從傳感器節(jié)點(diǎn)開(kāi)始經(jīng)云端，了解工業(yè)4.0

目前工業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型正在全面展開(kāi)。幾乎每個(gè)人都在使用（工業(yè)）物聯(lián)網(wǎng)、智能工廠或信息物理（生產(chǎn)）系統(tǒng)這樣的流行語(yǔ)。在工業(yè)強(qiáng)國(guó)之一的德國(guó)，它被稱為 Industrie 4.0，而在世界的其他部分則被稱為“工業(yè)4.0”。

然而，似乎沒(méi)有人知道它的確切含義——雖然存在各種不同的解釋，但沒(méi)有明確的定義。對(duì)許多人來(lái)說(shuō)，邁向工業(yè) 4.0 已成為日常生活的一部分，不斷的重復(fù)使得這一概念不再新鮮。盡管數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為頻繁使用的流行語(yǔ)，但對(duì)工業(yè)4.0 的理解也毫無(wú)幫助。

聚焦于工業(yè) 4.0，尤其是在德國(guó)，很多行業(yè)都受政治影響。但其他國(guó)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到其對(duì)本國(guó)經(jīng)濟(jì)和競(jìng)爭(zhēng)力的積極影響，鼓勵(lì)它們進(jìn)一步創(chuàng)新。在這種情況下，政府官員正在推動(dòng)一種將供應(yīng)商視角和用戶公司視角結(jié)合起來(lái)的雙重戰(zhàn)略，主要領(lǐng)域是工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)械/制造工程。制造商一方面必須將新的高效智能技術(shù)用于自己的生產(chǎn)過(guò)程，另一方面還要將這些技術(shù)和產(chǎn)品投向市場(chǎng)。

相比之下，所有人都同意工業(yè)4.0不僅能推動(dòng)新技術(shù)和智能產(chǎn)品發(fā)展，而且有助于擴(kuò)展生產(chǎn)部門。這同時(shí)為駕馭現(xiàn)有及新興市場(chǎng)不斷增強(qiáng)的市場(chǎng)動(dòng)能和復(fù)雜性創(chuàng)造了條件。能在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮作用的公司似乎擁有特別好的起跑位置。

這點(diǎn)尤其適用于半導(dǎo)體行業(yè)中的公司。如 ADI 公司等半導(dǎo)體制造商已經(jīng)在消化這個(gè)復(fù)雜的概念，將自己的生產(chǎn)線轉(zhuǎn)變成全自動(dòng)智能工廠。ADI 公司還向制造業(yè)中的公司提供創(chuàng)新技術(shù)，幫助它們將其制造設(shè)施改造成智能工廠。但是，要開(kāi)始這種轉(zhuǎn)變，必須認(rèn)識(shí)到它在帶來(lái)附加值、提高生產(chǎn)率并相應(yīng)地降低成本的同時(shí)，也需要付出大量努力。

工業(yè)4.0不僅意味著生產(chǎn)的變化和技術(shù)的擴(kuò)張，而且意味著對(duì)創(chuàng)新商業(yè)模式的需求在不斷增加。關(guān)于工業(yè) 4.0 已進(jìn)行廣泛的討論，并有很多不同的解讀，研究結(jié)果大致可以分為三個(gè)方面：新技術(shù)、新產(chǎn)品和新商業(yè)模式。所有這三個(gè)方面一起涵蓋了生產(chǎn)及其產(chǎn)品的整個(gè)價(jià)值鏈——從傳感器節(jié)點(diǎn)開(kāi)始經(jīng)云端再到下游服務(wù)（圖1）。

圖1.當(dāng)前的信號(hào)鏈

通常會(huì)有一個(gè)含某種形式傳感器或執(zhí)行器的節(jié)點(diǎn)，其同時(shí)建立與真實(shí)物理世界的聯(lián)系通路。往來(lái)這些器件的信號(hào)常常相當(dāng)小，并且是源自高噪聲的惡劣環(huán)境。必須對(duì)其進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)發(fā)到信號(hào)鏈中的下一個(gè)鏈路。

由于此信號(hào)鏈存在問(wèn)題，必須改變信號(hào)鏈。最初是將純數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，但已有越?lái)越多的數(shù)據(jù)處理發(fā)生在節(jié)點(diǎn)上，如圖 2 所示。

