眾所周知，工控自動化的發(fā)展,，背靠信息技術(shù),、計算機技術(shù)及通信技術(shù)的三者融合，也離不開電力電子元器件的持續(xù)迭代,。同時,，還有三大支柱產(chǎn)業(yè)支撐著現(xiàn)代工業(yè)自動化,，分別是工業(yè)機器人、PLC,、CAD/CAM,。由此，我們談到工業(yè)控制,，可以聯(lián)系到無數(shù)相關(guān)的軟硬件及系統(tǒng)解決方案,，甚至電子元器件。那么其中有哪些關(guān)鍵的元素,，在工業(yè)控制系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用,？

　　工業(yè)控制系統(tǒng)中

　　發(fā)揮重要作用的核心半導(dǎo)體技術(shù)

　　工業(yè)控制主要是通過電力電子、儀器儀表測量和信息通訊等技術(shù)對工業(yè)生產(chǎn)過程進行檢測與控制,，從而在保證準(zhǔn)確性的同時,，提高生產(chǎn)效率。集成電路被喻為現(xiàn)代工業(yè)的“糧食”,，在工控設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用主要有儀器儀表,、系統(tǒng)控制類、電機控制類和工業(yè)電腦類等,，涉及的集成電路產(chǎn)品有MCU（微控制器）,、嵌入式存儲芯片、MOS邏輯器件以及電源電路等等,。因而半導(dǎo)體技術(shù)之于工業(yè)控制系統(tǒng)的重要性,，可見一斑。也正是這些核心半導(dǎo)體技術(shù),，構(gòu)成了后續(xù)產(chǎn)品高附加值的底層邏輯,。

　　意法半導(dǎo)體功率模擬市場部工業(yè)技術(shù)市場經(jīng)理——姚春雷認(rèn)為，有多項半導(dǎo)體技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用,，包括嵌入式AI,、VIPower和BCD等技術(shù)。

　　嵌入式AI的技術(shù)原理是通過STM32Cube. AI和NanoEdge AI Studio等軟件,，讓AI技術(shù)在MCU及傳感器上部署運行,。通過嵌入式AI技術(shù)，工程師可以把訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)部署到各種STM32 MCU上,，從而通過人工智能來促進工業(yè)自動化系統(tǒng)從集中式向分布式轉(zhuǎn)型,。

　　VIPower? 縱向智能功率，是意法半導(dǎo)體開發(fā)的一項功率器件制造技術(shù),，自1991年開始投產(chǎn)至今,，依然在工控系統(tǒng)中發(fā)揮著光和熱。VIPower 技術(shù)為中/高功率工業(yè)設(shè)備帶來功率控制,、保護和診斷功能,。該技術(shù)在單片集成縱向雙擴散MOS功率器件及其溫度傳感器和電流傳感器,、CMOS晶體管和高壓元器件，用于設(shè)計功率模擬混合信號集成電路,。在最新一代VIPower技術(shù)中,， TrenchFET溝槽效應(yīng)功率管與以前的DMOS結(jié)構(gòu)相比，又將Ron導(dǎo)通電阻降低了35%,，從而降低工業(yè)自動化模塊的耗散功率,。

　　BCD是意法半導(dǎo)體開發(fā)的一項功率芯片制造技術(shù)，包含了一系列硅半導(dǎo)體制造工藝,，每種工藝都在一顆芯片上集成了三種不同技術(shù)的優(yōu)勢,。這三種不同的技術(shù)分別是用于設(shè)計精確模擬功能的雙極晶體管，設(shè)計數(shù)字電路的CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管,，設(shè)計電源和高壓元件的DMOS(雙擴散金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管,。與分立器件相比，單片集成這些技術(shù)有許多優(yōu)勢,，其中包括可靠性更高,、電磁干擾更低、芯片面積更小,。該技術(shù)在2021年5月還獲得了IEEE的里程碑獎,。

