媒體視角 | 產(chǎn)研：發(fā)力工控市場(chǎng)，為何各大MCU巨頭紛紛支持 EtherCAT？

編者薦語：此次先楫的HPM6E00系列獲得EtherCAT授權(quán)，與國外MCU先進(jìn)廠商站在了同一起跑線上，也標(biāo)志著國產(chǎn)MCU在高端市場(chǎng)邁出了趕超國外同類競(jìng)品的重要一步。

作者專欄

工業(yè)控制是全球MCU的第二大應(yīng)用領(lǐng)域。這些MCU在PLC控制器、電機(jī)、儀表和工業(yè)機(jī)器人中起關(guān)鍵作用。Statista預(yù)計(jì)全球工業(yè)控制和自動(dòng)化市場(chǎng)將從2022年的2343億美元增長(zhǎng)到2026年的3396億美元，年均增長(zhǎng)率為9.7%。隨著我國制造業(yè)智能化水平的不斷升級(jí)，數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)械、鋰電設(shè)備、新能源汽車、機(jī)器人等高科技含量的新興產(chǎn)業(yè)逐漸嶄露頭角，MCU作為工業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵部件，必然朝向更高算力、更高智能和更低功耗的方向發(fā)展，從而推動(dòng)工控MCU的需求和性能不斷升級(jí)。

長(zhǎng)期關(guān)注工業(yè)控制的朋友大都了解，運(yùn)動(dòng)控制器是運(yùn)動(dòng)控制的大腦，分為PC-Based、專用控制器、PLC三類。其中核心的伺服系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)控制的中樞神經(jīng)和動(dòng)力系統(tǒng)，由伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、編碼器組成，而這三大類都離不開高算力MCU的支持。

國內(nèi)廠商意識(shí)到 EtherCAT 技術(shù)的重要性，逐步尋求獲得 ESC 授權(quán)，以提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力并參與更廣泛的 生態(tài)系統(tǒng)。中國工業(yè)芯片廠商在獲得ESC授權(quán)方面起步較晚，長(zhǎng)期以來使用的都是德州儀器、瑞薩、英飛凌等國外品牌 MCU。即便有些國內(nèi)芯片廠商宣稱支持 EtherCAT，授權(quán)也非來自 倍福Beckhoff 官方正版，帶來技術(shù)支持和軟件更新隱患，影響國產(chǎn)工控設(shè)備進(jìn)軍海外市場(chǎng)的合規(guī)性。因此，中國需要擁有自主可控、正牌官方授權(quán)的 EtherCAT 從站控制器的工業(yè)級(jí)高性能 MCU。而這一點(diǎn)，被先楫半導(dǎo)體做到了。

HPM6E00系列，來源：先楫半導(dǎo)體

HPM6E00系列震撼發(fā)布

近日，國產(chǎn)高端MCU代表廠商先楫半導(dǎo)體（HPMicro）推出的新款MCU——HPM6E00，面向工業(yè)自動(dòng)化、新能源及汽車電子三大應(yīng)用領(lǐng)域，已在編碼器和伺服驅(qū)動(dòng)器、微型逆變器、IMU、ECU和汽車座椅門控模塊等應(yīng)用中顯示出優(yōu)勢(shì)。HPM6E00系列產(chǎn)品提供RISC-V 雙核，主頻達(dá)600 MHz，片上內(nèi)存可達(dá) 2 MB。具備高性能運(yùn)動(dòng)控制、高實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)的特性、多達(dá)3端口的千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN: Time-Sensitive Networking)，支持32 路高分辨率 PWM 輸出、16位ADC、Σ? 數(shù)字濾波，帶有專業(yè)的編碼器管理模塊、靈活的外部總線和敏捷的硬件電流環(huán)功能，在高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中具備得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，該系列提供-40—105℃ Ta選項(xiàng)，滿足工業(yè)級(jí)和車規(guī)級(jí)環(huán)境需求。

