沒了它們，機器人就是一堆“鐵塊”，機器人產(chǎn)業(yè)將帶飛哪些芯片？
隨著機器人技術的發(fā)展，機器人的應用領域越來越廣，市場也相應的開始發(fā)展。中國電子學會預計2022年，全球機器人市場規(guī)模將達到513億美元，2017至2022年的年均增長率達到14%。波士頓咨詢公司研究報告顯示，全球機器人市場規(guī)模預計將在未來10年內(nèi)增長近10倍，到2030年全球機器人市場規(guī)模將達1600億至2600億美元。
機器人市場的騰飛
《“機器人﹢”應用行動實施方案》中包括十大應用重點領域分別是經(jīng)濟發(fā)展領域的制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、能源、商貿(mào)物流，社會民生領域的醫(yī)療健康、養(yǎng)老服務、教育、商業(yè)社區(qū)服務、安全應急和極限環(huán)境應用。
在工業(yè)機械領域，機器人產(chǎn)業(yè)市場增長強勁。制造業(yè)是本次發(fā)布的方案中首個提到的機器人應用領域。由于多國勞動力縮減和人口老齡化造成勞動力供應短缺和成本上升，提高流程效率和自動化程度比以往任何時候都更加迫切。因此，在制造業(yè)和其他工作場所中，能夠執(zhí)行各種操作和運輸任務的多軸機器人的使用范圍正在迅速擴大。通過推進智能制造示范工廠建設，發(fā)展基于工業(yè)機器人的智能制造系統(tǒng)，將加快制造業(yè)數(shù)字化轉型、智能化變革。
除了工業(yè)機器人，三年疫情也讓服務機器人市場初具規(guī)模。抗疫系列機器人成為疫情防控的新生力量，“無接觸”的無人配送已成為新焦點。預計2022年，全球服務機器人市場規(guī)模達到217億美元。2024年，全球服務機器人市場規(guī)模將有望增長到290億美元。
無論工業(yè)機器人還是服務機器人，這些機器人都在結合信息技術提升感知、計算、執(zhí)行能力，在機器人智能化水平提升的同時，對芯片的需求也在增加。那么哪些芯片產(chǎn)品有望受益呢？
機器人帶飛哪些芯片？
FPGA芯片
FPGA芯片在機器人領域應用時具有高速、并行、運算及引腳資源極其豐富、功能靈活、硬件直接實現(xiàn)算法、操作數(shù)存取機制簡單高效、開發(fā)調(diào)試手段直探硬件底層等優(yōu)點。在伺服驅(qū)動器中應用FPGA是業(yè)界的常規(guī)做法，F(xiàn)PGA在執(zhí)行圖像處理算法方面比CPU更強，是最優(yōu)方案；在執(zhí)行人工智能算法時，F(xiàn)PGA是與GPU并列的主流方案，而且在功耗方面具備非常大的優(yōu)勢。與 ASIC 開發(fā)相比，除了縮短開發(fā)和驗證周期之外，使用 FPGA 還意味著在出現(xiàn)問題時可以快速更改邏輯，或者在必要時可以對功能需求進行修改或增強。
FPGA芯片的特性可以提高伺服控制性能、降低功耗；此外，F(xiàn)PGA 芯片可以通過提供包括 PCI Express 在內(nèi)的多種硬件 IP，從而通過在確保總線連接可靠性的同時實現(xiàn)外圍邏輯集成，促進電路的微型化并降低功耗。功耗的降低意味著可以采用無風扇外殼，從而不再需要容易磨損的機械部件，并避免吸入粉塵。
由于機器人，尤其是工業(yè)領域的機器人產(chǎn)品供應時間長，因此在維護方面的考慮需要延長設備供應期，因為工業(yè)設備的使用壽命通常長達 10 年或更長。FPGA 延長的產(chǎn)品生命周期可滿足工業(yè)領域客戶的需求。
MCU芯片
MCU是在機器人執(zhí)行層里應用較多的選擇，作為工業(yè)機器人核心控制器件，MCU也會受惠于機器人市場的快速增長。工業(yè)機器人單支機器手臂中，內(nèi)建的控制器平均約有八成為MCU芯片。
對于機器人應用方向的MCU來說，除了提供易開發(fā)的嵌入式平臺、設計工具外，建立MCU周邊完善的通訊環(huán)境處理各種工業(yè)通訊協(xié)議如USB，SPI等也是相當重要的。相較于傳統(tǒng)工業(yè)機器人，人形機器人有更復雜的運動形態(tài)，需要對電機的位置、方向、速度和扭矩進行高精度控制。MCU可以執(zhí)行電機控制所需的復雜、高速運算。目前機器人解決方案中包括單電機平臺（一顆MCU控制一個電機）、雙電機平臺（一顆MCU控制兩個電機）， 其中雙電機平臺的兩個電機功率和小于單電機最大功率。
未來在更先進工藝下設計的MCU，采用更高性能的內(nèi)核，其性能將得到大幅度提升，市場需求將快速提升。在全球MCU市場蛋糕逐年增長和國產(chǎn)MCU替代的大背景下，國內(nèi)MCU廠商有望突破國外壟斷。
DSP芯片