圖2.未來(lái)的信號(hào)鏈

這種數(shù)據(jù)處理需要節(jié)點(diǎn)上具備更高的洞察力和知識(shí)——將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息。這種智能檢測(cè)技術(shù)可降低整體功耗，減少帶寬浪費(fèi)，促成反應(yīng)型IIoT到預(yù)測(cè)型和實(shí)時(shí)IIoT的轉(zhuǎn)變。

這就涉及到技術(shù)。許多半導(dǎo)體制造商已將其列為其核心競(jìng)爭(zhēng)力之一，并且需要不斷改進(jìn)。

另外，能源效率也發(fā)揮著重要作用。半導(dǎo)體制造商受到鼓勵(lì)，不僅利用其專業(yè)知識(shí)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，而且發(fā)展自己的設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)，因?yàn)槁?lián)網(wǎng)是IIoT整體解決方案的重要組成部分。無(wú)論有線還是無(wú)線，未來(lái)對(duì)這兩種技術(shù)的需求會(huì)越來(lái)越多，必須將二者納入解決方案組合中。

如果深入系統(tǒng)層面并專注于垂直細(xì)分市場(chǎng)，則可以為客戶提供更完整的系統(tǒng)。就完整硬件平臺(tái)而言，節(jié)點(diǎn)可以與相應(yīng)的軟件包一起提供。這可能還包括相關(guān)算法，用來(lái)分析節(jié)點(diǎn)中的已有數(shù)據(jù)，最終只將結(jié)果傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)（云端），減少信息的數(shù)據(jù)量。

雖然工業(yè)4.0是一個(gè)有意義且重要的話題，但半導(dǎo)體制造商在選擇過(guò)程中必須非常小心。整個(gè)市場(chǎng)仍處于摸索階段，有必要了解您在什么領(lǐng)域以及如何正確應(yīng)用自己的實(shí)力和技術(shù)，以滿足客戶或應(yīng)用的真正需求。

IIoT市場(chǎng)有哪些新需求？

考慮到工業(yè)價(jià)值鏈，市場(chǎng)需求在未來(lái)將會(huì)發(fā)生變化。這就是為什么半導(dǎo)體制造商必須將自己的企業(yè)和產(chǎn)品適應(yīng)智能工廠的現(xiàn)實(shí)原因，當(dāng)然還有其他原因。技術(shù)趨勢(shì)正朝著智能和超高效節(jié)能產(chǎn)品以及（如可能）集成安全安保功能和能源采集能力方向發(fā)展。

圖3顯示了這樣一個(gè)器件或者說(shuō)一個(gè)完整的系統(tǒng)，其中以 ADI 公司基于 MEMS 的加速度計(jì) ADXL356 為例。

圖3.基于MEMS的智能傳感器解決方案

ADXL356是一款低功耗、低噪聲、3軸加速度計(jì)，具有超低失調(diào)漂移。由于其密封封裝，ADXL356特別適合惡劣環(huán)境條件下的精確傾斜測(cè)量，以及低功耗或電池供電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的高性能（長(zhǎng)時(shí)間）測(cè)量。這些應(yīng)用需要預(yù)測(cè)性維護(hù)和狀態(tài)監(jiān)控。兩者均與工業(yè)4.0密切相關(guān)。在這些操作中，必須確定驅(qū)動(dòng)元件的損壞程度，例如通過(guò)執(zhí)行永久或定期振動(dòng)診斷來(lái)確定。

對(duì)于此類智能傳感器解決方案，如圖2所示，加速度計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它通過(guò)其他功能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展：利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器以及各種模擬和數(shù)字（部分隔離或無(wú)線）接口集成信號(hào)處理。無(wú)線接口支持以太網(wǎng)、6LoWPAN或WirelessHART等通信標(biāo)準(zhǔn)，具有最高的可靠性。特別是對(duì)于后兩種標(biāo)準(zhǔn)，SmartMesh IP?和SmartMesh? WirelessHart等無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)提供了非常好的解決方案。前者符合6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供原生IPv6尋址能力，并使傳感器數(shù)據(jù)易于從云端訪問(wèn)。后者符合針對(duì)工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)(IEC 62591)，能夠與其他供應(yīng)商的 WirelessHART 設(shè)備進(jìn)行互操作。兩者均提供極其可靠且安全的數(shù)據(jù)傳輸，采用 AES 128 位端對(duì)端加密技術(shù)，最多可擴(kuò)展至 50,000 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

