從傳感器節(jié)點開始經(jīng)云端，了解工業(yè)4.0

目前工業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型正在全面展開。幾乎每個人都在使用（工業(yè)）物聯(lián)網(wǎng)、智能工廠或信息物理（生產(chǎn)）系統(tǒng)這樣的流行語。在工業(yè)強國之一的德國，它被稱為 Industrie 4.0，而在世界的其他部分則被稱為“工業(yè)4.0”。

然而，似乎沒有人知道它的確切含義——雖然存在各種不同的解釋，但沒有明確的定義。對許多人來說，邁向工業(yè) 4.0 已成為日常生活的一部分，不斷的重復(fù)使得這一概念不再新鮮。盡管數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為頻繁使用的流行語，但對工業(yè)4.0 的理解也毫無幫助。

聚焦于工業(yè) 4.0，尤其是在德國，很多行業(yè)都受政治影響。但其他國家已經(jīng)認識到其對本國經(jīng)濟和競爭力的積極影響，鼓勵它們進一步創(chuàng)新。在這種情況下，政府官員正在推動一種將供應(yīng)商視角和用戶公司視角結(jié)合起來的雙重戰(zhàn)略，主要領(lǐng)域是工業(yè)自動化和機械/制造工程。制造商一方面必須將新的高效智能技術(shù)用于自己的生產(chǎn)過程，另一方面還要將這些技術(shù)和產(chǎn)品投向市場。

相比之下，所有人都同意工業(yè)4.0不僅能推動新技術(shù)和智能產(chǎn)品發(fā)展，而且有助于擴展生產(chǎn)部門。這同時為駕馭現(xiàn)有及新興市場不斷增強的市場動能和復(fù)雜性創(chuàng)造了條件。能在多個領(lǐng)域發(fā)揮作用的公司似乎擁有特別好的起跑位置。

這點尤其適用于半導體行業(yè)中的公司。如 ADI 公司等半導體制造商已經(jīng)在消化這個復(fù)雜的概念，將自己的生產(chǎn)線轉(zhuǎn)變成全自動智能工廠。ADI 公司還向制造業(yè)中的公司提供創(chuàng)新技術(shù)，幫助它們將其制造設(shè)施改造成智能工廠。但是，要開始這種轉(zhuǎn)變，必須認識到它在帶來附加值、提高生產(chǎn)率并相應(yīng)地降低成本的同時，也需要付出大量努力。

工業(yè)4.0不僅意味著生產(chǎn)的變化和技術(shù)的擴張，而且意味著對創(chuàng)新商業(yè)模式的需求在不斷增加。關(guān)于工業(yè) 4.0 已進行廣泛的討論，并有很多不同的解讀，研究結(jié)果大致可以分為三個方面：新技術(shù)、新產(chǎn)品和新商業(yè)模式。所有這三個方面一起涵蓋了生產(chǎn)及其產(chǎn)品的整個價值鏈——從傳感器節(jié)點開始經(jīng)云端再到下游服務(wù)（圖1）。

圖1.當前的信號鏈

通常會有一個含某種形式傳感器或執(zhí)行器的節(jié)點，其同時建立與真實物理世界的聯(lián)系通路。往來這些器件的信號常常相當小，并且是源自高噪聲的惡劣環(huán)境。必須對其進行處理、轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)發(fā)到信號鏈中的下一個鏈路。

由于此信號鏈存在問題，必須改變信號鏈。最初是將純數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，但已有越來越多的?shù)據(jù)處理發(fā)生在節(jié)點上，如圖 2 所示。

圖2.未來的信號鏈

這種數(shù)據(jù)處理需要節(jié)點上具備更高的洞察力和知識——將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息。這種智能檢測技術(shù)可降低整體功耗，減少帶寬浪費，促成反應(yīng)型IIoT到預(yù)測型和實時IIoT的轉(zhuǎn)變。

這就涉及到技術(shù)。許多半導體制造商已將其列為其核心競爭力之一，并且需要不斷改進。

另外，能源效率也發(fā)揮著重要作用。半導體制造商受到鼓勵，不僅利用其專業(yè)知識進一步開發(fā)產(chǎn)品，而且發(fā)展自己的設(shè)計和工藝技術(shù)，因為聯(lián)網(wǎng)是IIoT整體解決方案的重要組成部分。無論有線還是無線，未來對這兩種技術(shù)的需求會越來越多，必須將二者納入解決方案組合中。

如果深入系統(tǒng)層面并專注于垂直細分市場，則可以為客戶提供更完整的系統(tǒng)。就完整硬件平臺而言，節(jié)點可以與相應(yīng)的軟件包一起提供。這可能還包括相關(guān)算法，用來分析節(jié)點中的已有數(shù)據(jù)，最終只將結(jié)果傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)（云端），減少信息的數(shù)據(jù)量。

