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什麼是工業4.0？

衆所周知，2019年是5G元年，也是談及物聯網、智能AI、萬物互聯最頻繁的一年，這些話題和“工業4.0”聯繫在一起。2019年4月11日，在“第八屆年度中國電子ICT媒體論壇暨2019產業和技術展望研討會”上，ADI亞太區工業自動化行業市場部經理“於常濤”在現場爲大家講解“加速邁向工業4.0——實現更快、更智能、更安全的工業自動化方案”的精彩演講。

談及“工業4.0”就會談及第四次工業革命，工業1.0是機械化；工業2.0是電氣化；工業3.0是自動化。目前，經常被稱爲“工業4.0”(Industry 4.0)或是德國所稱的‘Industrie 4.0’典範轉移正在進行中。

從製造企業的角度來看，重要的是爲新市場設計只能技術產品，並相應的爲這些市場服務。爲了滿足供應商和製造商的需求，企業需要兼顧着兩種視角的戰略。例如，半導體行業中的公司就很擅長運用此類雙重戰略。ADI公司等半導體製造商正在消化這個複雜的概念，將自己的生產線轉變成全自動智能工廠。

工業4.0需要應用到哪些半導體技術？

在這次工業轉型中，人工智能（AI）、大數據、雲計算、工業物聯網等在整條價值鏈上融合在一起，加上一些更多的元素。工廠機器人、機器人整合、傳統PLC輸入輸出模塊、軟件配置I/O，工業以太網等是ADI亮點推出的。

工業4.0促進了很多工廠往智能工廠轉型。隨着價值鏈的發展，市場需求也隨之改變，這就是爲何半導體製造商必須調整自家企業及其產品以因應智能工廠現實之故。技術的趨勢正朝着智能化與節能產品，以及整合安全防護與能量採集等功能的方向發展。

這樣的元件，或是更完整的系統看起來就如上圖所示，採用ADI以MEMS爲基礎的加速度計ADXL356。

對於半導體製造商而言，未來若只是延伸其傳感器與其它半導體元件的範圍是不夠的。爲了要在市場上被認可爲一家全球廠商，以及深入開發工業4.0的完整潛力，現有產品的範圍必須要以通訊和低功率微處理器技術予以擴展。例如，ADI爲通訊領域提供多個使用HART數據機的解決方案，可利用既有的基礎架構，以相當簡單的方式改善傳統的匯聚型通訊網路，實現其新的節能技術。

ADI工業自動化出彩，最大亮點I/O

ADI作爲領先的模擬器件半導體供應商，目前爲止已有數十年的歷史，客戶達到20多個國家，產品高達4萬多種，對技術、產品、品質有相當要求的領域。從前端的檢測，各種各樣的傳感器，到後端的測量，技術、參考、ADC，再到數據解析，可以是以一些微處理器或者DSP爲基礎，在一些特定領域做了一些跟邊緣計算相切合的工作。同時自從ADI跟世界上最有名的電源公司合併後，在電源領域也是第一把交椅。再就是連接，無論是有線還是無線，無線前幾年跟訊泰微波合作，涵蓋了所有產品需求；有線，在工業當中被應用得越來越普遍的工業以太網等等。

ADI亞太區工業自動化行業市場部經理“於常濤”

隨着智能化、靈活性或物聯網概念、人工智能概念融合之後，加上一些更多的元素，這些元素更多體現在傳感器本身，比如說各關節，要求更加嚴格。在所謂的工業4.0上，ADI在工業自動化部分究竟有何優勢和特點？

第一：ADI把傳統的控制技術做了完整的解決方案，加速機器人的整合，把ADI各個環節的產品運用在一起，包括ADI已經發布的AMR技術；同時對整個機器手臂的姿態添加更多傳感器的機會，包括檢測震動、安全問題之類。

第二：工廠中的控制系統，有個直接連接現場儀表和整個控制單元當中的核心模塊，ADI針對模塊量輸入模塊包含了全部的產品，比如ADI最新推出的AD411X產品，提供相應的電源解決方案，在應用過程當中，基本上是24V輸入、5V輸出的電源架構。這個產品ADI把它叫做軟件定義I/O。