最后，在這些系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可忽視功能安全。為了能讓安全性成為完整系統(tǒng)解決方案的一部分，半導(dǎo)體制造商還應(yīng)當(dāng)投資于網(wǎng)絡(luò)安全解決方案(CSS)和加密等技術(shù)。

類似圖3所示的系統(tǒng)帶來(lái)的后果是，可用的芯片級(jí)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品會(huì)較少，因?yàn)閷?lái)可以將其集成在電路板上。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的集成已經(jīng)在硅片上發(fā)生，或置于封裝中成為系統(tǒng)化封裝(SiP)。這意味著制造商必須對(duì)芯片級(jí)或者至少電路板級(jí)以及相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)有深入的了解。這樣，客戶可以更多地關(guān)注自己的應(yīng)用，從而讓自己與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手區(qū)隔開(kāi)來(lái)。

ADI公司之類的供應(yīng)商必須考慮使用或整合來(lái)自其他市場(chǎng)的成熟技術(shù)。這可能有助于降低高成本并延長(zhǎng)生命周期。其他產(chǎn)品中成功實(shí)施技術(shù)的一個(gè)例子是MEMS。MEMS技術(shù)過(guò)去從未被用于創(chuàng)建加速度計(jì)之外的器件，但現(xiàn)在已被用于ADGM1304等超快速開(kāi)關(guān)。這款集成驅(qū)動(dòng)器的單刀四擲(SP4T)開(kāi)關(guān)可在0 Hz/直流至14 GHz的頻率范圍內(nèi)工作，因而是各種射頻應(yīng)用或繼電器替代產(chǎn)品的理想開(kāi)關(guān)解決方案。

這種技術(shù)組合不僅有助于服務(wù)個(gè)別客戶，而且可以幫助制造商進(jìn)入不同（有時(shí)甚至是新的）市場(chǎng)。在很多情況下，制造商的各種技術(shù)可以通過(guò)這種方式輕松組合，創(chuàng)建新型高效應(yīng)用。

然而，半導(dǎo)體制造商僅僅擴(kuò)展其傳感器和其他半導(dǎo)體器件的范圍是不夠的。為了繼續(xù)被視為全球市場(chǎng)參與者，并充分挖掘工業(yè)4.0的潛力，其產(chǎn)品組合也應(yīng)該在通信技術(shù)領(lǐng)域得到拓展。例如，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域可以清楚地看到向以太網(wǎng)（準(zhǔn)確的說(shuō)是確定性以太網(wǎng)）的轉(zhuǎn)變。出于該原因，ADI公司最近收購(gòu)了確定性以太網(wǎng)領(lǐng)域的半導(dǎo)體和軟件解決方案供應(yīng)商Innovasic。通過(guò)此次收購(gòu)，ADI公司增加了關(guān)于高度同步網(wǎng)絡(luò)中的魯棒實(shí)時(shí)連接的專業(yè)技術(shù)，從而利用獨(dú)特的軟件解決方案擴(kuò)展產(chǎn)品組合。因此，即使在數(shù)字化趨勢(shì)盛行的當(dāng)下，許多半導(dǎo)體制造商的目標(biāo)仍是從模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向垂直系統(tǒng)領(lǐng)域，以提供連接物理與數(shù)字世界的完整系統(tǒng)解決方案。

然而，為了引起客戶對(duì)此類系統(tǒng)的興趣，可能有一些因素比較重要。不僅是適當(dāng)?shù)能浖?，還包括軟件周圍的工具和合乎需要的生態(tài)系統(tǒng)，這將為客戶創(chuàng)造附加值。因此，未來(lái)還需要用于分析所生成數(shù)據(jù)的新服務(wù)和算法。

未來(lái)附加值對(duì)客戶意味著什么？

如今，客戶的資源越來(lái)越多地被引入軟件之中。這對(duì)整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)，意味著必須向客戶提供更多更高效的開(kāi)發(fā)工具，而且還要提供培訓(xùn)機(jī)會(huì)、文檔和支持；可以是直接提供，通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)提供，或是通過(guò)分銷商提供。

當(dāng)然，僅僅因?yàn)榧夹g(shù)上可行就開(kāi)發(fā)所有這些具備工業(yè)4.0功能的產(chǎn)品和系統(tǒng)是沒(méi)有任何意義的。重要的是必須為客戶帶來(lái)顯著的附加值。為了證明購(gòu)買和運(yùn)行工業(yè)4.0應(yīng)用所導(dǎo)致的額外成本是正當(dāng)合理的，必須讓客戶能看到并獲得此附加值。

