工业电子领域不像消费电子产品那样标准化走量。用于工业的产品形态难以标准化,每个客户会有不同的需求,每个细分领域又会有一条不同的产线。以处理器为例,通用处理器通常采用Arm架构,从M0、M1到A72,但是仅有处理器不能满足工业应用所有的需求,要用更多不同的IP满足不同的需求……

多年来,在各大分析机构发布的工业半导体厂商排名中,欧美芯片厂商均牢牢占据前十的位置。这其中,德州仪器(TI)长年稳居第一,地位无人能撼动。

当前,中国制造业正处于向工业4.0升级的关键时期。TI作为头部工业半导体和解决方案供应商,拥有8万多种不同的产品,应用领域涵盖工业、消费、通信、汽车等,这意味着数量庞大的客户群体需要去服务。

“如何自下而上地服务好中国制造企业,做好工业4.0的升级?”11月10日,在由国际科技媒体集团Aspencore举办的2022国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shenzhen)同期“国际工业4.0技术与应用论坛”上,德州仪器(TI)技术支持经理韩韬分享了TI对中国工业领域客户的几点支持愿景。

德州仪器(TI)技术支持经理韩韬

平台化方案和异构整合理念

首先,工业电子领域不像消费电子产品那样标准化走量。用于工业的产品形态难以标准化,每个客户会有不同的需求,每个细分领域又会有一条不同的产线。以车厂为例,现在追求“柔性产线”,即尽量用同一条产线,通过切换模具的方式来切换生产的产品,这就要求从信息链到生产链快速反馈,只有库存时间越短、资金周转越快,车厂盈利才更丰厚。

韩韬表示,针对车厂的需求,TI提供一系列可扩展方案,产品覆盖从1K TOPS到30 TOPS算力,价格从不到10元人民币到100多美金。工业方案动态可扩展的特点主要是考虑到在工业应用中,有些不需要显示,有些不需要运算,有的强调控制,有的强调低成本。

“这样宽泛的要求,我们靠单一芯片做单一解决方案是无法满足的。TI的方法是提供平台,把应用平台化作为基础,设备制造商可以在上面任意搭建。”韩韬说到。

第二,TI是一家持续创新的公司。以处理器为例,通用处理器通常采用Arm架构,从M0、M1到A72,但是仅有处理器不能满足工业应用所有的需求,要用更多不同的IP满足不同的需求。以工业自动化中的视觉识别技术为例,TI在以前为数码相机做方案时积累了大量IP,“从机器视觉到人脸识别的视觉方案中,TI在过往的IP上持续创新,并集成到工业产品中,就能给客户提供不同的应用方向。”韩韬说到,各种安全、模拟、加速和连接的功能IP,集成到SoC统一的架构中就能满足不同需求。

这也是TI秉持的异构理念,具体到工业应用中有异构加速器、实时以太网、PCIe、以太网switch以及现在的深度学习加速器。这些功能在一个Arm架构处理器上实现难度较大,因为硬件架构的设计理念完全不一样,所以TI持续创新的方式就是把各类异构核心,与大家熟悉、通用的Arm平台结合后,用一颗完整的SoC呈现。

线上客户支持与软件架构模块化

第三,半导体厂商服务客户的方式已经改变。如今的系统工程师,与20年前工程师在基础知识,以及对知识的获取方式上已经完全不一样。韩韬回忆20年前做设计时,都是拿着产品手册和白皮书,跟着老师傅到现场去一步一步调试,“我们现在支持的客户工程师基本上是研究生毕业,26、27岁就成为科技骨干,他们获取知识的方式可能是B站、BBS、微信群、QQ群等网络方式。“

据介绍,鉴于客户采购习惯也开始转向通过京东、淘宝这类在线方式,TI的支持服务现已全部转到ti.com的线上。TI在工业领域所有的解决方案、系统视图都可以在网上找到。

由于Linux文件系统可以自行裁减,内核可以自行优化,删掉不需要的模块后能够把系统做得足够小,所以Linux在工业领域的渗透持续加深。但工业产品具有长生命周期的特点,往往长达10年以上,而Linux 每5年就会升级,意味着一些经典产品在整个业内有很多家厂商同时在用,老平台常常因为新应用暴露出一些新问题,鉴于此,TI也在拥抱开源社区

韩韬表示,TI的软件架构是模块化的,整个生态系统中除了Mainline Linux,还有一些Open Linux的分支。“可以用TI这种模式搭建你的中间件,每个模块既可以用高计算能力的大SoC,也可以用小MCU仅做控制。这种实时分布的软件是一个独立包,可以独立于整个主干进行升级,一次软件的投入在未来场景中可以进行高、中、低不同产品架构应用的分配。“

