TSN芯片，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)OT與IT融合的加速器

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/周凱揚(yáng)）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合的基礎(chǔ)設(shè)施，是實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、系統(tǒng)以及OT&IT互聯(lián)互通的關(guān)鍵要素。而當(dāng)下工業(yè)業(yè)務(wù)中的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制、控制器通信、移動(dòng)機(jī)器人、海量傳感器連接等，早已對(duì)時(shí)延、抖動(dòng)和傳輸時(shí)間提出了極高的要求，工業(yè)數(shù)字孿生和工業(yè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新業(yè)務(wù)更是將這些要求再度翻倍。

所以在以太網(wǎng)占據(jù)主導(dǎo)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接方式的前提下，TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)被提出，該技術(shù)基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)架構(gòu)，以精準(zhǔn)的時(shí)鐘同步能力、確定性流量調(diào)度能力以及智能開放的運(yùn)維管理架構(gòu)，成了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的首選網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一。為此，過去以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)芯片開發(fā)為主的廠商們，近年來也紛紛轉(zhuǎn)戰(zhàn)TSN技術(shù)，推出了相關(guān)的TSN工業(yè)以太網(wǎng)芯片。

瑞薩

考慮到傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并不支持TSN技術(shù)，包括終端、網(wǎng)關(guān)等都需要更新，對(duì)已有系統(tǒng)的迭代來說會(huì)造成不小的成本挑戰(zhàn)。為了解決向現(xiàn)有系統(tǒng)添加TSN工業(yè)以太網(wǎng)，而不對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大幅改動(dòng)的問題，瑞薩電子推出了適用于工業(yè)以太網(wǎng)通信和TSN的RZ/N2L微處理器。

RZ/N2L MPU / 瑞薩

該MPU作為RZ系列的高端產(chǎn)品，基于ArmCortex-R52打造，不僅搭載了支持TSN的三端口千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，還有EtherCAT從控制器，并支持PROFINET、OPC UA等主要工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

這些實(shí)時(shí)協(xié)議均由ArmCortex-R52負(fù)責(zé)管理，在400MHz主頻和超大片上內(nèi)存的支持下，可以直接獨(dú)立于應(yīng)用CPU執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)處理。再加上直接與主機(jī)CPU相連的高速接口，這樣也就無需對(duì)現(xiàn)有的應(yīng)用軟件進(jìn)行改動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)TSN的支持。

借助RZ/N2L，客戶可以迅速為現(xiàn)有工業(yè)設(shè)備提供TSN支持。瑞薩也基于RZ/N2L打造了工業(yè)市場備受青睞的郵票式MPU模組系統(tǒng)，客戶可自行在這一獲驗(yàn)證系統(tǒng)周圍構(gòu)建外圍設(shè)備，從而降低TTM、開發(fā)成本與風(fēng)險(xiǎn)。

Microchip

針對(duì)更為復(fù)雜的交換需求，Microchip也推出了TSN以太網(wǎng)交換機(jī)IC LAN9668，工規(guī)版本為LAN9668-I/9MX。該交換機(jī)采用集成了兩個(gè)10/100/1000BASE-T PHY和一個(gè)600MHz的ArmCortex-A7 CPU子系統(tǒng)，且擁有8個(gè)以太網(wǎng)端口。

LAN9668交換機(jī)IC / Microchip

在此之前，Microchip也發(fā)布了支持TSN的四端口以太網(wǎng)PHY收發(fā)器LAN8814，與LAN9668結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)、流保留、保護(hù)和管理等一系列功能。在支持單一、可擴(kuò)展的TSN芯片組標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，提供最低的延遲和端到端的通信流量傳輸，減少開發(fā)時(shí)間與成本。

與此同時(shí)，Microchip也提供了IStaX VSC6817SDK這一Linux應(yīng)用軟件，開發(fā)者可以借助GUI、CLI、SNMP和JSON RPC等手段對(duì)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行管理，除了支持QCL和ACL之類的先進(jìn)L2交換功能外，還有IEEE 1588中的各種TSN特性。

雖然目前在TSN相關(guān)芯片的供應(yīng)上，還是以海外廠商主導(dǎo)，其實(shí)這并不僅限于TSN網(wǎng)絡(luò)芯片，整個(gè)以太網(wǎng)芯片市場也是如此。但近來國產(chǎn)廠商也已經(jīng)開始發(fā)力。比如為了發(fā)展國內(nèi)的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，篩選國內(nèi)的優(yōu)質(zhì)TSN供應(yīng)商，加速該技術(shù)的普及和落地，2020年，中國信息通信研究院牽頭國內(nèi)30多家產(chǎn)學(xué)研單位，共同啟動(dòng)了“時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）產(chǎn)業(yè)鏈名錄”。該名錄中包括芯片模組、交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)、端設(shè)備和控制器等多種TSN設(shè)備。

