采訪時(shí)表示，“AI+3D”成為讓整個(gè)機(jī)器人蓬勃發(fā)展的新引擎：3D是一種數(shù)據(jù)形態(tài)，它讓機(jī)器更靈活，而AI解決了如何把3D的數(shù)據(jù)更有效的使用起來(lái)，讓機(jī)器人具有“人”的特征，形成一個(gè)從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)價(jià)值提煉和應(yīng)用的閉環(huán)。
王總表示，以傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的3D機(jī)器視覺(jué)，在中國(guó)經(jīng)歷了厚積，正在迎來(lái)爆發(fā)時(shí)刻。然而，過(guò)往的機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)業(yè)鏈多數(shù)公司從3D相機(jī)硬件集成、機(jī)器視覺(jué)算法優(yōu)化等低維度切入，沒(méi)有改變國(guó)產(chǎn)3D視覺(jué)芯片“缺芯少魂”的局面，一直面臨并承受著以美國(guó)德州儀器的DLP芯片模組、美國(guó)英偉達(dá)的GPU芯片模組為代表的國(guó)外芯片供貨周期長(zhǎng)、供應(yīng)鏈不可控等問(wèn)題，芯片“卡脖子”問(wèn)題難以解決。
作為國(guó)內(nèi)唯一擁有自主研發(fā)“MEMS芯片+SOC芯片+核心算法”的高科技公司，中科融合將自身定位為能夠提供完整的AI+3D芯片以及模組產(chǎn)品的企業(yè)，為下游的機(jī)器人等產(chǎn)業(yè)服務(wù)和賦能，可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、醫(yī)療等領(lǐng)域。
王總表示，與國(guó)內(nèi)同類企業(yè)相比，中科融合的優(yōu)勢(shì)一方面體現(xiàn)在機(jī)器視覺(jué)行業(yè)的專注度；另一方面體現(xiàn)在具有豐富的產(chǎn)品和案例經(jīng)驗(yàn)。整體團(tuán)隊(duì)上，公司有著MEMS精密光學(xué)、3D算法和SoC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，是一支成建制、跨領(lǐng)域、國(guó)際化的團(tuán)隊(duì)，且團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人都有著多年工作經(jīng)驗(yàn)，為來(lái)自美國(guó)和新加坡的海歸芯片技術(shù)專家、外企高管以及創(chuàng)業(yè)者。
中科融合的MEMES動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)光技術(shù)具有極高的技術(shù)壁壘和稀缺性，其核心3D智能相機(jī)模組和模組產(chǎn)品，可以廣泛應(yīng)用在諸如生物識(shí)別、機(jī)器視覺(jué)、醫(yī)療影像、智能家居、自動(dòng)駕駛、游戲影視、AR/VR設(shè)計(jì)等眾多需要3D建模和空間識(shí)別的應(yīng)用場(chǎng)景。
中科融合SoC芯片算法底層代碼、硬件算子都是自主研發(fā)，集成了多個(gè)計(jì)算加速引擎，可以對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)閉環(huán)處理，更好地保證光學(xué)成像的精準(zhǔn)性。作為一顆算力芯片，它支持多種通用外設(shè)，包括攝像頭、千兆以太網(wǎng)、USB2.0/3.0等，可以被當(dāng)作嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)使用。從商業(yè)角度上，這能為客戶在低成本的前提下提供更便捷的服務(wù)。
王總表示，中科融合MEMS微鏡芯片光機(jī)屬于第二代新技術(shù)，相當(dāng)于第一代技術(shù)美國(guó)德州儀器100%壟斷的DLP十分之一的功耗、體積。而其核心器件VDPU智能處理SoC芯片則可以做到價(jià)格下降至1/10、功耗降低至1/30倍、體積下降至1/10。更值得一提的是，在中美科技戰(zhàn)的大背景下，3D視覺(jué)的純國(guó)產(chǎn)方案對(duì)我國(guó)產(chǎn)業(yè)鏈的安全至關(guān)重要。
總結(jié)
隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)械作為一種新的產(chǎn)業(yè)形態(tài)正逐步融入我們的生產(chǎn)生活，智能機(jī)械芯片作為核心基礎(chǔ)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其“強(qiáng)芯”目標(biāo)的關(guān)鍵所在。雖然我國(guó)在智能機(jī)械領(lǐng)域已具備一定的基礎(chǔ)，但我國(guó)在智能機(jī)械芯片技術(shù)方面與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍存在較大差距。
面對(duì)國(guó)內(nèi)外環(huán)境的變化和發(fā)展需求，必須以高度重視我國(guó)智能機(jī)械核心芯片技術(shù)發(fā)展為契機(jī)，以國(guó)家重大需求為導(dǎo)向，以基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵共性技術(shù)為突破口，著力攻克一批制約我國(guó)智能機(jī)械發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題，盡快突破一批“卡脖子”技術(shù)，著力推動(dòng)形成多層次、體系化的智能機(jī)械芯片核心技術(shù)研發(fā)體系，支撐智能機(jī)械產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。同時(shí)，要加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和應(yīng)用推廣工作，構(gòu)建技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等多層次標(biāo)準(zhǔn)體系，引導(dǎo)企業(yè)加強(qiáng)自主創(chuàng)新，推動(dòng)我國(guó)智能機(jī)械產(chǎn)業(yè)整體水平的提升。