雖然工業(yè)4.0是一個有意義且重要的話題，但半導體制造商在選擇過程中必須非常小心。整個市場仍處于摸索階段，有必要了解您在什么領(lǐng)域以及如何正確應(yīng)用自己的實力和技術(shù)，以滿足客戶或應(yīng)用的真正需求。

IIoT市場有哪些新需求？

考慮到工業(yè)價值鏈，市場需求在未來將會發(fā)生變化。這就是為什么半導體制造商必須將自己的企業(yè)和產(chǎn)品適應(yīng)智能工廠的現(xiàn)實原因，當然還有其他原因。技術(shù)趨勢正朝著智能和超高效節(jié)能產(chǎn)品以及（如可能）集成安全安保功能和能源采集能力方向發(fā)展。

圖3顯示了這樣一個器件或者說一個完整的系統(tǒng)，其中以 ADI 公司基于 MEMS 的加速度計 ADXL356 為例。

圖3.基于MEMS的智能傳感器解決方案

ADXL356是一款低功耗、低噪聲、3軸加速度計，具有超低失調(diào)漂移。由于其密封封裝，ADXL356特別適合惡劣環(huán)境條件下的精確傾斜測量，以及低功耗或電池供電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的高性能（長時間）測量。這些應(yīng)用需要預(yù)測性維護和狀態(tài)監(jiān)控。兩者均與工業(yè)4.0密切相關(guān)。在這些操作中，必須確定驅(qū)動元件的損壞程度，例如通過執(zhí)行永久或定期振動診斷來確定。

對于此類智能傳感器解決方案，如圖2所示，加速度計是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它通過其他功能實現(xiàn)擴展：利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器以及各種模擬和數(shù)字（部分隔離或無線）接口集成信號處理。無線接口支持以太網(wǎng)、6LoWPAN或WirelessHART等通信標準，具有最高的可靠性。特別是對于后兩種標準，SmartMesh IP?和SmartMesh? WirelessHart等無線通信網(wǎng)絡(luò)提供了非常好的解決方案。前者符合6LoWPAN標準，為每個節(jié)點提供原生IPv6尋址能力，并使傳感器數(shù)據(jù)易于從云端訪問。后者符合針對工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的WirelessHART標準(IEC 62591)，能夠與其他供應(yīng)商的 WirelessHART 設(shè)備進行互操作。兩者均提供極其可靠且安全的數(shù)據(jù)傳輸，采用 AES 128 位端對端加密技術(shù)，最多可擴展至 50,000 個節(jié)點。

最后，在這些系統(tǒng)的開發(fā)過程中不可忽視功能安全。為了能讓安全性成為完整系統(tǒng)解決方案的一部分，半導體制造商還應(yīng)當投資于網(wǎng)絡(luò)安全解決方案(CSS)和加密等技術(shù)。

類似圖3所示的系統(tǒng)帶來的后果是，可用的芯片級標準產(chǎn)品會較少，因為將來可以將其集成在電路板上。標準產(chǎn)品的集成已經(jīng)在硅片上發(fā)生，或置于封裝中成為系統(tǒng)化封裝(SiP)。這意味著制造商必須對芯片級或者至少電路板級以及相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)有深入的了解。這樣，客戶可以更多地關(guān)注自己的應(yīng)用，從而讓自己與競爭對手區(qū)隔開來。

ADI公司之類的供應(yīng)商必須考慮使用或整合來自其他市場的成熟技術(shù)。這可能有助于降低高成本并延長生命周期。其他產(chǎn)品中成功實施技術(shù)的一個例子是MEMS。MEMS技術(shù)過去從未被用于創(chuàng)建加速度計之外的器件，但現(xiàn)在已被用于ADGM1304等超快速開關(guān)。這款集成驅(qū)動器的單刀四擲(SP4T)開關(guān)可在0 Hz/直流至14 GHz的頻率范圍內(nèi)工作，因而是各種射頻應(yīng)用或繼電器替代產(chǎn)品的理想開關(guān)解決方案。

這種技術(shù)組合不僅有助于服務(wù)個別客戶，而且可以幫助制造商進入不同（有時甚至是新的）市場。在很多情況下，制造商的各種技術(shù)可以通過這種方式輕松組合，創(chuàng)建新型高效應(yīng)用。

