融合異構(gòu)計(jì)算、AI和可重構(gòu)AFE等多種能力，構(gòu)建智慧工廠的平臺(tái)級(jí)解決方案

隨著全球人口的不斷攀升，人們的需求也在上升；而另一方面，全球氣候變化也在逐步惡化；這也就意味著，我們面臨著兩難的境地，既要在滿足不斷攀升的新需求的同時(shí)，還要提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

而看制造業(yè)，雖然貢獻(xiàn)了全球GDP的18%（2021年），但是卻消耗了總能源的38%。因此對(duì)于制造業(yè)的智能化升級(jí)迫在眉睫。

所幸的是，除了傳統(tǒng)的硬科技的一步步升級(jí)外，我們還將迎來AI帶來的生產(chǎn)力飛躍。AI正在各種邊緣端側(cè)進(jìn)行落地，其中也包括智能工廠。如何在保證信息安全的前提下，將AI能力融入智能工廠中，并與傳感、計(jì)算、連接和驅(qū)動(dòng)等能力一起構(gòu)成一個(gè)智慧工業(yè)解決平臺(tái)，是NXP近年來重點(diǎn)布局的方向。

在近日，智浦安全連接邊緣事業(yè)部副總裁、工業(yè)邊緣處理總經(jīng)理Jeff Steinheider先生，就“智慧工業(yè)”主題進(jìn)行了分享。

智能工廠挑戰(zhàn)重重，AI如何賦能？

智能工廠的真正推動(dòng)力來自工業(yè)4.0/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，其核心是將真實(shí)物理的工廠數(shù)據(jù)連接到云端，并在云上構(gòu)建數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的工廠的生產(chǎn)效率提升。而在近年來，為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)處理的高效性實(shí)時(shí)性，越來越多的原本需要在云端處理的任務(wù)，在端側(cè)就可以直接進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)更低的延遲、并保護(hù)數(shù)據(jù)安全。

提高工廠的靈活性，能夠針對(duì)客戶要求的確切數(shù)量進(jìn)行更低的延遲和更及時(shí)的響應(yīng)，是減少工廠能源浪費(fèi)的有效途徑。而要構(gòu)建這種靈活自動(dòng)化的智慧工廠，需要多種芯片產(chǎn)品的能力支持。例如在感知層面，模擬前端（AFE）可以捕獲真實(shí)物理模擬數(shù)據(jù)；在計(jì)算層面，需要更高算力的MCU/MPU進(jìn)行算法運(yùn)算；在連接層面，TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）能夠提高工業(yè)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)性；在驅(qū)動(dòng)層面，一切工業(yè)設(shè)備的動(dòng)作都離不開電機(jī)的參與；而這一切，都要支持更高的功能安全等級(jí)，在信息安全的范圍內(nèi)進(jìn)行。

此外，對(duì)于AI能力在端側(cè)的運(yùn)用，還將進(jìn)一步提升智能工廠的生產(chǎn)效率。據(jù)Jeff介紹，AI在智慧工廠中有多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。一是主要在機(jī)器視覺層面，可以通過機(jī)器視覺去觀察不同的產(chǎn)品，是否被正確放置在精準(zhǔn)的位置上；晶圓生產(chǎn)線上都進(jìn)行了很好的包裝、封裝和歸類。二是對(duì)于模擬信號(hào)的檢測(cè)上，通過對(duì)于溫度、電壓、電流、震動(dòng)等模擬信號(hào)的收集，捕獲和分析其數(shù)據(jù)中的微小異常通過機(jī)器學(xué)習(xí)來預(yù)測(cè)是否要進(jìn)行維護(hù)或停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。三是在生產(chǎn)線的工人安全性保護(hù)方面，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和機(jī)器視覺的能力提前檢測(cè)出會(huì)對(duì)工人產(chǎn)生傷害的不正當(dāng)操作，來保護(hù)工人的人身安全。

