機(jī)器人芯片發(fā)展趨勢(shì)——用強(qiáng)大底層芯片能力加速機(jī)器人行業(yè)革新

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求牽引之下，全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)持續(xù)蓬勃發(fā)展，根據(jù)IFR數(shù)據(jù)，2022年全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將突破500億美元，其中工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)達(dá)到195億，服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)達(dá)到217億美元，特種機(jī)器人市場(chǎng)達(dá)到100億美元。預(yù)計(jì)到2024年，全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將突破650億美元。
在市場(chǎng)形勢(shì)利好的背景下，全球機(jī)器人的基礎(chǔ)技術(shù)和前沿技術(shù)也在不斷進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)在更加強(qiáng)調(diào)核心零部件的自主研發(fā)與優(yōu)化、機(jī)器人核心軟硬件平臺(tái)的開發(fā)、前沿技術(shù)的融合等。

本文以更貼近上游半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的視角來看一看機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

2D到3D，火熱的機(jī)器視覺與更強(qiáng)大的視覺處理平臺(tái)

機(jī)器視覺的火熱有目共睹，根據(jù)中國機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)據(jù)，我國機(jī)器視覺行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模增速也很快，2020年市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)144億元。在我國機(jī)器視覺行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長下，2022年機(jī)器視覺行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模有望突破230億元。

最大的趨勢(shì)來自3D視覺技術(shù)的突破，進(jìn)一步推動(dòng)視覺技術(shù)在高端機(jī)器人場(chǎng)景的應(yīng)用，傳統(tǒng)的2D機(jī)器視覺正快速向3D機(jī)器視覺升級(jí)。目前市面上3D處理方案不算多，比較常用的是用英特爾一整套SoC或者視覺處理平臺(tái)來做。英特爾處理器加FPGA，搭載OpenVINO工具套件和oneAPI，這種視覺平臺(tái)支持面陣的3D相機(jī)，處理三維位置信息，搭載的oneAPI能優(yōu)化算子提高算法速度降低計(jì)算延遲，OpenVINO通過AI計(jì)算對(duì)視覺信息給出補(bǔ)償。在這一塊上***視覺廠商競(jìng)爭(zhēng)力也逐步提升，全志科技，肇觀電子、瑞芯微視覺芯片產(chǎn)品在國內(nèi)機(jī)器人市場(chǎng)也占有相當(dāng)高的比重。

另一趨勢(shì)則是嵌入式系統(tǒng)和機(jī)器視覺兩種技術(shù)整合后獨(dú)立完成從接收光信號(hào)到系統(tǒng)輸出的整個(gè)信號(hào)處理過程。依賴于視覺處理SoC處理能力、存儲(chǔ)器密度和系統(tǒng)集成度的提升，嵌入式視覺將被更廣泛地應(yīng)用在機(jī)器人領(lǐng)域。

5G+AI，推動(dòng)機(jī)器人創(chuàng)新

5G與AI在機(jī)器人行業(yè)也說了很多年，今年高通發(fā)布的RB6機(jī)器人平臺(tái)讓業(yè)內(nèi)人士見到了在5G和AI的加持下，機(jī)器人展現(xiàn)出的強(qiáng)大實(shí)力。高通機(jī)器人RB6平臺(tái)融合了增強(qiáng)后的高通AI引擎和5G功能，在全球主流網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)和專網(wǎng)中支持Sub-6GHz和毫米波頻段。平臺(tái)靈活的架構(gòu)可通過擴(kuò)展卡支持不斷演進(jìn)的連接特性，包括通過擴(kuò)展卡讓高通機(jī)器人RB6平臺(tái)在未來支持3GPP Release 15、 16、17和18特性。該平臺(tái)通過增強(qiáng)的高通AI引擎帶來頂級(jí)的邊緣AI和視頻處理功能，支持每秒70至200萬億次運(yùn)算。

機(jī)器人前端與中心的實(shí)時(shí)交互在5G高帶寬支持下，許多原本需要本地運(yùn)行的AI算法得以移植到后臺(tái)云端，大大降低前端機(jī)器人運(yùn)算負(fù)荷量。在運(yùn)算減負(fù)的同時(shí)，機(jī)器人還可以增加更多的傳感器，提升多維感知能力；另外，在5G的加持下，機(jī)器人感知的龐大數(shù)據(jù)得以實(shí)時(shí)回傳到運(yùn)算中心，借助后臺(tái)的龐大算力，可提供更迅速、更精準(zhǔn)、更全面的AI分析，提高柔性能力。

