眾所周知，工控自動化的發(fā)展，背靠信息技術、計算機技術及通信技術的三者融合，也離不開電力電子元器件的持續(xù)迭代。同時，還有三大支柱產(chǎn)業(yè)支撐著現(xiàn)代工業(yè)自動化，分別是工業(yè)機器人、PLC、CAD/CAM。由此，我們談到工業(yè)控制，可以聯(lián)系到無數(shù)相關的軟硬件及系統(tǒng)解決方案，甚至電子元器件。那么其中有哪些關鍵的元素，在工業(yè)控制系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用？
工業(yè)控制系統(tǒng)中
發(fā)揮重要作用的核心半導體技術
工業(yè)控制主要是通過電力電子、儀器儀表測量和信息通訊等技術對工業(yè)生產(chǎn)過程進行檢測與控制，從而在保證準確性的同時，提高生產(chǎn)效率。集成電路被喻為現(xiàn)代工業(yè)的“糧食”，在工控設備領域的應用主要有儀器儀表、系統(tǒng)控制類、電機控制類和工業(yè)電腦類等，涉及的集成電路產(chǎn)品有MCU（微控制器）、嵌入式存儲芯片、MOS邏輯器件以及電源電路等等。因而半導體技術之于工業(yè)控制系統(tǒng)的重要性，可見一斑。也正是這些核心半導體技術，構(gòu)成了后續(xù)產(chǎn)品高附加值的底層邏輯。
意法半導體功率模擬市場部工業(yè)技術市場經(jīng)理——姚春雷認為，有多項半導體技術在工業(yè)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，包括嵌入式AI、VIPower和BCD等技術。
嵌入式AI的技術原理是通過STM32Cube. AI和NanoEdge AI Studio等軟件，讓AI技術在MCU及傳感器上部署運行。通過嵌入式AI技術，工程師可以把訓練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)部署到各種STM32 MCU上，從而通過人工智能來促進工業(yè)自動化系統(tǒng)從集中式向分布式轉(zhuǎn)型。
VIPower? 縱向智能功率，是意法半導體開發(fā)的一項功率器件制造技術，自1991年開始投產(chǎn)至今，依然在工控系統(tǒng)中發(fā)揮著光和熱。VIPower 技術為中/高功率工業(yè)設備帶來功率控制、保護和診斷功能。該技術在單片集成縱向雙擴散MOS功率器件及其溫度傳感器和電流傳感器、CMOS晶體管和高壓元器件，用于設計功率模擬混合信號集成電路。在最新一代VIPower技術中， TrenchFET溝槽效應功率管與以前的DMOS結(jié)構(gòu)相比，又將Ron導通電阻降低了35%，從而降低工業(yè)自動化模塊的耗散功率。
BCD是意法半導體開發(fā)的一項功率芯片制造技術，包含了一系列硅半導體制造工藝，每種工藝都在一顆芯片上集成了三種不同技術的優(yōu)勢。這三種不同的技術分別是用于設計精確模擬功能的雙極晶體管，設計數(shù)字電路的CMOS(互補金屬氧化物半導體)晶體管，設計電源和高壓元件的DMOS(雙擴散金屬氧化物半導體)晶體管。與分立器件相比，單片集成這些技術有許多優(yōu)勢，其中包括可靠性更高、電磁干擾更低、芯片面積更小。該技術在2021年5月還獲得了IEEE的里程碑獎。
在國民技術市場總監(jiān)劉杰文看來，新材料和工藝技術等半導體核心技術在工業(yè)控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。一方面，隨著第三代半導體材料的興起，以碳化硅、氮化鎵為代表新材料，具有高導熱率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等特點，使得能源轉(zhuǎn)化更加的高效。另一方面，半導體生產(chǎn)工藝越來越先進，由原來的250nm演變到今天的7nm、5nm技術，伴隨工藝提高所帶來的好處是，所生產(chǎn)的芯片在性能上大幅度提升的同時，芯片集成度更高，能耗更小，并且進一步提升工業(yè)控制精度，增強工控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
近年來，國產(chǎn)芯片廠商都在基于最先進的材料以及工藝開發(fā)產(chǎn)品，例如國民技術率先在40nm及更高工藝技術上進行32位MCU產(chǎn)品規(guī)劃及開發(fā)，大大提升芯片運算能力和系統(tǒng)集成度，以滿足工業(yè)控制系統(tǒng)革新的需求。
靈動微電子產(chǎn)品市場總監(jiān)王維認為，MCU/MPU、功率器件和高性能信號鏈半導體產(chǎn)品是工業(yè)控制系統(tǒng)的重要組成部分。對于MCU而言，其技術已經(jīng)從傳統(tǒng)的8/16bit MCU轉(zhuǎn)向32bit，并要求更高性能。同時，隨著工業(yè)4.0的深入，對MCU的要求不僅在于實時控制功能，也要求MCU具備一定的算力，來應對智能工業(yè)的挑戰(zhàn)。
關鍵技術的應用場景及價值表現(xiàn)
在工業(yè)領域，當原本在中央控制器完成的分析下移到傳感器和控制系統(tǒng)附近時，人工智能可實現(xiàn)更高效的端到端解決方案。利用MCU的先進的控制能力和算力，這種分布式自動化方法可大大降低數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求和中央控制器算力要求。人工智能還有助于提高現(xiàn)場總線網(wǎng)絡通信的實時能力，因為現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)過預先分析，服務提供商得到的是數(shù)據(jù)解析程度更高的數(shù)據(jù)。（現(xiàn)場總線指工業(yè)環(huán)境中常見的網(wǎng)絡協(xié)議）