據(jù)了解，HPM6E00是中國定義、中國設(shè)計(jì)、中國制造、為中國服務(wù)的產(chǎn)品，填補(bǔ)了國內(nèi)MCU市場(chǎng)的空白。值得重點(diǎn)關(guān)注的是，作為“國內(nèi)首款內(nèi)嵌ESC的高性能MCU”， 內(nèi)置倍福授權(quán)的正版EtherCAT ESC IP，解決了IP風(fēng)險(xiǎn)問題，標(biāo)志著我國工業(yè)MCU達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

為什么要選擇EtherCAT？

ESC 是 EtherCAT 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的核心芯片組件，為開發(fā)者和用戶提供統(tǒng)一接口，廣泛應(yīng)用于EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、伺服系統(tǒng)等運(yùn)動(dòng)設(shè)備的精確操控。ESC 芯片供應(yīng)商需要授權(quán)，但最終用戶、系統(tǒng)集成商等無需支付額外授權(quán)費(fèi)用。

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) 是一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，最初由德國的倍福公司（Beckhoff）開發(fā)。EtherCAT 具有快速、穩(wěn)定、靈活及向下兼容的特點(diǎn)，自2003年推出以來，已成為IEC國際標(biāo)準(zhǔn)和SEMI標(biāo)準(zhǔn)，并在2014年成為中國國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)。EtherCAT 技術(shù)協(xié)會(huì)（ETG）推廣和研發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。

據(jù)了解， EtherCAT 適用于機(jī)器人、機(jī)床、包裝機(jī)械、印刷機(jī)、塑料制造機(jī)器、沖壓機(jī)、半導(dǎo)體制造機(jī)器、試驗(yàn)臺(tái)、測(cè)試系統(tǒng)、抓取機(jī)器、電廠、變電站、材料處理應(yīng)用、行李運(yùn)送系統(tǒng)、舞臺(tái)控制系統(tǒng)、自動(dòng)化裝配系統(tǒng)、紙漿和造紙機(jī)、隧道控制系統(tǒng)、焊接機(jī)、起重機(jī)和升降機(jī)、農(nóng)場(chǎng)機(jī)械、海岸應(yīng)用、鋸木廠、窗戶生產(chǎn)設(shè)備、樓宇控制系統(tǒng)、鋼鐵廠、風(fēng)機(jī)、家具生產(chǎn)設(shè)備、銑床、自動(dòng)引導(dǎo)車、娛樂自動(dòng)化、制藥設(shè)備、木材加工機(jī)器、平板玻璃生產(chǎn)設(shè)備、稱重系統(tǒng)等領(lǐng)域。特別是在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，全球四大機(jī)器人廠商都采用了EtherCAT總線通訊。

EtherCAT 是最快的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，提供納秒級(jí)精確同步。它能顯著提高應(yīng)用效率，減少處理步驟中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換等待時(shí)間。相較于其他總線系統(tǒng)，EtherCAT 能減少 25%-30% 的 CPU 負(fù)載。在最佳情況下，EtherCAT 性能可以提高精度，獲得更高的吞吐量，并降低成本。

時(shí)間要求苛刻的任務(wù)，降低設(shè)備成本。EtherCAT 不需交換機(jī)或其他有源基礎(chǔ)組件，節(jié)省組件及其安裝、配置和維護(hù)成本。

筆者根據(jù)公開資料，總結(jié)了一下EtherCAT 的技及優(yōu)勢(shì)：

EtherCAT 的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，來源：與非研究院整理

EtherCAT 使配置、檢測(cè)、維護(hù)變得簡(jiǎn)單：自動(dòng)配置地址，無需手動(dòng)配置。低總線負(fù)載和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的物理層改善抗電磁干擾能力。網(wǎng)絡(luò)可準(zhǔn)確定位潛在干擾，減少故障排除時(shí)間。EtherCAT 出色的性能降低網(wǎng)絡(luò)調(diào)試需求，高帶寬可將 TCP/IP 與控制數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸。無需使用 MAC 或 IP 地址，不需 IT 專家配置交換機(jī)或路由器。