然而，半導體制造商僅僅擴展其傳感器和其他半導體器件的范圍是不夠的。為了繼續(xù)被視為全球市場參與者，并充分挖掘工業(yè)4.0的潛力，其產(chǎn)品組合也應(yīng)該在通信技術(shù)領(lǐng)域得到拓展。例如，在工業(yè)自動化領(lǐng)域可以清楚地看到向以太網(wǎng)（準確的說是確定性以太網(wǎng)）的轉(zhuǎn)變。出于該原因，ADI公司最近收購了確定性以太網(wǎng)領(lǐng)域的半導體和軟件解決方案供應(yīng)商Innovasic。通過此次收購，ADI公司增加了關(guān)于高度同步網(wǎng)絡(luò)中的魯棒實時連接的專業(yè)技術(shù)，從而利用獨特的軟件解決方案擴展產(chǎn)品組合。因此，即使在數(shù)字化趨勢盛行的當下，許多半導體制造商的目標仍是從模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向垂直系統(tǒng)領(lǐng)域，以提供連接物理與數(shù)字世界的完整系統(tǒng)解決方案。

然而，為了引起客戶對此類系統(tǒng)的興趣，可能有一些因素比較重要。不僅是適當?shù)能浖€包括軟件周圍的工具和合乎需要的生態(tài)系統(tǒng)，這將為客戶創(chuàng)造附加值。因此，未來還需要用于分析所生成數(shù)據(jù)的新服務(wù)和算法。

未來附加值對客戶意味著什么？

如今，客戶的資源越來越多地被引入軟件之中。這對整個半導體行業(yè)來說是一個挑戰(zhàn)，意味著必須向客戶提供更多更高效的開發(fā)工具，而且還要提供培訓機會、文檔和支持；可以是直接提供，通過生態(tài)系統(tǒng)提供，或是通過分銷商提供。

當然，僅僅因為技術(shù)上可行就開發(fā)所有這些具備工業(yè)4.0功能的產(chǎn)品和系統(tǒng)是沒有任何意義的。重要的是必須為客戶帶來顯著的附加值。為了證明購買和運行工業(yè)4.0應(yīng)用所導致的額外成本是正當合理的，必須讓客戶能看到并獲得此附加值。

通常，與客戶相關(guān)的附加值可以歸為以下三大類：

• 通過節(jié)省時間、資源和金錢提高運營效率；

• 通過分析使用數(shù)據(jù)提高客戶滿意度和忠誠度；

• 通過擴展或創(chuàng)新商業(yè)模式創(chuàng)造額外的收入流。

智能產(chǎn)品的成功與附加值能否得到認可直接相關(guān)。這些因素最終決定了所有與實施相關(guān)的技術(shù)和商業(yè)參數(shù)，因此應(yīng)詳細分析。分析的結(jié)果也可能是產(chǎn)品理念在經(jīng)濟上不可行，或至少目前尚不可行。為使開發(fā)更加可行，以及為了更快速、更有效地集成到系統(tǒng)中，來自制造商的支持將會發(fā)揮重要作用。制造商將把他們的專業(yè)知識嵌入客戶的開發(fā)流程中，從而減少客戶需要付出的額外努力和成本。此外，制造商可以繼續(xù)致力于其核心業(yè)務(wù)，無需浪費寶貴的時間去學習新技術(shù)，而合作伙伴和其他協(xié)作方可以幫助推動持續(xù)增長。

雖然工業(yè)4.0有諸多優(yōu)點，但問題是為什么許多企業(yè)尚未投資于智能工廠？

猶豫的原因

主要障礙之一是企業(yè)尚未認識到智能工廠會帶來重大利益，故不愿付出相關(guān)成本。例如，由于缺乏貨幣化評估標準，目前要計算投資回報率(ROI)仍然相當困難。因此，半導體制造商必須提高客戶的意識，提供教育資料以說明智能工廠的優(yōu)勢，同時指出投資智能工廠會獲得的價值。投資對于新技術(shù)和商業(yè)模式，以及開發(fā)和拓展營銷活動、資格認定措施、銷售管理都是必要的。

隨著生產(chǎn)部門的轉(zhuǎn)型，數(shù)據(jù)和IT安全等問題愈來愈重要。這些內(nèi)容不僅僅是成功導入工業(yè)4.0的重要要求，還必須在數(shù)字系統(tǒng)中作為關(guān)鍵的采納和成功因素加以實施。

此外，對于企業(yè)來說，重要的是要在開始實施工業(yè)4.0的早期階段制定基本戰(zhàn)略路線，收集相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗。然而，這個過程需要耐心，因為許多相關(guān)技術(shù)可能要經(jīng)過5年、10年甚至更長時間才能充分展現(xiàn)其潛力。而且，由于缺乏明確的定義，工業(yè) 4.0將于何時完全實現(xiàn)并沒有一個確切日期。與其談?wù)摗肮I(yè)革命”，不如使用“工業(yè)演進”可能更有意義。