智慧工廠的平臺(tái)級(jí)解決方案

為了推動(dòng)智能工廠應(yīng)用發(fā)展，構(gòu)建靈活自動(dòng)化生產(chǎn)，NXP將眾多技術(shù)能力引入到了智能工廠中。包括異構(gòu)計(jì)算的能力，將實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)與異構(gòu)計(jì)算集成，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成，可重配置的模擬前端，安全芯片能力等。

i.MX RT 1180：跨界MCU新秀

首先值得關(guān)注的產(chǎn)品是i.MX RT 1180，這是NXP的跨界MCU產(chǎn)品線的新秀，也是其今年在工業(yè)領(lǐng)域主推的產(chǎn)品型號(hào)。

i.MX RT 1180在硬件方面有兩大特色，一是采用了異構(gòu)雙核的設(shè)計(jì)，Arm Cortex-M7內(nèi)核可以用于實(shí)時(shí)控制，Arm Cortex-M33的內(nèi)核可以用于網(wǎng)絡(luò)配置和管理。二是支持每秒千兆以太網(wǎng)交換機(jī)功能，能夠支持包括TSN在內(nèi)的多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，例如EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP和CC-Link，因此該產(chǎn)品可以作為工廠網(wǎng)絡(luò)的一部分進(jìn)行互連。另外，該產(chǎn)品內(nèi)部還集成了EdgeLock安全島區(qū)域，可用于驗(yàn)證通過工業(yè)協(xié)議傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)包。

據(jù)Jeff介紹，i.MX RT 1180支持多種工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，其中典型應(yīng)用包含五大類。一是工業(yè)網(wǎng)關(guān)中，RT1180可以收集數(shù)據(jù)并作為網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫巳プ鎏幚?。第二個(gè)應(yīng)用是遠(yuǎn)程I/O，基于恩智浦AFE的系統(tǒng)解決方案，到模擬前端進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一匯總和處理。第三個(gè)應(yīng)用是交流（AC）/伺服驅(qū)動(dòng)，廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化里面的典型場(chǎng)景。第四個(gè)應(yīng)用是IO-LINK輸入輸出鏈路，支持四通道IO-Link 主站的應(yīng)用場(chǎng)景。最后的應(yīng)用是可以通過RT1180跨界處理器和應(yīng)用的處理器去做連接，變成網(wǎng)絡(luò)伴生。

MCX：將NPU集成進(jìn)MCU

另一個(gè)值得關(guān)注的產(chǎn)品是MCX，其中MCX N系列是NXP首個(gè)集成了NPU的MCU系列。該NPU被命名為eIQ Neutron 神經(jīng)處理單元，可為機(jī)器學(xué)習(xí)提供極其高效的處理，并可提供加速功能，使其在執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載時(shí)比通用處理器的效率高出5到30倍。例如基于視覺、語音或異常檢測(cè)的場(chǎng)景都可以通過NPU來處理。

而對(duì)于MCU應(yīng)用者而言，并不擅長于AI算法的知識(shí)，因此只是集成一個(gè)NPU進(jìn)去是不夠的，更重要的是打通整個(gè)從算法到硬件開發(fā)的鏈條，將AI能力真正部署到端側(cè)。據(jù)Jeff介紹，NXP提供了與硬件配合緊密的eIQ工具。eIQ工具從數(shù)據(jù)標(biāo)記與管理的階段開始，涵蓋客戶整個(gè)工作流程中。一旦數(shù)據(jù)庫被建立并被標(biāo)注之后，所有的機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)者就可以在他們想要達(dá)到的特定目標(biāo)中應(yīng)用模型。eIQ工具套件使開發(fā)人員能夠圍繞恩智浦處理器產(chǎn)品組合中的任何設(shè)備，針對(duì)其目標(biāo)平臺(tái)優(yōu)化這些模型。當(dāng)模型最終在目標(biāo)平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，eIQ同樣能幫助做更好的調(diào)試和優(yōu)化的工作，以使模型獲得最佳表現(xiàn)。

