解析工業(yè)4.0中的硬件商機(jī)

 現(xiàn)在，以工業(yè)4.0為代表的智能制造正改變著未來制造業(yè)的形態(tài)。在這新的制造體系中，數(shù)據(jù)是靈魂性的要素，位于核心地位。不過這并不意味著硬件在工業(yè)4.0中會(huì)被邊緣化，畢竟數(shù)據(jù)還是需要透過硬件作為載體，進(jìn)而在現(xiàn)實(shí)世界中呈現(xiàn)其價(jià)值。因此，智能制造中“數(shù)據(jù)”的崛起，也會(huì)給硬件帶來了不少的商機(jī)。接下來，從工業(yè)4.0“數(shù)據(jù)流”的走向，可以更了解發(fā)掘出各個(gè)環(huán)節(jié)潛藏的硬件“錢途”。

傳感

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，傳感器是數(shù)據(jù)采集端，它們負(fù)責(zé)將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的大量非電量的物化參數(shù)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再由系統(tǒng)從中解讀出關(guān)鍵的數(shù)據(jù)信息，作為控制決策的依據(jù)。智能制造對(duì)數(shù)據(jù)的依賴必然會(huì)刺激對(duì)傳感器的需求，未來工業(yè)市場(chǎng)對(duì)壓力、位移、加速度、角速度、溫度、濕度、氣體、光敏等多種傳感器的需求，會(huì)呈現(xiàn)整體提升的態(tài)勢(shì)。

另一個(gè)值得關(guān)注的部份，還有機(jī)器視覺核心部件的CMOS圖像傳感器市場(chǎng)。根據(jù)IC Insights預(yù)測(cè)，全球工業(yè)用CMOS圖像傳感器市場(chǎng)將從2015年的3.96億美元成長到2020年的9.12億美元。此外，多目三維視覺在工業(yè)場(chǎng)景中的應(yīng)用，可借助圖像傳感器收集的圖像數(shù)據(jù)也會(huì)更加豐富，作用也會(huì)更為顯著。圖像傳感器也將成為工業(yè)傳感器市場(chǎng)中不容小視的一塊“蛋糕”。

互連

智能制造系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)，需要經(jīng)由一個(gè)快速、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸和共享。德國的《工業(yè)4.0研發(fā)白皮書》中將無線技術(shù)視為工業(yè)4.0網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)研究的重點(diǎn)項(xiàng)目。無線互連技術(shù)與傳統(tǒng)的有線工業(yè)通訊相比，優(yōu)勢(shì)顯著：一、網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)與維護(hù)成本低，根據(jù)測(cè)試，使用無線的測(cè)控系統(tǒng)其安裝與維護(hù)成本可降低90%;二、提高生產(chǎn)線設(shè)備配置的靈活性，且更符合智能制造“大規(guī)模定制”愿景所需的“柔性”要求;三、可適應(yīng)多樣性的組網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景需求，Mesh、星型等多種網(wǎng)絡(luò)的部署需求。

因此，不論是工業(yè)領(lǐng)域原有的無線協(xié)議—如WIA-PA、Wireless HART和ISA，還是通用的無線協(xié)議—如Wi-Fi、Zigbee、NFC、Bluetooth、2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)通訊，都正影響、滲入工業(yè)領(lǐng)域。如何將NB-IoT等新興的LPWAN無線通信技術(shù)融合到工業(yè)應(yīng)用中，也已被列入一些公司的考慮重點(diǎn)中。5G也在工業(yè)4.0的范疇，按照計(jì)劃2018年將實(shí)現(xiàn)公共5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)，為工業(yè)提供廣域網(wǎng)服務(wù)。

不過，工業(yè)應(yīng)用對(duì)無線通信有更特殊的要求，特別是在可靠性和低延時(shí)等方面。因此，一些通用的無線技術(shù)短期內(nèi)還是會(huì)用于設(shè)備和產(chǎn)品信息的采集、內(nèi)部信息交互等非實(shí)時(shí)控制的場(chǎng)景，未來它們會(huì)與實(shí)時(shí)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)形成復(fù)合的通訊系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)架設(shè)高效可靠的管道。

無線互連與傳感技術(shù)也在走向融合，具有無線數(shù)據(jù)通訊功能的無線傳感器也會(huì)成為一個(gè)新的市場(chǎng)增長點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以擺脫傳統(tǒng)傳感器總線的束縛，讓數(shù)據(jù)匯聚的方式更為靈活，成本也更低。在此基礎(chǔ)上，傳感器產(chǎn)品還可加迭其他如能量采集等技術(shù)，形成更加多元化的產(chǎn)品，擴(kuò)展應(yīng)用版圖。

圖一 : 目前，無線互連與傳感技術(shù)也在走向融合，具有無線數(shù)據(jù)通信功能的無線傳感器也會(huì)成為一個(gè)新的市場(chǎng)增長點(diǎn)

無線互連的藍(lán)圖固然讓人興奮，但是在工業(yè)領(lǐng)域有線連接這樣的“老司機(jī)”同樣不可或缺，特別是對(duì)于需要大帶寬、高可靠、快速響應(yīng)的工業(yè)數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用。因此，也催生了高性能、高可靠的工業(yè)連接器需求。面對(duì)此高附加值的市場(chǎng)，連接器廠商也正不遺余力地耕耘，例如現(xiàn)今的M8/M12連接器已可支持高達(dá)1Gbps的網(wǎng)速。