DSP（Digital Signal Processing）即數(shù)字信號處理技術，DSP芯片即指能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號處理技術的芯片。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。
DSP芯片自誕生以來得到了飛速發(fā)展，一方面得益于集成電路的發(fā)展，另一方面也得益于巨大的市場。在短短數(shù)十年時間里，DSP芯片已在通信、雷達、圖像、軍事、儀器、自動化、信號處理等眾多領域得到廣泛的應用。
DSP芯片用在工業(yè)機器人領域，相當于起著關節(jié)的作用，有了DSP的控制，機器人反應更迅速，行動更精準。工業(yè)機器人在工作中需要處理大量的數(shù)據(jù)，隨著工業(yè)機器人的應用日益廣泛和普及，DSP芯片在這方面的應用越來越多，重要性、經(jīng)濟性、實用性都會得到體現(xiàn)。
IGBT芯片
傳統(tǒng)工業(yè)控制及電源行業(yè)是支撐 IGBT 市場穩(wěn)步發(fā)展的基石。工業(yè)控制是 IGBT 第一大應用領域，需求穩(wěn)健增長。隨著工業(yè)自動化的深化，廣泛部署的工業(yè)機器人和智能化機床都依賴于強大而靈活的交流電機、伺服電機以及節(jié)能的變頻器和電源裝置。
IGBT功率半導體器件是電力電子應用領域的核心器件。以電能為處理對象，通過電力電子技術對電能進行整流、穩(wěn)壓、開關和變頻等，實現(xiàn)高效率和高品質(zhì)轉換。功率半導體器是構成電力電子變換裝置的核心器件，尤其是在大功率、大電流、高頻高速、低噪聲等應用領域起著無法替代的關鍵作用，被廣泛應用于工控領域。
近年來，我國變頻器、電焊機市場穩(wěn)步增長，工業(yè)機器人市場加速發(fā)展，對應的工控 IGBT 市場也將穩(wěn)步增長。根據(jù)集邦咨詢數(shù)據(jù)，2020 年全球工控 IGBT 市場規(guī)模約為 140 億元，其中我國工控 IGBT 市場規(guī)模約為 53 億元，預計到 2025 年全球工控 IGBT 市場規(guī)模將達到 170 億元。
智能機械核心芯片技術發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
盡管我國智能機械產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了顯著進展，但與發(fā)達地域相比仍存在差距。目前我國智能機械市場規(guī)模約占全球的20%左右，但主要以低端產(chǎn)品為主，中高端產(chǎn)品占比不足5%。
在技術水平上，我國智能機械主要采用通用處理器完成各種任務，且大多為國外產(chǎn)品的“代工品”。以工業(yè)機器人為例，雖然國內(nèi)已有超過30家機器人企業(yè)推出了15款以上的工業(yè)機器人產(chǎn)品，但產(chǎn)品種類較為單一，且可靠性、穩(wěn)定性不足。同時，我國企業(yè)在部分核心部件上仍處于“跟跑”狀態(tài)，與國外企業(yè)相比還有較大差距。如在激光雷達領域，國外企業(yè)基本掌握了核心技術和制造工藝。
2018年6月30日前購買的國產(chǎn)激光雷達產(chǎn)品只能達到進口水平的40%~50%。智能機械核心芯片技術作為人工智能和機器人融合的基礎技術之一，將在未來發(fā)揮越來越重要的作用。與美國、歐洲等發(fā)達地域相比，我國在智能機械核心芯片技術的發(fā)展還面臨以下挑戰(zhàn)：
（1）核心芯片產(chǎn)業(yè)基礎薄弱。盡管國內(nèi)有多家企業(yè)生產(chǎn)機器人專用處理器，但多為“代加工”產(chǎn)品，多為智能機械的“大腦”，在智能控制系統(tǒng)、決策控制系統(tǒng)等關鍵部分還缺乏核心技術積累，難以滿足智能機械全周期應用需求。
（2）關鍵零部件技術能力不足。主要表現(xiàn)在高性能嵌入式芯片設計和制造方面能力不足；機器人用集成電路芯片和工藝方面存在技術瓶頸；電機驅(qū)動與控制等專用芯片設計方面人才匱乏；導航、定位、視覺、雷達等傳感器技術發(fā)展相對落后，關鍵部件與核心部件依賴進口。
（3）國際合作不足。智能機械領域是我國自主創(chuàng)新的重點領域，但由于行業(yè)壁壘，國際合作受限。如在嵌入式芯片方面，由于嵌入式芯片需要集成多個模塊，目前主要由國外企業(yè)壟斷；在傳感器方面，主要以中低端傳感器為主，高端傳感器仍依賴進口。