　　在國民技術(shù)市場總監(jiān)劉杰文看來，新材料和工藝技術(shù)等半導(dǎo)體核心技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用,。一方面,，隨著第三代半導(dǎo)體材料的興起，以碳化硅,、氮化鎵為代表新材料,，具有高導(dǎo)熱率、高擊穿場強,、高飽和電子漂移速率等特點,，使得能源轉(zhuǎn)化更加的高效。另一方面,，半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝越來越先進,，由原來的250nm演變到今天的7nm、5nm技術(shù),，伴隨工藝提高所帶來的好處是，所生產(chǎn)的芯片在性能上大幅度提升的同時,，芯片集成度更高,，能耗更小，并且進一步提升工業(yè)控制精度,，增強工控系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。

　　近年來,，國產(chǎn)芯片廠商都在基于最先進的材料以及工藝開發(fā)產(chǎn)品，例如國民技術(shù)率先在40nm及更高工藝技術(shù)上進行32位MCU產(chǎn)品規(guī)劃及開發(fā),，大大提升芯片運算能力和系統(tǒng)集成度,，以滿足工業(yè)控制系統(tǒng)革新的需求。

　　靈動微電子產(chǎn)品市場總監(jiān)王維認(rèn)為,，MCU/MPU,、功率器件和高性能信號鏈半導(dǎo)體產(chǎn)品是工業(yè)控制系統(tǒng)的重要組成部分。對于MCU而言,，其技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的8/16bit MCU轉(zhuǎn)向32bit,，并要求更高性能。同時,，隨著工業(yè)4.0的深入,，對MCU的要求不僅在于實時控制功能，也要求MCU具備一定的算力,，來應(yīng)對智能工業(yè)的挑戰(zhàn),。

　　關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用場景及價值表現(xiàn)

　　在工業(yè)領(lǐng)域，當(dāng)原本在中央控制器完成的分析下移到傳感器和控制系統(tǒng)附近時,，人工智能可實現(xiàn)更高效的端到端解決方案,。利用MCU的先進的控制能力和算力，這種分布式自動化方法可大大降低數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求和中央控制器算力要求,。人工智能還有助于提高現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通信的實時能力,，因為現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)先分析，服務(wù)提供商得到的是數(shù)據(jù)解析程度更高的數(shù)據(jù),。（現(xiàn)場總線指工業(yè)環(huán)境中常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）

　　VIPower技術(shù)則特別適合應(yīng)用于自動化控制器中來控制各種執(zhí)行器,、繼電器、電機,、燈具,、閥門、電泵,、接觸器,，以及任何需要自動化控制及需要電流保護功能的電力負(fù)載。這主要是因為VIPower器件與標(biāo)準(zhǔn)分立式功率MOSFET一樣,，襯底成為芯片上集成到的多個功率MOSFET晶體管的公共端子(漏極),，而MOSFET又通常用作控制系統(tǒng)電源和負(fù)載之間的開關(guān)。

　　在表現(xiàn)上,，VIPower的Ron導(dǎo)通電阻較低,，可以有效降低工業(yè)自動化模塊的耗散功率，并提高魯棒性和可靠性；另外,，該技術(shù)還可提供附加的預(yù)測性維護功能（包括過溫,，過流，欠電壓報警和關(guān)閉狀態(tài)下負(fù)載開路檢測功能）,。

　　BCD技術(shù)廣泛應(yīng)用于電源管理,、模擬數(shù)據(jù)采集和電執(zhí)行器。開發(fā)高密度BCD技術(shù)的原因正是市場需要在同一芯片上集成越來越復(fù)雜和多樣化的功能,，并在所有類型的應(yīng)用環(huán)境中保證高質(zhì)量和可靠性,。尤其是在工業(yè)控制系統(tǒng)中，BCD技術(shù)的應(yīng)用,，一方面能通過增加電流隔離,，增強 PLC 模塊之間的通訊安全性以及可靠性；另一方面,，也可以開發(fā)緊湊封裝,，減少 PLC 模塊尺寸。

　　國民技術(shù)的N32G45x系列MCU在工業(yè)中最為典型的應(yīng)用便是伺服控制器,，其對于主控制器的高速運算,，實時控制，高速模擬采樣,，工業(yè)通訊總線和可靠性等方面都有著非常高的要求,。