EtherCAT的運(yùn)行原理，來源：EGT

EtherCAT 應(yīng)用中，機(jī)器結(jié)構(gòu)決定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，無需交換機(jī)或集線器，幾乎無限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)可組成線型、樹型、星型拓?fù)浼捌浣M合。具備自動(dòng)鏈接檢測(cè)功能，節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)段可在運(yùn)行中斷開及重新連接。線型拓?fù)淇梢酝卣篂?a target="_blank">環(huán)形拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)線纜冗余。主站設(shè)備僅需第二個(gè)以太網(wǎng)口，而從站設(shè)備已具備冗余功能，因此可在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行設(shè)備交換。

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EtherCAT 的關(guān)鍵在于其節(jié)點(diǎn)對(duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的處理：每個(gè)節(jié)點(diǎn)讀取并寫入數(shù)據(jù)幀，使得每個(gè)周期通常用一個(gè)數(shù)據(jù)幀實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)刷新，網(wǎng)絡(luò)無需使用交換機(jī)或集線器。這種方式提高了帶寬利用率和實(shí)時(shí)性，保證了高效的數(shù)據(jù)傳輸和處理。隨著工業(yè)4.0的推進(jìn)，EtherCAT技術(shù)將在工業(yè)自動(dòng)化和智能化領(lǐng)域扮演越來越重要的角色，成為新一代工業(yè)控制系統(tǒng)的標(biāo)配。其高性能、靈活性和低成本優(yōu)勢(shì)將推動(dòng)其在更多應(yīng)用場(chǎng)景中的廣泛應(yīng)用。

Ethercat的市場(chǎng)現(xiàn)狀？

2020 年 Ethercat 通信協(xié)議控制器成為主流，來源：睿工業(yè),平安證券研究所

近年來，中國政府正在大力推動(dòng)工業(yè)升級(jí)和智能制造，對(duì)高性能通信協(xié)議需求越來越大。在工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)景下，通訊協(xié)議需要具備實(shí)時(shí)性和高容錯(cuò)率，例如生產(chǎn)線上的電機(jī)協(xié)同工作需近乎實(shí)時(shí)且無縫對(duì)接。Ethercat 通信協(xié)議憑借其實(shí)時(shí)性、低時(shí)延逐漸取代其它的工業(yè)通信協(xié)議占據(jù)市場(chǎng)份額。先楫半導(dǎo)體創(chuàng)始人兼CEO曾勁濤對(duì)筆者表示，傳統(tǒng)的485通信速度較低，更高的數(shù)據(jù)傳輸速率（如千兆）能夠大幅提升傳輸速度和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，提高效率并降低錯(cuò)誤率。此外，由于串行協(xié)議具有良好的可靠性和實(shí)用性，使得實(shí)時(shí)通訊在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用成為可能。

現(xiàn)場(chǎng)總線、 工業(yè)以太網(wǎng)和無線的市場(chǎng)份額（來源：HMS Networks，2024 年）

根據(jù)HMS Networks（2024年）的數(shù)據(jù)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)正在快速擴(kuò)展，預(yù)計(jì)2024年將增長(zhǎng)7%。工業(yè)以太網(wǎng)在市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，占所有新安裝節(jié)點(diǎn)的71%（去年為68%）?，F(xiàn)場(chǎng)總線的使用率從24%下降到22%，無線技術(shù)略微下降，從8%降到7%。在主要競(jìng)爭(zhēng)者中，PROFINET以23%的新安裝節(jié)點(diǎn)占據(jù)首位，其次是EtherNet/IP，占21%，而EtherCAT的占比為16%。

