到2028年,，全球工業(yè)4.0市場規(guī)模預計將超過2790億美元，復合年增長率為16.3%,。雖然開發(fā)商和制造商對這種高速增長已經(jīng)習以為常,，但其影響才剛剛開始顯現(xiàn),。通過結合云計算,、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和人工智能（AI）的能力,，工業(yè)4.0將在未來幾年繼續(xù)提升制造業(yè)的數(shù)字化、自動化和互連計算水平,，推動更多企業(yè)擁抱第四次工業(yè)革命,。

　　隨著工業(yè)4.0的加速發(fā)展，許多工業(yè)標準和流程將發(fā)生變化,，因為許多工業(yè)系統(tǒng)需要先進的計算引擎和多種類型的現(xiàn)代連接標準,，包括工業(yè)以太網(wǎng)、Wi-Fi和5G,。此外,，人們越來越關注更先進的軟件工具和應用，如預測性維護,、功能安全,、機器人自動化等等。

　　反過來,，制造商需要先進的技術來驅(qū)動互連,、高效數(shù)據(jù)處理,、系統(tǒng)和服務優(yōu)化,，同時保持彈性安全性。現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）憑借自身得可編程性,、高性能,、低功耗和安全特性，正迅速成為開發(fā)人員滿足這些需求并跟上工業(yè)4.0革命步伐的首選工具,。

　　工業(yè)標準一覽

　　隨著工業(yè)4.0的發(fā)展,，一些標準（如OPC統(tǒng)一架構（OPC-UA）和時間敏感網(wǎng)絡（TSN））正在合并，從而更好地聚合和縮放每天生成的海量新數(shù)據(jù),。作為一種機器間通信協(xié)議,，OPC-UA提供了一個安全的、獨立于平臺的,、面向服務的架構,。當與TSN出色的實時功能相結合時，OPC-UA就成了在不中斷運營或安全性的情況下為制造商提供持續(xù)的洞察力和數(shù)據(jù)流的關鍵框架。

　　由于標準的合并,，開發(fā)人員需要高度專業(yè)化的技術來實施OPC-UA和TSN框架,，并讓制造商符合新法規(guī)要求，保證持續(xù)發(fā)展,。為了滿足這些需求,，萊迪思提供了針對特定應用的FPGA解決方案，如萊迪思Automate?解決方案集合,，該解決方案支持OPC-UA和TSN,，為客戶提供全新的工廠自動化和工業(yè)機器視覺功能。萊迪思還致力于OPC-UA遷移,，于2022年3月加入OPC基金會,，在Lattice Insights官方培訓平臺上提供OPC-UA模塊課程。該官方培訓門戶旨在幫助系統(tǒng)和應用設計人員最大限度地提高其FPGA設計體驗,。

　　利用FPGA推進工業(yè)4.0應用

　　除了幫助制造商應對不斷發(fā)展的法規(guī)和標準外,，F(xiàn)PGA還支持低功耗、可靠和安全的工業(yè)應用開發(fā),，如機器人,、嵌入式實時網(wǎng)絡、預測性維護,、功能安全和系統(tǒng)安全,。

　　機器人

　　采用工業(yè)4.0應用助力智能機器人，大大提高了工廠和倉庫的自動化水平,。隨著工廠加快集成這些自主機器人,，眾多傳感器、攝像頭和電機產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)推動了對推理和智能的需求,。FPGA具有并行處理功能,，有助于聚合傳感器和攝像頭數(shù)據(jù)并快速分析大量信息。CPU一次只能處理一批數(shù)據(jù),，而FPGA可以同時整合和處理多個功能,。

　　FPGA可以通過并行處理同時監(jiān)控多條通信總線，使開發(fā)人員能夠跨各種連接類型工作,，并快速安全地將更多數(shù)據(jù)引入流水線,。例如，在汽車制造中,，F(xiàn)PGA可以組合或多路復用來自多個高分辨率攝像頭的信號,，然后在這些信號到達SoC時將這些信號拆分。

　　嵌入式實時網(wǎng)絡

　　隨著連接設備的數(shù)量遠超以往,，嵌入式實時網(wǎng)絡確保機器,、傳感器和攝像頭可以實時通信和交換數(shù)據(jù)。在工業(yè)4.0中，這意味著監(jiān)控,、控制和制造流程優(yōu)化可以實現(xiàn)無縫通信和數(shù)據(jù)交換,。

　　FPGA對于實現(xiàn)實時網(wǎng)絡至關重要，因為它們能夠以低延遲和穩(wěn)定的方式執(zhí)行信號處理和分析,。對于制造業(yè)中的實時應用,，這種低延遲和確定性對于工廠車間始終在線的功能和運營至關重要。

　　預測性維護

　　隨著工業(yè)4.0的發(fā)展,，預測性維護功能也隨著物聯(lián)網(wǎng)設備,、云計算和高級分析的集成而不斷發(fā)展。預測性維護使用數(shù)據(jù)分析,、傳感器和機器學習,，實時監(jiān)控設備運行狀況、提高預測準確性并優(yōu)化維護計劃,，從而提高運營效率,、最大限度地減少停機時間并節(jié)省成本

　　FPGA對于實現(xiàn)預測性維護至關重要，因為它們能夠以超低功耗提供高速性能,。在高性能加持下可以快速實時檢測異常運行狀態(tài),，降低設備故障風險。同時,，其節(jié)能設計可在低功耗下實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控,，從而根據(jù)實時反饋及時采取維護措施，最大限度地降低運營成本,。

　　功能安全

　　隨著工業(yè)4.0中的系統(tǒng)變得更加互連和自主,，功能安全（FuSa）可確保系統(tǒng)或設備在響應輸入或出現(xiàn)故障時安全、正確地運行,。FPGA已成為實現(xiàn)功能安全的高效工具,，特別是其可定制和可重新編程的特性。FPGA可以實現(xiàn)安全關鍵功能,，例如直接在工業(yè)系統(tǒng)中進行監(jiān)控,、控制和診斷。

　　萊迪思的軟件設計工具經(jīng)過最新安全設計方法認證,，與FPGA配合使用，為設計人員提供了極大的靈活性,，幫助他們在安全關鍵應用中實施和開發(fā)功能安全,。

　　系統(tǒng)安全

　　增強互連在制造業(yè)中可能會帶來新的安全威脅。事實上,，制造業(yè)正在經(jīng)歷的網(wǎng)絡攻擊比其他任何行業(yè)都多,，尤其是在云端。FPGA在實時硬件可信根（HRoT）產(chǎn)品中集成了“加密敏捷”功能，以增強對服務器平臺和其他連接設備應用的保護,，在從系統(tǒng)上電到斷電的整個攻擊面上為組織提供保護,。

　　此外，提供HRoT功能的FPGA具有專用的加密和非對稱引擎,，可防止代碼被擦除,、讀取或重寫，從而利用數(shù)字簽名確保所使用的代碼是正確的代碼,。它們還建立了唯一的器件標識,，在允許數(shù)據(jù)交換之前進行驗證，確保系統(tǒng)的核心功能和關鍵組件始終受到保護,。

　　支持工業(yè)4.0的未來

　　隨著工業(yè)4.0的持續(xù)發(fā)展,，對先進計算和互連解決方案的需求只增不減。FPGA因其獨特的功能（包括靈活性和可定制,、并行處理,、高速性能和低功耗以及HRoT基礎設施）而成為賦能和實現(xiàn)工業(yè)4.0關鍵應用的重要工具。FPGA幫助制造商快速,、安全地優(yōu)化工業(yè)運營,、增強互連并適應不斷變化的環(huán)境。

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