資料決策

將資料匯集到云端進(jìn)行分析和處理，并與既有的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析并提供決策建議，是工業(yè)4.0的核心關(guān)鍵。這會(huì)牽動(dòng)工業(yè)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)中心的需求，不論是使用公有云，還是構(gòu)建私有云，數(shù)據(jù)中心總量的增加是必然趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2019年全球數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到440億美元。

未來面對(duì)日益繁重的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，需要更強(qiáng)大的處理器做支撐，新型的異構(gòu)式的處理器架構(gòu)正在登上舞臺(tái)，以解決多核通用處理器遇到的運(yùn)算瓶頸。開發(fā)者們正在考慮CPU+GPU的模式，發(fā)揮GPU在浮點(diǎn)運(yùn)算等能力的最大極限。同時(shí)，F(xiàn)PGA這種程序設(shè)計(jì)邏輯架構(gòu)也備受矚目，F(xiàn)PGA與通用的處理器整合后有望成為未來數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的主流架構(gòu)。服務(wù)器處理器市場(chǎng)霸主Intel對(duì)全球第二大FPGA廠商Altera的收購，正印證了該趨勢(shì)。后續(xù)，高通也宣布與全球第一大FPGA廠商Xilinx，以及Mellanox結(jié)成同盟，與Intel形成市場(chǎng)對(duì)峙。

值得注意的是，伴隨著數(shù)據(jù)中心運(yùn)算能力的飆升，其功耗也越來越可觀，根據(jù)2015年的統(tǒng)計(jì)資料，全球數(shù)據(jù)中心總量已超過300萬座，其耗電量已占全球耗電總量的1.1%-1.5%。從單一數(shù)據(jù)中心運(yùn)營成本分析，電費(fèi)支出達(dá)70%，已遠(yuǎn)超過硬件基礎(chǔ)設(shè)備的成本，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能需求極大。因此，數(shù)據(jù)中心的電源架構(gòu)也正在改變，比如通過中央變壓器將交流電直接轉(zhuǎn)為380V的高壓直流，并通過高壓直流總線分配到各個(gè)用電單元，簡化結(jié)構(gòu)也提升效率。類似的改變，也為與數(shù)據(jù)中心相關(guān)的電源管理組件提供了市場(chǎng)機(jī)遇。根據(jù)了解，2015年中國數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造規(guī)模為30億元左右， 預(yù)計(jì)未來5年內(nèi)該數(shù)值會(huì)持續(xù)上升。

圖二 : 不論是使用公有云，還是構(gòu)建私有云，數(shù)據(jù)中心總量的增加是必然趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2019年全球數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到440億美元。

執(zhí)行

數(shù)據(jù)在云端分析處理后，形成的建議決策，將回傳給執(zhí)行端，進(jìn)而造成機(jī)械動(dòng)作，形成一個(gè)“從端到云，從云到端”的完整控制循環(huán)。制造業(yè)中的機(jī)械動(dòng)作都是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，因此精密的電機(jī)控制將成為催生工業(yè)4.0的市場(chǎng)增長點(diǎn)，從硬件的角度來看，這也會(huì)為MCU、DSP、FPGA等核心數(shù)字控制芯片提供施展拳腳的機(jī)會(huì)。

圖三 : 2010年后，中國工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)進(jìn)入快速上升通道

工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)4.0體系中重要的“存在”，它是一個(gè)更加智慧、綜合的執(zhí)行設(shè)備。2015年全球工業(yè)機(jī)器人銷量為24萬臺(tái)，過去五年中的年成長率為15%。中國市場(chǎng)，被認(rèn)為是下一個(gè)工業(yè)機(jī)器人將呈現(xiàn)大幅成長的地區(qū)，而以中國市場(chǎng)為例，其在2010年至2015年工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的年成長率達(dá)到了35%，總量為6.6萬臺(tái)，若以此速度發(fā)展，預(yù)計(jì)到了2020年中國將占到全球工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的40%。在市場(chǎng)拉動(dòng)下，工業(yè)機(jī)器人所需的幾個(gè)核心部件—伺服系統(tǒng)、減速器、控制器—也將同步增長。特別是工業(yè)機(jī)器人控制器市場(chǎng)，業(yè)界逐漸認(rèn)識(shí)到以往由機(jī)器人廠家自主設(shè)計(jì)研發(fā)的封閉的體系，已不能適應(yīng)快速發(fā)展的市場(chǎng)需求，標(biāo)準(zhǔn)化和開放性正在成為趨勢(shì)，市場(chǎng)上已有一些獨(dú)立的機(jī)器人控制器廠商開始活躍，未來他們是否能夠借市場(chǎng)之力，改變工業(yè)機(jī)器人的生態(tài)，確實(shí)值得拭目以待。

總之，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)4.0變革，給制造業(yè)帶來的不是簡單的線性產(chǎn)品迭代，而是伴生著新架構(gòu)、新品類、新模式?，F(xiàn)在我們僅僅是窺見其一斑，更多的硬件機(jī)會(huì)還需要應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的發(fā)展，不斷去發(fā)掘。