近年來EtherCAT節(jié)點(diǎn)數(shù)量增長(zhǎng)情況（來源：ETG）

2023年，EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì)（ETG）報(bào)告全球節(jié)點(diǎn)數(shù)量已達(dá)7700萬個(gè)，僅2023年一年就新增了1800萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。這一增長(zhǎng)基于實(shí)際銷售的EtherCAT芯片數(shù)量，不包括總線模塊中使用的芯片。ETG執(zhí)行董事Martin Rostan指出，盡管半導(dǎo)體危機(jī)和整體經(jīng)濟(jì)環(huán)境的降溫，EtherCAT的增長(zhǎng)仍保持強(qiáng)勁。

EtherCAT技術(shù)由ETG管理和推廣，提供技術(shù)支持并確保兼容性。EtherCAT主站的實(shí)施授權(quán)是免費(fèi)的，但需要保證協(xié)議的兼容性。對(duì)于從站設(shè)備，授權(quán)費(fèi)用已包含在EtherCAT ESC芯片的價(jià)格中。

EtherCAT陣營的玩家有哪些？

據(jù)了解，目前市面上的EtherCAT從站方案主要由歐美原廠推出，傳統(tǒng)方案如倍福的ET1100芯片，需要主控+ESC+PHY的組合，成本較高，難以適應(yīng)國內(nèi)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)節(jié)奏。另一種是集成了PHY的ESC方案，如LAN925和AX58100，成本有所降低。第三種是瑞薩n2l、英飛凌等廠商的方案，將主控集成到ESC中，性能逐步提高。

EtherCAT相關(guān)方案及產(chǎn)品類型（部分），來源：與非研究院整理

任何一個(gè)EtherCAT從站，無論是IO模塊，還是伺服電機(jī)，都需要ESC來實(shí)現(xiàn)EtherCAT通信。ESC可分為以下幾種：

ASIC芯片形式的ESC：開發(fā)一個(gè)從站需要購買一個(gè)ESC，50個(gè)從站需要50個(gè)ESC。比如Beckhoff的ET1100、ET1200；Hilscher的netX500、netX51、netX52、netX100；ADI的TMC8462；HMS的Anybus NP40等。一般形式是一個(gè)微控制器配合一個(gè)ESC，再加上外接的PHY等器件。有些ESC如ET1100在沒有微控制器作為主控的情況下也可作為一個(gè)簡(jiǎn)單的EtherCAT從站，但只能實(shí)現(xiàn)最基礎(chǔ)的IO點(diǎn)功能。

IP Core形式的ESC：此類ESC以IP Core的形式存在，開發(fā)任何數(shù)量的從站只需購買一次IP Core即可。如Beckhoff的ET1810/1811/1812（用于Altera FPGA）和ET1851/1816/1817（用于Xilinx FPGA）。這種方式使用FPGA實(shí)現(xiàn)ESC功能，提供高性能和靈活性。

集成了PHY的ESC解決方案：如亞信電子的AX58100、AX58200和AX58400；Microchip的LAN9252、LAN9253和LAN9254。這些方案集成了PHY，降低了成本。

主控集成了ESC：如英飛凌的XMC4300、XMC4800；瑞薩電子的RZ/N2L、RZ/T2M、RX72M等。性能更高。

EtherCAT從站設(shè)備使用價(jià)格低廉的從站控制器芯片（ESC）。ESC可以是ASIC、FPGA，或集成有該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的微控制器。對(duì)于簡(jiǎn)單的EtherCAT從站設(shè)備，甚至無需額外的微控制器，其輸入輸出可直接與ESC連接。對(duì)于較復(fù)雜的從站設(shè)備，微控制器性能會(huì)略微影響其通信性能，多數(shù)情況下，一個(gè)8位的微控制器就足夠了。授權(quán)需要從EtherCAT的專利方Beckhoff獲得。目前，EtherCAT的從站控制器可以從亞信電子、先楫半導(dǎo)體、Beckhoff、Hilscher、HMS、英飛凌、Innovasic、Microchip、Profichip、德州儀器、ADI（收購了Trinamics）、瑞薩電子、Intel及AMD（收購了Xilinx）獲取。