機(jī)器人MCU往M7與異構(gòu)架構(gòu)發(fā)展

MCU是機(jī)器人核心主控芯片中的第一大類別，小型機(jī)器人看重MCU的成本與功耗，通用型機(jī)器人看重MCU精準(zhǔn)的電機(jī)控制，高端機(jī)器人更需要MCU兼顧算力與拓展性。去年，電子發(fā)燒友網(wǎng)與眾多國產(chǎn)MCU廠商就機(jī)器人應(yīng)用展開了交流，從獲得信息來看，各廠商在機(jī)器人MCU的布局上有往M7內(nèi)核或者異構(gòu)架構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)。

例如，靈動(dòng)微電子在機(jī)器人行業(yè)布局上正在規(guī)劃的MCU+MPU架構(gòu)芯片，同時(shí)也會(huì)開發(fā)一些新的IP來取代FPGA在伺服領(lǐng)域的作用；極海半導(dǎo)體則采用的是MCU+FPGA異構(gòu)架構(gòu)，MCU負(fù)責(zé)通訊處理、系統(tǒng)母線監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互界面驅(qū)動(dòng)等功能，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)邏輯處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。

M7內(nèi)核MCU也是眾多廠商在布局的，用以滿足高端領(lǐng)域機(jī)器人市場(chǎng)的多元化應(yīng)用需求，這一趨勢(shì)和目前國內(nèi)機(jī)器人市場(chǎng)MCU競(jìng)爭(zhēng)格局息息相關(guān)。目前除了少部分高端機(jī)器人市場(chǎng)國產(chǎn)MCU競(jìng)爭(zhēng)力還有待提高，在其他機(jī)器人市場(chǎng)上，***已經(jīng)和國外芯片進(jìn)行著全面競(jìng)爭(zhēng)。國產(chǎn)廠商布局M7內(nèi)核也是為了提高在高端機(jī)器人市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著各MCU廠商M7內(nèi)核的高速運(yùn)控MCU或是M7內(nèi)核的異構(gòu)架構(gòu)芯片問世，高端機(jī)器人領(lǐng)域MCU的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)更加激烈。

FPGA以SoM硬件組合加速機(jī)器人開發(fā)

FPGA應(yīng)用在機(jī)器人控制器里已經(jīng)很多年了，目前FPGA性能用在常規(guī)的機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)、控制性能可以說是過剩的。為了充分挖掘FPGA在機(jī)器人行業(yè)里的可能，F(xiàn)PGA廠商正在從用FPGA實(shí)現(xiàn)局部性能優(yōu)化（伺服驅(qū)動(dòng)器、機(jī)器視覺）向?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化轉(zhuǎn)變。

為了將FPGA在機(jī)器人行業(yè)深入應(yīng)用，很多FPGA廠商以SoM硬件組合的形式將產(chǎn)品推向機(jī)器人市場(chǎng)，加速機(jī)器人開發(fā)并優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)。比如成名已久的AMD Xilinx的Kria SoM，Kira SOM硬件組合提供低延遲（快速計(jì)算）、確定性（可預(yù)測(cè)）、實(shí)時(shí)（準(zhǔn)時(shí)）、安全性和高吞吐量的徹底硬件加速，將自適應(yīng)算力帶向了機(jī)器人開發(fā)者，Kira SOM硬件組合還專門為了機(jī)器人應(yīng)用對(duì)ROS2做了自適應(yīng)計(jì)算適配。今年瑞薩、易靈思發(fā)布的ProMe SoM在功耗、尺寸、生態(tài)以及柔軟度上也做了更好的優(yōu)化和設(shè)計(jì)，工程師僅需要根據(jù)自身需求在主板上定義所需的接口即可。目前FPGA廠商很青睞于以System on Module這種形式打入機(jī)器人系統(tǒng)，不單單實(shí)現(xiàn)視頻處理、智能傳感、機(jī)器視覺等應(yīng)用局部性能優(yōu)化，更是從機(jī)器人整體架構(gòu)出發(fā)進(jìn)行系統(tǒng)性優(yōu)化。

寫在最后

半導(dǎo)體企業(yè)憑借強(qiáng)大底層芯片能力加速了機(jī)器人的創(chuàng)新升級(jí)與市場(chǎng)發(fā)展。芯片與底層智能平臺(tái)已成為提升機(jī)器人價(jià)值的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，全球各半導(dǎo)體企業(yè)正在通過筑建更高性能的機(jī)器人底層軟硬件平臺(tái)，為機(jī)器人行業(yè)帶來新變革。