基於這個產品可以做哪些事情，跟接下來的工業4.0、產業升級有什麼大的關聯？

第一：I/O方案靈活，完全根據現場的實施結構，通過軟件的方式把系統完整地運行起來，能節省現場工程安裝的難度和成本。
第二：工業4.0或智能製造重點強調的是網絡化，該產品能爲整個現場能節省線纜的佈置，是性價比極高的方案。能節省時間、金錢和運營效率。重點體現出靈活性、軟件可配置的概念，靈活性也是工業4.0一直在強調的理念和工業4.0一直想達到的目的。
第三：針對工業以太網的部分，ADI的核心優勢也是體現在了集成度和靈活性。

於常濤講到：“這張PPT體現了ADI本地化和就近化的特點，中國的客戶有獨特的需求。如果回到我們工業以太網相關的話題，有一個很突出、很有意思的點：EtherCAT在中國是應用最廣的協議棧，並且在世界上也是最集中的區域。針對本地客戶一些不同的需求和不同的特點，ADI在上海、北京有一個接近50人的系統團隊，這個系統團隊全部來自各公司比較資深的研發人員，針對本地客戶的需求做系統性的開發。右下角的板子就是集中的體現，叫做EtherCAT評估板，我們不光提供了功率等，同時做了工業一致性的測試，還有軟件測試的支持。這一點ADI可以成爲大家的技術合作夥伴，因爲針對某些大家感興趣的話題，ADI已經提供了一些被世界驗證過的，並且接近產品化的，大家想象一下，以EtherCAT爲例，大家很簡單就可以拿過來。”

如何幫助客戶實現工業4.0

工業4.0將爲中小企業提高附加值，它們應該抓住相關機會以鞏固公司的成功。尤其是對半導體製造商來說，研究結果可分爲三個方面：新技術、新產品和新商業模式。所有這三個方面一起涵蓋了生產及其產品的整個價值鏈——從傳感器節點開始經雲端再到下游服務。

爲實現智能工廠轉型，必須提供智能和節能產品，或者說完全自主的系統，它們可以很簡單地集成到現有生產結構中（例如即插即用）。這些系統由各種半導體器件和傳感器組成，並與模擬和數字信號處理IC相結合。價值鏈從這些器件開始：首先，傳感器負責從真實的物理世界收集數據，之後將它們轉換成數字信號，再在數字領域中進行處理（見圖1）。

圖1

隨着價值鏈的發展，市場需求將需要改變。這就是爲什麼半導體製造商必須將自己的企業和產品適應智能工廠的現實原因。技術趨勢正朝着智能節能產品以及集成安全安保功能和能源採集能力方向發展。

在圖2中顯示了一個器件或者說一個完整的系統，其中以ADI公司基於MEMS的加速度計ADXL356爲例。ADXL356是一款低成本、低噪聲、3軸加速度計，測量範圍可達±40 g (FSR)。該器件的主要特性是超低失調漂移和低功耗。由於其密封封裝，ADXL356特別適合惡劣環境條件下的精確傾斜測量，高分辨率振動測量，以及低電流或電池供電無線傳感器中的高性能（長時間）測量，適用於結構健康監測(SHM)、姿態和航向參考系統(AHRS)或其他具有突然過大作用力的應用等。

ADXL356是構成一個系統的基礎，並且可以通過其他功能實現擴展：利用模數轉換器、微控制器以及各種模擬、數字（部分隔離）或無線接口集成信號處理，支持以太網、6LpoWPAN或ADRadioNet等通信標準。ADRadioNet是由ADI公司開發的通信標準，其特點是採用無線自愈式多跳頻的通信協議，具有高擴展性，且內存消耗低。此外，它還集成加密方法（例如AES-128和AES-256）可阻止可能的網絡攻擊，提高了安全性。最後但同樣重要的是，功能安全在這些系統的開發過程中起着重要作用，因爲這對智能工廠而言也非常重要。

對於半導體製造商來說，未來僅擴充傳感器和其他半導體器件的品種是不夠的。爲了成爲市場上的全球性玩家，以及充分發掘工業4.0的潛力，其現有產品範圍必須通過通信和低功耗微處理器技術加以擴展。考慮到這一點，ADI公司已經在其產品組合中提供了相關解決方案。例如在通信領域，有多種採用HART®