東土科技

去年8月，東土科技的KD6530芯片也通過了“時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）產(chǎn)業(yè)鏈名錄計(jì)劃”中的芯片模組類測(cè)試，成了首款進(jìn)入該名錄的TSN芯片，這也是國內(nèi)首款全流程自主可控的TSN交換芯片。KD6530選擇了雙核ARC HS48FS的CPU設(shè)計(jì)，最高主頻達(dá)到1GHz，且擁有32G的交換容量。

KD6530 TSN通用轉(zhuǎn)發(fā)芯片/ 東土科技

KD6530提供1個(gè)集成了PHY的100Base-TX接口、12個(gè)SGMII/1000Base-X接口、2個(gè)10GBase-X接口、6個(gè)CAN2.0/FD接口和6個(gè)LIN接口，最大支持1.6G的速率。由于支持TSN中的IEEE 802.1AS協(xié)議、IEEE 802.1Qbv與Qbu協(xié)議，KD6530提供高精度的時(shí)間同步，誤差范圍在±100ns內(nèi)，關(guān)鍵數(shù)據(jù)可保證μs級(jí)別的延遲和ns級(jí)別的抖動(dòng)。

東土科技基于該芯片，打造了TSN交換機(jī)、時(shí)鐘源和控制器等產(chǎn)品。據(jù)了解，該芯片已經(jīng)應(yīng)用于壓鑄鋅合金智能打磨拋光裝備，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)高精度ODG六關(guān)節(jié)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制。在東土科技提供的KD6530方案下，該應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了極低延遲與抖動(dòng)的確定性服務(wù)。

昆高新芯

國內(nèi)另外一家專注網(wǎng)絡(luò)芯片開發(fā)的公司昆高新芯，同樣投入了TSN網(wǎng)絡(luò)芯片的開發(fā)。從其官網(wǎng)的產(chǎn)品信息來看，在工業(yè)TSN網(wǎng)絡(luò)芯片上，昆高新芯目前有TSN交換芯片KG65XXI系列和KG5XXXI系列。

KG65XXI內(nèi)置4 RISC-V內(nèi)核的CPU，可以與外置CPU協(xié)同使用，支持常規(guī)的L2、L3交換功能，以及TSN/AVB功能。不過目前該芯片的具體規(guī)格尚未確定，比如1G與10G接口的數(shù)量。

而KG5XXXI這一TSN網(wǎng)關(guān)芯片系列，同樣采用了4 RISC-V內(nèi)核CPU的設(shè)計(jì)，可接入70個(gè)節(jié)點(diǎn)。KG5XXXI支持以太網(wǎng)/IP、ETHERCAT、PROFINET這三大主流工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議棧，也提供對(duì)CAN、RS485、FF、HARP-IP與MODBUS的支持。

從上一次融資公開的情報(bào)來看，昆高新芯已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了TSN交換芯片的成功流片和測(cè)試，即將進(jìn)入量產(chǎn)階段，且已經(jīng)和車廠、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)廠商等客戶建立了合作關(guān)系。昆高新芯的網(wǎng)絡(luò)芯片值得關(guān)注的一大特色是，其表示旗下芯片產(chǎn)品都內(nèi)置了國密安全算法，且核心IP都是有自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的，所以是徹頭徹尾的“中國芯”產(chǎn)品。

寫在最后

對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來說，TSN以太網(wǎng)可以說是工業(yè)4.0和IIoT的啟動(dòng)器，也為云端到工廠的垂直集成提供了可能。與此同時(shí)，隨著5G在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的部署加快，5G+TSN的融合也已經(jīng)提上日程，無論是拼接、分段還是橋接，都將進(jìn)一步加快TSN在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上的靈活落地。

此外，TSN帶來的確定性和魯棒性優(yōu)勢(shì)，也對(duì)工廠之外的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供了足夠的吸引力，比如車載網(wǎng)絡(luò)、鐵路網(wǎng)絡(luò)、電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)等。這些環(huán)境對(duì)于通信質(zhì)量和安全性的要求高，和智慧工廠一樣，也是如今TSN技術(shù)主要的發(fā)力點(diǎn)所在。