通常，與客戶相關(guān)的附加值可以歸為以下三大類：

• 通過(guò)節(jié)省時(shí)間、資源和金錢提高運(yùn)營(yíng)效率；

• 通過(guò)分析使用數(shù)據(jù)提高客戶滿意度和忠誠(chéng)度；

• 通過(guò)擴(kuò)展或創(chuàng)新商業(yè)模式創(chuàng)造額外的收入流。

智能產(chǎn)品的成功與附加值能否得到認(rèn)可直接相關(guān)。這些因素最終決定了所有與實(shí)施相關(guān)的技術(shù)和商業(yè)參數(shù)，因此應(yīng)詳細(xì)分析。分析的結(jié)果也可能是產(chǎn)品理念在經(jīng)濟(jì)上不可行，或至少目前尚不可行。為使開(kāi)發(fā)更加可行，以及為了更快速、更有效地集成到系統(tǒng)中，來(lái)自制造商的支持將會(huì)發(fā)揮重要作用。制造商將把他們的專業(yè)知識(shí)嵌入客戶的開(kāi)發(fā)流程中，從而減少客戶需要付出的額外努力和成本。此外，制造商可以繼續(xù)致力于其核心業(yè)務(wù)，無(wú)需浪費(fèi)寶貴的時(shí)間去學(xué)習(xí)新技術(shù)，而合作伙伴和其他協(xié)作方可以幫助推動(dòng)持續(xù)增長(zhǎng)。

雖然工業(yè)4.0有諸多優(yōu)點(diǎn)，但問(wèn)題是為什么許多企業(yè)尚未投資于智能工廠？

猶豫的原因

主要障礙之一是企業(yè)尚未認(rèn)識(shí)到智能工廠會(huì)帶來(lái)重大利益，故不愿付出相關(guān)成本。例如，由于缺乏貨幣化評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，目前要計(jì)算投資回報(bào)率(ROI)仍然相當(dāng)困難。因此，半導(dǎo)體制造商必須提高客戶的意識(shí)，提供教育資料以說(shuō)明智能工廠的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)指出投資智能工廠會(huì)獲得的價(jià)值。投資對(duì)于新技術(shù)和商業(yè)模式，以及開(kāi)發(fā)和拓展?fàn)I銷活動(dòng)、資格認(rèn)定措施、銷售管理都是必要的。

隨著生產(chǎn)部門的轉(zhuǎn)型，數(shù)據(jù)和IT安全等問(wèn)題愈來(lái)愈重要。這些內(nèi)容不僅僅是成功導(dǎo)入工業(yè)4.0的重要要求，還必須在數(shù)字系統(tǒng)中作為關(guān)鍵的采納和成功因素加以實(shí)施。

此外，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，重要的是要在開(kāi)始實(shí)施工業(yè)4.0的早期階段制定基本戰(zhàn)略路線，收集相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。然而，這個(gè)過(guò)程需要耐心，因?yàn)樵S多相關(guān)技術(shù)可能要經(jīng)過(guò)5年、10年甚至更長(zhǎng)時(shí)間才能充分展現(xiàn)其潛力。而且，由于缺乏明確的定義，工業(yè) 4.0將于何時(shí)完全實(shí)現(xiàn)并沒(méi)有一個(gè)確切日期。與其談?wù)摗肮I(yè)革命”，不如使用“工業(yè)演進(jìn)”可能更有意義。

隨著生產(chǎn)環(huán)境的改變，新的參與者和競(jìng)爭(zhēng)者也將出現(xiàn)或影響市場(chǎng)。聯(lián)盟即將出現(xiàn)，并會(huì)對(duì)塑造生產(chǎn)形象產(chǎn)生重大影響。廠房里的活動(dòng)對(duì)企業(yè)未來(lái)的影響將越來(lái)越小。另外，軟件和服務(wù)業(yè)也將發(fā)揮重要作用，因?yàn)橹挥袑⑻摂M與現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)系并融合起來(lái)，才能確保制造商實(shí)現(xiàn)最大生產(chǎn)潛力。

盡管如此，半導(dǎo)體制造商不應(yīng)忽視其過(guò)去已獲成功或現(xiàn)在仍很成功的現(xiàn)有業(yè)務(wù)或產(chǎn)品。這些主要產(chǎn)品應(yīng)該進(jìn)一步發(fā)展，并通過(guò)保持適當(dāng)?shù)闹圃炷芰υ谖磥?lái)繼續(xù)予以支持。雖然當(dāng)今的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)非常穩(wěn)定，也將繼續(xù)作為未來(lái)的基礎(chǔ)，但基于其基本架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)仍有必要。例如，隨著更小尺寸的工藝被用于此類產(chǎn)品，要實(shí)現(xiàn)相同甚至更好的性能并不容易。