圖2

圖2. 基於MEMS的智能傳感器解決方案調制解調器的解決方案。通過使用現有基礎設施來實現新的節能技術，這些HART解決方案能夠以相當簡單的方式改進傳統擁擠不堪的通信網絡。

市場研究還顯示，中小型企業希望得到製造商和供應商的大力支持，以便更快更有效地將新產品集成到其系統中。通過這種方式，企業可以減少額外的工作量，繼續聚焦於其核心業務。具體說來，供應商和企業之間的合作或協同努力便屬於支持類型。

爲什麼工業級模擬芯片這麼難做？

工業級模擬芯片爲什麼這麼難做的主要區別在製造工藝、材料、質檢標準等的不同，有些時候內電路設計也不同，主要是電源迴路佈線、IO接口的區別，某些器件連核心電路設計也會有不同。流片確實要單獨進行，哪怕電路沒變，因爲部分材料不同，更關鍵的是生產線都不同了，所以必須重新流片，而且流片價格遠遠高於常規等級，這也是工業級芯片價格高的原因之一。

從製造根本性分析來看，大部分不同級別的芯片其內核是一樣的正常環境下可以互相代用。耐溫度主要與芯片製造工藝、功耗和封裝工藝來決定的，其中封裝工藝的不同是最顯而易見的。比如：通常汽車級的芯片比商業級的要厚一些，工業級相比商業級的芯片封裝過程中會攙雜一定量的微量材料使封裝更家穩定。當然一些汽車級、軍工芯中會設計有輔助電路，備份電路區別。

在真正的工業生產領域，用戶非常注重技術的成熟性，當可靠性與吞吐量出現衝突時，工業用戶會優選可靠性。以工業以太網爲例，相比消費級的高速率，目前業內支持TSN的工業以太網最高速率不過100Mbps。芯片數據速率提高，往往意味着系統設計冗餘減小，出錯機率提升，對於工業應用而言，這就需要供應商先把技術上可能的“坑”排除以後，客戶纔會考慮上馬新技術。工業級產品需要花大量的時間把可靠性與安全性做好，一代產品的可靠性與安全性本身就是以時間爲代價，反覆驗證、實踐、迭代而實現的，ADI的工業產品確實歷經千錘百煉，然後纔敢拿到工業客戶去推廣。

模擬芯片要求，某些廠家對工業級芯片的工藝中有鈍化過程。還有廠家乾脆硅片中心切出來的作爲高性能芯片，邊緣的作爲商業級芯片。

數字芯片也有類似的做法，但測試環境有些廠家對工業級芯片測試嚴格。

有些增強型芯片例如德州有EP後綴的，商業級和工業級工藝有不同，不少廠家同一種芯片，有不同um或nm的版本；

有些模擬芯片，硅片都一樣，只是在進行激光校準時處理不一樣。

當然也有不少廠家，用篩選的方式來決定芯片型號和級別的。但是有些爛廠家，設計就不達標，用篩選來區分工業級的，這類其實不能稱之爲有工業級芯片。國內某些玻璃二極管的工藝離散性太大，只能用於要求不高的場合，根本談不上工業級和商業級的區別，所謂工業級只能是篩選貨。

至於封裝，陶瓷封裝貴，金屬次之，塑料便宜，當然bga，qfn之類的管腳封裝成本低。但陶瓷封裝穩定性好，金屬散熱好，某些特殊環境也是區分芯片級別的。IR的一些驅動芯片就是金封和塑封是一個硅片但等級不同。

結語：在邁向工業4.0過程中，中國也不應缺少自產的工業級模擬芯片，但現階段來看，我國模擬芯片公司在工業領域差距還比較大。趙軼苗認爲，中國的模擬芯片公司要進入工業級市場，最重要的是耐心。“大多數中國半導體公司可以實現具體的功能，也能達到一定的性能，但工業級產品需要全方位的高性能、高可靠性與高安全性，這些要求，只有通過經驗累積、反覆迭代才能實現。”

對於投資模擬芯片的資本而言，也是耐心更重要。投入的資金滿足工業級芯片開發必要需求後，再單純靠增加投入並不能加速其開發節奏，只有深入理解工業級模擬芯片投資邏輯，尊重工業級模擬芯片開發的客觀規律，能夠容忍5年甚至更長時間的回報期，再考慮投資工業級模擬芯片才比較合適。