（4）支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才隊伍缺乏。我國智能機械領域相關人才存量不高，在機器人關鍵零部件研發(fā)、工藝制造、系統(tǒng)集成方面的人才不足。同時，由于缺乏相關領域的產(chǎn)學研用協(xié)同機制及有效的人才培養(yǎng)機制，我國智能機械領域的相關人才培養(yǎng)體系仍處于起步階段，高水平專業(yè)人才短缺成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。
中科融合以“AI+3D”芯片技術突破“卡脖子”難題
近日，中科融合感知智能研究院有限公司創(chuàng)始人王旭光在“OFweek 2023（第十二屆）中國機器人產(chǎn)業(yè)大會”期間接受媒體采訪時表示，“AI+3D”成為讓整個機器人蓬勃發(fā)展的新引擎：3D是一種數(shù)據(jù)形態(tài)，它讓機器更靈活，而AI解決了如何把3D的數(shù)據(jù)更有效的使用起來，讓機器人具有“人”的特征，形成一個從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)價值提煉和應用的閉環(huán)。
王總表示，以傳統(tǒng)機器視覺技術為基礎發(fā)展而來的3D機器視覺，在中國經(jīng)歷了厚積，正在迎來爆發(fā)時刻。然而，過往的機器視覺產(chǎn)業(yè)鏈多數(shù)公司從3D相機硬件集成、機器視覺算法優(yōu)化等低維度切入，沒有改變國產(chǎn)3D視覺芯片“缺芯少魂”的局面，一直面臨并承受著以美國德州儀器的DLP芯片模組、美國英偉達的GPU芯片模組為代表的國外芯片供貨周期長、供應鏈不可控等問題，芯片“卡脖子”問題難以解決。
作為國內(nèi)唯一擁有自主研發(fā)“MEMS芯片+SOC芯片+核心算法”的高科技公司，中科融合將自身定位為能夠提供完整的AI+3D芯片以及模組產(chǎn)品的企業(yè)，為下游的機器人等產(chǎn)業(yè)服務和賦能，可廣泛應用于機器人、醫(yī)療等領域。
王總表示，與國內(nèi)同類企業(yè)相比，中科融合的優(yōu)勢一方面體現(xiàn)在機器視覺行業(yè)的專注度；另一方面體現(xiàn)在具有豐富的產(chǎn)品和案例經(jīng)驗。整體團隊上，公司有著MEMS精密光學、3D算法和SoC設計團隊，是一支成建制、跨領域、國際化的團隊，且團隊負責人都有著多年工作經(jīng)驗，為來自美國和新加坡的海歸芯片技術專家、外企高管以及創(chuàng)業(yè)者。
中科融合的MEMES動態(tài)機構光技術具有極高的技術壁壘和稀缺性，其核心3D智能相機模組和模組產(chǎn)品，可以廣泛應用在諸如生物識別、機器視覺、醫(yī)療影像、智能家居、自動駕駛、游戲影視、AR/VR設計等眾多需要3D建模和空間識別的應用場景。
中科融合SoC芯片算法底層代碼、硬件算子都是自主研發(fā)，集成了多個計算加速引擎，可以對數(shù)據(jù)的實時閉環(huán)處理，更好地保證光學成像的精準性。作為一顆算力芯片，它支持多種通用外設，包括攝像頭、千兆以太網(wǎng)、USB2.0/3.0等，可以被當作嵌入式系統(tǒng)開發(fā)使用。從商業(yè)角度上，這能為客戶在低成本的前提下提供更便捷的服務。
王總表示，中科融合MEMS微鏡芯片光機屬于第二代新技術，相當于第一代技術美國德州儀器100%壟斷的DLP十分之一的功耗、體積。而其核心器件VDPU智能處理SoC芯片則可以做到價格下降至1/10、功耗降低至1/30倍、體積下降至1/10。更值得一提的是，在中美科技戰(zhàn)的大背景下，3D視覺的純國產(chǎn)方案對我國產(chǎn)業(yè)鏈的安全至關重要。
總結
隨著人工智能技術的發(fā)展，智能機械作為一種新的產(chǎn)業(yè)形態(tài)正逐步融入我們的生產(chǎn)生活，智能機械芯片作為核心基礎技術是實現(xiàn)其“強芯”目標的關鍵所在。雖然我國在智能機械領域已具備一定的基礎，但我國在智能機械芯片技術方面與國際先進水平相比仍存在較大差距。
面對國內(nèi)外環(huán)境的變化和發(fā)展需求，必須以高度重視我國智能機械核心芯片技術發(fā)展為契機，以國家重大需求為導向，以基礎研究和關鍵共性技術為突破口，著力攻克一批制約我國智能機械發(fā)展的關鍵技術難題，盡快突破一批“卡脖子”技術，著力推動形成多層次、體系化的智能機械芯片核心技術研發(fā)體系，支撐智能機械產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。同時，要加強標準體系建設和應用推廣工作，構建技術標準、應用標準等多層次標準體系，引導企業(yè)加強自主創(chuàng)新，推動我國智能機械產(chǎn)業(yè)整體水平的提升。