新市場(chǎng)趨勢(shì)下的適度增長(zhǎng)

近年來(lái)的大型并購(gòu)案引發(fā)了半導(dǎo)體市場(chǎng)的整合。銷售和分銷從器件轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。要在未來(lái)取得成功，個(gè)人或公司必須認(rèn)識(shí)到工業(yè)4.0中的顛覆性技術(shù)和新市場(chǎng)的潛力，從而重新找準(zhǔn)定位。企業(yè)必須持續(xù)利用好半導(dǎo)體行業(yè)的少數(shù)幾個(gè)有機(jī)增長(zhǎng)源。遺憾的是，半導(dǎo)體行業(yè)年銷售額增長(zhǎng)30%至40%的輝煌已成往事，現(xiàn)在這種增長(zhǎng)率似乎已經(jīng)結(jié)束。2015至2020年間，年均增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)只有3.4%。企業(yè)必須思考以下基本戰(zhàn)略問(wèn)題：未來(lái)增長(zhǎng)將源自何方？

以下增長(zhǎng)來(lái)源可能至關(guān)重要：由碳化硅(SiC)制成的功率半導(dǎo)體目前被視為未來(lái)產(chǎn)品的新增長(zhǎng)源。與普通硅制半導(dǎo)體產(chǎn)品相比，碳化硅產(chǎn)品速度更快、更魯棒、效率更高，因而被認(rèn)為是顛覆市場(chǎng)的技術(shù)。由于對(duì)混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車以及再生發(fā)電和某些工業(yè)應(yīng)用的需求不斷增長(zhǎng)，SiC及其姊妹技術(shù)——氮化鎵 (GaN)技術(shù)——在未來(lái)幾年將占據(jù)主導(dǎo)地位。

結(jié)論

作為更大的物聯(lián)網(wǎng)（也被稱為“萬(wàn)物互聯(lián)”）的一部分，工業(yè) 4.0 擁有巨大的潛力。在未來(lái)幾十年中，其市場(chǎng)價(jià)值預(yù)計(jì)在萬(wàn)億級(jí)范圍。在工業(yè) 4.0 的幫助下，任何能夠提高生產(chǎn)力的東西都會(huì)讓不同規(guī)模的公司產(chǎn)生濃厚興趣。

為了充分發(fā)掘物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的全部潛力，需要的不僅僅是硬件。我們需要的是一個(gè)由硬件、軟件和服務(wù)組成的生態(tài)系統(tǒng)。這種新環(huán)境鼓勵(lì)小型靈活的公司與大公司開(kāi)展合作。

但是，半導(dǎo)體制造商不應(yīng)忽視當(dāng)前趨勢(shì)和工業(yè)4.0熱潮之外的發(fā)展。有些技術(shù)傳統(tǒng)上屬于某個(gè)市場(chǎng)，但最終也會(huì)影響其他市場(chǎng)，比如5G。傳統(tǒng)上，5G是用于移動(dòng)設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的通信技術(shù)。但在未來(lái)，推動(dòng)5G需求的市場(chǎng)之一將是汽車市場(chǎng)。與其他系統(tǒng)的通信對(duì)于自動(dòng)駕駛尤為重要。每輛車都成為一個(gè)復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的一部分，其中通信起著關(guān)鍵作用。除了汽車之間的數(shù)據(jù)交換以外，這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)還包括路邊基礎(chǔ)設(shè)施、5G網(wǎng)絡(luò)和大型數(shù)據(jù)中心。此外，車輛依靠攝像頭、激光雷達(dá)、雷達(dá)等傳感器來(lái)獲取有關(guān)環(huán)境的必要信息。整個(gè)通信系統(tǒng)必須協(xié)同工作。鑒于自動(dòng)駕駛需要以更高速度、更低延遲和超強(qiáng)可靠性處理大量數(shù)據(jù)，5G似乎是目前最有前途的通信標(biāo)準(zhǔn)。

總之，工業(yè)4.0智能工廠的轉(zhuǎn)型以及其所需的技術(shù)，為半導(dǎo)體制造商創(chuàng)造了巨大的可能和成功。