　　同時，國民技術(shù)正在基于最為先進的Arm Cortex-M7內(nèi)核,，使用最新工藝平臺打造集超高性能,、高集成度、支持新一代工業(yè)總線和先進電機控制算法等優(yōu)勢技術(shù)特性于一體的MCU系列產(chǎn)品,。MCU產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)的提升,，使得工業(yè)控制應(yīng)用的控制精度，響應(yīng)速度,，轉(zhuǎn)換效率等都有非常大的提高,，并且更加智能化。

　　在王維看來,，工業(yè)控制系統(tǒng)可以分成幾個類別：最底層是傳感和執(zhí)行,，其功能是快速和有效地執(zhí)行控制，在輸入輸出方面對MCU有一定的要求,，如高精度ADC,，有些場合需要低功耗，以及對執(zhí)行部件的控制驅(qū)動,；中間層是驅(qū)動,，包括驅(qū)動控制和顯示控制,，需要MCU具備一定的算力，豐富的接口能在系統(tǒng)中與多種外部執(zhí)行模塊連接,，并且完成對多個電機的控制，實現(xiàn)復(fù)雜電機算法,；最上層是控制層,，通過高級總線技術(shù)和下層連接并與云端做交互，需要MCU具有較高的算力,，特別是DSP的能力,。

　　中短期內(nèi)

　　工控領(lǐng)域的半導(dǎo)體技術(shù)的走向

　　姚春雷表示，新一代VIPower技術(shù)將改進封裝緊湊性,、分布式智能,、深度診斷等功能，從而促進下一代智能工廠發(fā)展,。工況監(jiān)測和預(yù)測性維護是半導(dǎo)體最重要的工業(yè)應(yīng)用之一,，創(chuàng)建預(yù)測性維護應(yīng)用也將通過各種技術(shù)和解決方案來實現(xiàn)，包括嵌入式AI,、VIPower診斷功能,、工業(yè)MEMS傳感器、IO Link和無線通信解決方案等,。

　　伴隨著工業(yè)4.0的進展加快,，工控領(lǐng)域加速在向自動化和數(shù)據(jù)化方向上轉(zhuǎn)型，尤其是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方向上依然有巨大的發(fā)展空間,。伴隨國產(chǎn)芯片的崛起,，背后的傳感器、主控制器,、功率器件,、工業(yè)總線和工控系統(tǒng)等方面的產(chǎn)品技術(shù)不斷取得新的突破，也支撐著我國新一代工業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展,，實現(xiàn)中國工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的自主研發(fā)和國產(chǎn)化的目標(biāo),。

　　王維認(rèn)為，在MCU領(lǐng)域,，主要的突破性進展會出現(xiàn)在高算力,、高精度ADC和更多符合工控要求的模擬和工業(yè)總線功能。

　　結(jié)語

　　通過對比國內(nèi)外芯片廠商的企業(yè)代表對于不同半導(dǎo)體技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的觀點,，可知意法半導(dǎo)體的關(guān)注點較廣,，包括結(jié)合軟件技術(shù)、優(yōu)化制造技術(shù)等,，以及在多項技術(shù)的共同作用下,，達(dá)到提高可靠性,、降低電磁干擾、減小芯片面積等目的,。

　　國民技術(shù)關(guān)注新材料,、工藝技術(shù)，企業(yè)本身主要還是通過先進的工藝技術(shù)來提升芯片的集成度,，降低能耗,，提高控制精度，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性,。靈動微電子的側(cè)重點則基本圍繞MCU,，其產(chǎn)品逐步轉(zhuǎn)向更高的位數(shù)，追求更高的性能,。

　　這從側(cè)面也反映了國際頭部芯片企業(yè)在產(chǎn)品性能,、技術(shù)多樣性、技術(shù)儲備等方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢,，這些優(yōu)勢交織在一起為下游客戶能提供更高的附加值,，從而使產(chǎn)品能夠攫取更多的利潤。反觀國內(nèi)芯片企業(yè),，主要發(fā)力點依然還在性能方面,，即使關(guān)注點有所放開，有時候也有些力不足,，但這是國內(nèi)芯片企業(yè)成長與追趕的必經(jīng)之路,。