VIPower技術則特別適合應用于自動化控制器中來控制各種執(zhí)行器、繼電器、電機、燈具、閥門、電泵、接觸器，以及任何需要自動化控制及需要電流保護功能的電力負載。這主要是因為VIPower器件與標準分立式功率MOSFET一樣，襯底成為芯片上集成到的多個功率MOSFET晶體管的公共端子(漏極)，而MOSFET又通常用作控制系統(tǒng)電源和負載之間的開關。
在表現(xiàn)上，VIPower的Ron導通電阻較低，可以有效降低工業(yè)自動化模塊的耗散功率，并提高魯棒性和可靠性；另外，該技術還可提供附加的預測性維護功能（包括過溫，過流，欠電壓報警和關閉狀態(tài)下負載開路檢測功能）。
BCD技術廣泛應用于電源管理、模擬數(shù)據(jù)采集和電執(zhí)行器。開發(fā)高密度BCD技術的原因正是市場需要在同一芯片上集成越來越復雜和多樣化的功能，并在所有類型的應用環(huán)境中保證高質(zhì)量和可靠性。尤其是在工業(yè)控制系統(tǒng)中，BCD技術的應用，一方面能通過增加電流隔離，增強 PLC 模塊之間的通訊安全性以及可靠性；另一方面，也可以開發(fā)緊湊封裝，減少 PLC 模塊尺寸。
國民技術的N32G45x系列MCU在工業(yè)中最為典型的應用便是伺服控制器，其對于主控制器的高速運算，實時控制，高速模擬采樣，工業(yè)通訊總線和可靠性等方面都有著非常高的要求。
同時，國民技術正在基于最為先進的Arm Cortex-M7內(nèi)核，使用最新工藝平臺打造集超高性能、高集成度、支持新一代工業(yè)總線和先進電機控制算法等優(yōu)勢技術特性于一體的MCU系列產(chǎn)品。MCU產(chǎn)品關鍵技術的提升，使得工業(yè)控制應用的控制精度，響應速度，轉(zhuǎn)換效率等都有非常大的提高，并且更加智能化。
在王維看來，工業(yè)控制系統(tǒng)可以分成幾個類別：最底層是傳感和執(zhí)行，其功能是快速和有效地執(zhí)行控制，在輸入輸出方面對MCU有一定的要求，如高精度ADC，有些場合需要低功耗，以及對執(zhí)行部件的控制驅(qū)動；中間層是驅(qū)動，包括驅(qū)動控制和顯示控制，需要MCU具備一定的算力，豐富的接口能在系統(tǒng)中與多種外部執(zhí)行模塊連接，并且完成對多個電機的控制，實現(xiàn)復雜電機算法；最上層是控制層，通過高級總線技術和下層連接并與云端做交互，需要MCU具有較高的算力，特別是DSP的能力。
中短期內(nèi)
工控領域的半導體技術的走向
姚春雷表示，新一代VIPower技術將改進封裝緊湊性、分布式智能、深度診斷等功能，從而促進下一代智能工廠發(fā)展。工況監(jiān)測和預測性維護是半導體最重要的工業(yè)應用之一，創(chuàng)建預測性維護應用也將通過各種技術和解決方案來實現(xiàn)，包括嵌入式AI、VIPower診斷功能、工業(yè)MEMS傳感器、IO Link和無線通信解決方案等。
伴隨著工業(yè)4.0的進展加快，工控領域加速在向自動化和數(shù)據(jù)化方向上轉(zhuǎn)型，尤其是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方向上依然有巨大的發(fā)展空間。伴隨國產(chǎn)芯片的崛起，背后的傳感器、主控制器、功率器件、工業(yè)總線和工控系統(tǒng)等方面的產(chǎn)品技術不斷取得新的突破，也支撐著我國新一代工業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，實現(xiàn)中國工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的自主研發(fā)和國產(chǎn)化的目標。
王維認為，在MCU領域，主要的突破性進展會出現(xiàn)在高算力、高精度ADC和更多符合工控要求的模擬和工業(yè)總線功能。
結(jié)語
通過對比國內(nèi)外芯片廠商的企業(yè)代表對于不同半導體技術在工業(yè)控制系統(tǒng)中的觀點，可知意法半導體的關注點較廣，包括結(jié)合軟件技術、優(yōu)化制造技術等，以及在多項技術的共同作用下，達到提高可靠性、降低電磁干擾、減小芯片面積等目的。
國民技術關注新材料、工藝技術，企業(yè)本身主要還是通過先進的工藝技術來提升芯片的集成度，降低能耗，提高控制精度，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。靈動微電子的側(cè)重點則基本圍繞MCU，其產(chǎn)品逐步轉(zhuǎn)向更高的位數(shù)，追求更高的性能。
這從側(cè)面也反映了國際頭部芯片企業(yè)在產(chǎn)品性能、技術多樣性、技術儲備等方面具有相當大的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢交織在一起為下游客戶能提供更高的附加值，從而使產(chǎn)品能夠攫取更多的利潤。反觀國內(nèi)芯片企業(yè)，主要發(fā)力點依然還在性能方面，即使關注點有所放開，有時候也有些力不足，但這是國內(nèi)芯片企業(yè)成長與追趕的必經(jīng)之路。