盡管EtherCAT廣受歡迎，但獲得倍福公司IP授權(quán)的MCU產(chǎn)品數(shù)量有限。目前，獲得倍福授權(quán)的MCU產(chǎn)品主要來自歐美廠商，如英飛凌、Microchip、TI和瑞薩電子。近年來，國內(nèi)EtherCAT芯片技術(shù)取得顯著進(jìn)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了新的國產(chǎn)解決方案，進(jìn)一步推動(dòng)了EtherCAT在中國的采用。

國產(chǎn)EtherCAT芯片，來源：與非研究院整理

近幾年，國內(nèi)EtherCAT芯片技術(shù)快速發(fā)展，國產(chǎn)ESC芯片逐漸出現(xiàn)。除了先楫半導(dǎo)體推出的HPM6E00之外，還有例如亞信電子的AX58100、AX58200和AX58400，中科微的CT1130系列。這些方案降低了成本，提高了性能，增強(qiáng)了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力?？偟膩砜矗瑹o論是ASIC芯片、IP Core形式的ESC，還是集成了PHY或主控的ESC解決方案，EtherCAT技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用將不斷擴(kuò)大和深化。

總結(jié)：國產(chǎn)MCU如何在高端市場(chǎng)進(jìn)行突破？

過去幾年，國產(chǎn)MCU得益于芯片缺貨，順利的在8位、32位通用MCU市場(chǎng)擴(kuò)展了市場(chǎng)份額。但隨著芯片缺貨結(jié)束，潮水褪去，通用MCU市場(chǎng)重新陷入價(jià)格戰(zhàn)的內(nèi)卷。而在競(jìng)爭(zhēng)不那么激烈的高端市場(chǎng)，依然被國外龍頭廠商主導(dǎo)。相關(guān)報(bào)道，可關(guān)注《產(chǎn)研：極度內(nèi)卷，2024年國產(chǎn)MCU往何處去》。

這其中，工業(yè)自動(dòng)化、新能源和汽車電子是MCU行業(yè)的代表性高端應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)MCU的計(jì)算能力、控制能力和通訊能力提出了非常高的要求。而這個(gè)市場(chǎng)也是國產(chǎn)MCU需要攻克的最后的堡壘。

筆者認(rèn)為，憑借工業(yè)、汽車領(lǐng)域的多年市場(chǎng)和技術(shù)積累，國外廠商建立了深厚的護(hù)城河，這部分高端MCU要進(jìn)行替代非常困難，但正因?yàn)槠淅щy，才顯得有價(jià)值，才有機(jī)會(huì)擺脫無效的低端內(nèi)卷。作為近幾年來在高端MCU領(lǐng)域嶄露頭角的國產(chǎn)MCU廠商，先楫半導(dǎo)體一直致力于高性能MCU的研發(fā)，其之前推出的HPM5300就針對(duì)高性能運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行了優(yōu)化。據(jù)筆者了解，倍福對(duì)于EtherCAT的授權(quán)非常謹(jǐn)慎，目前挑選的授權(quán)合作伙伴并不多，需要在不同的細(xì)分領(lǐng)域具有獨(dú)特的特點(diǎn)或優(yōu)勢(shì)的廠商才會(huì)進(jìn)行授權(quán)。

此次先楫的HPM6E00系列獲得EtherCAT授權(quán)，與國外MCU先進(jìn)廠商站在了同一起跑線上，也標(biāo)志著國產(chǎn)MCU在高端市場(chǎng)邁出了趕超國外同類競(jìng)品的重要一步。隨著工業(yè)設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度的需求不斷增加，EtherCAT將進(jìn)一步提升通信速度，以適應(yīng)更高帶寬的應(yīng)用，并增強(qiáng)與其他通信協(xié)議和設(shè)備的兼容性，提供靈活的解決方案。在未來的工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人等高需求應(yīng)用場(chǎng)景下，相信將會(huì)有越來越多的MCU廠商加入到EtherCAT的陣營之中。