隨著生產(chǎn)環(huán)境的改變，新的參與者和競爭者也將出現(xiàn)或影響市場。聯(lián)盟即將出現(xiàn)，并會對塑造生產(chǎn)形象產(chǎn)生重大影響。廠房里的活動對企業(yè)未來的影響將越來越小。另外，軟件和服務(wù)業(yè)也將發(fā)揮重要作用，因為只有將虛擬與現(xiàn)實世界聯(lián)系并融合起來，才能確保制造商實現(xiàn)最大生產(chǎn)潛力。

盡管如此，半導體制造商不應(yīng)忽視其過去已獲成功或現(xiàn)在仍很成功的現(xiàn)有業(yè)務(wù)或產(chǎn)品。這些主要產(chǎn)品應(yīng)該進一步發(fā)展，并通過保持適當?shù)闹圃炷芰υ谖磥砝^續(xù)予以支持。雖然當今的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)非常穩(wěn)定，也將繼續(xù)作為未來的基礎(chǔ)，但基于其基本架構(gòu)進行改進仍有必要。例如，隨著更小尺寸的工藝被用于此類產(chǎn)品，要實現(xiàn)相同甚至更好的性能并不容易。

新市場趨勢下的適度增長

近年來的大型并購案引發(fā)了半導體市場的整合。銷售和分銷從器件轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。要在未來取得成功，個人或公司必須認識到工業(yè)4.0中的顛覆性技術(shù)和新市場的潛力，從而重新找準定位。企業(yè)必須持續(xù)利用好半導體行業(yè)的少數(shù)幾個有機增長源。遺憾的是，半導體行業(yè)年銷售額增長30%至40%的輝煌已成往事，現(xiàn)在這種增長率似乎已經(jīng)結(jié)束。2015至2020年間，年均增長率預(yù)計只有3.4%。企業(yè)必須思考以下基本戰(zhàn)略問題：未來增長將源自何方？

以下增長來源可能至關(guān)重要：由碳化硅(SiC)制成的功率半導體目前被視為未來產(chǎn)品的新增長源。與普通硅制半導體產(chǎn)品相比，碳化硅產(chǎn)品速度更快、更魯棒、效率更高，因而被認為是顛覆市場的技術(shù)。由于對混合動力和電動汽車以及再生發(fā)電和某些工業(yè)應(yīng)用的需求不斷增長，SiC及其姊妹技術(shù)——氮化鎵 (GaN)技術(shù)——在未來幾年將占據(jù)主導地位。

結(jié)論

作為更大的物聯(lián)網(wǎng)（也被稱為“萬物互聯(lián)”）的一部分，工業(yè) 4.0 擁有巨大的潛力。在未來幾十年中，其市場價值預(yù)計在萬億級范圍。在工業(yè) 4.0 的幫助下，任何能夠提高生產(chǎn)力的東西都會讓不同規(guī)模的公司產(chǎn)生濃厚興趣。

為了充分發(fā)掘物聯(lián)網(wǎng)市場的全部潛力，需要的不僅僅是硬件。我們需要的是一個由硬件、軟件和服務(wù)組成的生態(tài)系統(tǒng)。這種新環(huán)境鼓勵小型靈活的公司與大公司開展合作。

但是，半導體制造商不應(yīng)忽視當前趨勢和工業(yè)4.0熱潮之外的發(fā)展。有些技術(shù)傳統(tǒng)上屬于某個市場，但最終也會影響其他市場，比如5G。傳統(tǒng)上，5G是用于移動設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的通信技術(shù)。但在未來，推動5G需求的市場之一將是汽車市場。與其他系統(tǒng)的通信對于自動駕駛尤為重要。每輛車都成為一個復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的一部分，其中通信起著關(guān)鍵作用。除了汽車之間的數(shù)據(jù)交換以外，這個生態(tài)系統(tǒng)還包括路邊基礎(chǔ)設(shè)施、5G網(wǎng)絡(luò)和大型數(shù)據(jù)中心。此外，車輛依靠攝像頭、激光雷達、雷達等傳感器來獲取有關(guān)環(huán)境的必要信息。整個通信系統(tǒng)必須協(xié)同工作。鑒于自動駕駛需要以更高速度、更低延遲和超強可靠性處理大量數(shù)據(jù)，5G似乎是目前最有前途的通信標準。

總之，工業(yè)4.0智能工廠的轉(zhuǎn)型以及其所需的技術(shù)，為半導體制造商創(chuàng)造了巨大的可能和成功。