N-AFE：軟件可重構(gòu)帶來更高靈活性

在感知層面，AFE是智慧工廠中必不可少的器件。而NXP帶來的N-AFE，是具備軟件可重配置功能，支持電流、電壓的不同范圍的調(diào)整，在同一芯片中支持多種不同的輸入。同時(shí)，該產(chǎn)品還能夠提供非常高的精度和快速采樣能力，任何細(xì)小的變化，都可以捕捉到，進(jìn)行工廠吞吐量的異常檢測(cè)。此外，該產(chǎn)品還具備自校準(zhǔn)的功能，無需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，方便了客戶的現(xiàn)場(chǎng)部署。

據(jù)Jeff分享，智能工廠的整體策略首先考慮的是可擴(kuò)展性，不是提供單一的或部分的器件，而是針對(duì)某一些應(yīng)用和場(chǎng)景提供一個(gè)整體的解決方案。通過N-AFE的模擬前端收集到來自于模擬的各個(gè)數(shù)據(jù)，把這個(gè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一納入到MCU進(jìn)行處理和傳輸，從而給客戶端到端的解決方案。

安全：軟硬件結(jié)合

在安全層面，NXP提供了EdgeLock分立器件，還有MCU這種集成的EdgeLock安全區(qū)域。再到上層，提供了EdgeLock 2GO的服務(wù)，為客戶提供軟硬件結(jié)合的安全服務(wù)，幫助客戶在每個(gè)邊緣設(shè)備中構(gòu)建可信的通信。

智慧工廠的工業(yè)平臺(tái)

將上述的所有特色產(chǎn)品，以及NXP的電源、驅(qū)動(dòng)等產(chǎn)品結(jié)合在一起，就構(gòu)成了為客戶打造優(yōu)化的針對(duì)智慧工廠的工業(yè)平臺(tái)。

據(jù)Jeff舉例分享，在一個(gè)典型的工業(yè)自動(dòng)化平臺(tái)的方案中，使用模擬前端從工廠提取模擬輸入，由于軟件具有可編程性，因此可以靈活地接受多種不同的輸入，并且可以用于各種不同的應(yīng)用程序。i.MX RT1180能讀取模擬前端的數(shù)據(jù)，利用EdgeLock安全島區(qū)域?qū)νㄟ^工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到工廠中其他設(shè)備的數(shù)據(jù)包進(jìn)行快速身份驗(yàn)證和簽名。借助i.MX RT1180的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)功能，為工廠中使用數(shù)據(jù)運(yùn)行操作的其他實(shí)體提供確定性的實(shí)時(shí)通信。恩智浦電源管理IC與處理器和外設(shè)緊密耦合，客戶能夠快速輕松地為其供電并縮短上市時(shí)間。

構(gòu)建邊緣解決方案的所有基礎(chǔ)能力

“通過模擬產(chǎn)品組合來實(shí)現(xiàn)感知；用嵌入式處理器來實(shí)現(xiàn)更高程度的智能；將連接與對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的支持以及無線連接產(chǎn)品組合相結(jié)合；在協(xié)同工作中，通過電機(jī)控制和機(jī)器人控制應(yīng)用程序來驅(qū)動(dòng)和移動(dòng)智能工廠內(nèi)的設(shè)備。”Jeff分享到，“這一切都需要保證功能安全和信息安全，此外，所有的產(chǎn)品線都是可擴(kuò)展的，讓客戶能夠在他們的特定應(yīng)用中添加功能或降低功耗，并保證軟件解決方案可以在跨產(chǎn)品系列中運(yùn)行?！?

這就是NXP擁有的邊緣解決方案的所有技術(shù)能力，也是構(gòu)建邊緣解決方案所必備的所有基礎(chǔ)能力。