质量体系和长期支持方面,TI从90年代开始就布局异构处理器,在质量认证方面经验丰富。以工业和汽车产品为例,不光芯片本身要通过相关ISO认证,其设计流程和供应链也要通过体系认证。

在用户使用TI的SoC时,可以在网上找到完整的工具链,RDK测试报告以及认证报告。当客户自己的产品在通过工规或车规认证时,TI的报告会作为客户报告的一部分,直接呈现给认证厂家。

图解TI的工业4.0芯片方案

韩韬用了一个简单的芯片框图给大家呈现了TI的SoC解决方案。

TI是一家有着自己的工厂体系和软件开发平台的total solution厂家,所以最下面的各种体系认证、质量保证是基础。图片上方的SoC解决方案,则是TI对所有的细化应用认知,包括了计算、控制、安全、模拟、深度学习、硬件加速和连接等。

韩韬特别提到了高速连接的部分,因为在一颗大型SoC中设计高速连接挑战度非常高,里面每个模块还要能够独立升级,这在体系架构设计上需要多年的积累。TI把这种多年的积累分享给国内的设备制造商,“因为我们看到现阶段的国内设备制造商与20年前完全不一样。20年前我们将老牌工业强国的设备作为老师,但现在国内设备商已经走到了无人区,在机器人等领域引领了全球的潮流。“

最后在通用软件平台方面,TI的平台不仅仅是开发平台,因为设计并不是产品的全部,在生产制造和测试方面的挑战也越来越高。TI的各种简化工具和软件库可以集成到生产商的流程中,保证用户生产的软硬件拥有完整的生产流程,并且达到高质量的要求。

当前,处理器设计工作中软件占的比重越来越高,原来我们说“硬件是骨架,软件是灵魂“,现在看来国内制造商在硬件方面积累足够,但在软件生态中还处于爬坡阶段。如上图所展示,TI在软件平台上的理念是,尽量保证一次投入,就能用到更多不同的产品形态中去,让更多的软件进行兼容和复用。

关于AM62系列

最后韩韬介绍了TI的明星处理器产品AM62系列,值得一提的是,该款产品也获得了本次全球电子成就奖-年度创新产品奖-处理器/DSP/FPGA分类的奖项。

在过去的十几年中,TI Sitara™系列诞生出很多优秀的处理器型号,其中在国内工业、电力等领域有着广泛应用的AM335x系列处理器至今依然有着很高的市场热度,成为一代经典。 

在AM335x的生命周期已至尾声之际,TI今年6月最新推出的Sitara™ AM62x系列工业级处理器延续了辉煌。AM62x作为TI Sitara™产品线新一代MPU产品,相比AM335x具备更强大的性能及功能扩展性,具体对比如下: 

据介绍,Sitara™ AM62 处理器旨在将边缘人工智能(AI)处理扩展到下一代应用程序,新处理器的低功耗设计支持双屏幕显示和小型人机界面(HMI: Human-Machine Interface)应用。工程师可以根据现场要求,在任何地方部署智能设计的节能处理器。

下一代人机界面将带来与机器交互的新方式,例如通过手势识别在嘈杂的工厂环境中发出指令,或通过无线连接的手机或平板电脑来控制机器。在人机界面应用中添加边缘AI功能,包括机器视觉、分析和预测维护,可以为人机界面带来新的意义,超越单纯的界面,实现人机交互。AM62处理器为边缘设备提供低功耗分析,包括低至7mW的暂停状态,这使工程师可以在尺寸受限的边缘应用或工业环境中灵活部署这些设备。

AM62处理器起步价不到5美元,通过实现基本的基于摄像头的图像处理和边缘AI功能,如检测和识别物体,为人机界面设备带来了低成本的分析。AM62处理器还支持双屏全高清显示,并支持多种操作系统,包括主流Linux和Android操作系统。AM62处理器还支持有线和无线连接接口。

与竞争对手的设备相比,AM62处理器在工业应用中可以降低高达50%的功耗,使由AA电池供电的应用程序可以持续运行超过1000小时。这可以通过简化的电力架构实现:设备只有2条专用电源轨道,5种电源模式。< 5mW的深度睡眠模式使电池寿命更长,而0.75 V的核心电压可以实现<1.5 W的工作功率。降低系统功耗可以延长电池寿命,并帮助工程师满足可部署在任何地方的手持或尺寸受限设备的设计要求。新的TPS65219进一步简化了实现最优电源性能,这是一种专门为满足AM62处理器电源需求而设计的配套PMIC。

广泛的工具和资源为AM62处理器的开发提供了灵活的选择,可以帮助降低成本和设计的复杂性障碍。多种开源软件解决方案,包括Mainline Linux,简化了应用程序开发过程,并帮助实现更快的上市时间。一个丰富的硬件生态系统,包括一个起价25美元的第三方评估模板(EVM),可以帮助设计师更快地开始应用程序设计。

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