工业 4.0，从传感器节点开始经云端再到下游服务

前工业的数字化转型正在周全睁开。简直每个人都在应用（工业）物联网、智能工场或信息物理（出产）体系如许的流行语。在工业强国之一的德国，它被称为 Industrie 4.0，而在天下的其余部分则被称为“工业4.0”。

然而，好像没有人晓得它的切实寄义——尽管存在种种分歧的说明，但没有明确的界说。对许多人来讲，迈向工业 4.0 已成为平常生存的一部分，不息的重复使得这一观点再也不新颖。虽然数字化和网络曾经成为频仍应用的流行语，但对工业4.0 的懂得也毫无赞助。

聚焦于工业 4.0，尤其是在德国，不少行业都受政治影响。但其余国度曾经认识到其对外国经济和竞争力的踊跃影响，鼓动勉励它们进一步立异。在这类情况下，当局官员正在推进一种将供应商视角和用户公司视角连系起来的两重计谋，首要畛域是工业自动化和机器/创造工程。制造商一方面必须将新的高效智能手艺用于本人的出产进程，另外一方面还要将这些手艺和产物投向市场。

相比之下，所有人都批准工业4.0不仅能推进新技术和智能产物进展，并且有助于扩大出产部分。这同时为操作把持现有及新兴市场不息加强的市场动能和复杂性制造了前提。能在多个畛域发扬感化的公司好像领有分外好的起跑地位。

这点特别适用于半导体行业中的公司。如 ADI 公司等半导体制造商已经在消化这个庞杂的观点，将本人的生产线转变成全自动智能工场。ADI 公司还向制造业中的公司供应立异手艺，赞助它们将其创造办法改造成智能工场。然则，要开端这类改变，必需认识到它在带来附加值、进步生产率并响应地下降本钱的同时，也需求支出少量起劲。

工业4.0不但意味着出产的变迁和手艺的扩张，并且意味着对立异贸易模式的需要在不息增添。对于工业 4.0 已举行普遍的接头，并有不少分歧的解读，研讨效果大致能够分为三个方面：新技术、新产品和新贸易模式。所有这三个方面一路涵盖了出产及其产物的全部价值链——从传感器节点开端经云端再到下流办事（图1）。

平日会有一个含某种方式传感器或执行器的节点，其同时创建与实在物理天下的联络通路。来往这些器件的旌旗灯号经常至关小，并且是源自高噪声的卑劣环境。必需对其举行处置、转换并转发到旌旗灯号链中的下一个链路。

因为此旌旗灯号链存在题目，必需转变旌旗灯号链。最后是将纯数据传输到云端，但已有越来越多的数据处置发生在节点上，如图 2 所示。

这类数据处置需求节点上具有更高的洞察力和常识——将数据转化为信息。这类智能检测手艺可下降团体功耗，缩小带宽浪掷，促进反映型IIoT到展望型和及时IIoT的改变。

这就涉及到手艺。许多半导体制造商已将其列为其焦点竞争力之一，而且需求不息改良。

此外，动力服从也发扬着首要感化。半导体制造商遭到鼓动勉励，不但应用其业余常识进一步开辟产物，并且进展本人的设想和工艺手艺，由于联网是IIoT团体解决计划的首要构成部份。无论有线仍是无线，将来对这两种手艺的需要会越来越多，必须将两者归入解决计划组合中。

假如深刻体系层面并专一于垂直细分市场，则可认为客户供应更残缺的体系。就残缺硬件平台而言，节点能够与响应的软件包一路供应。这大概还包孕相干算法，用来阐发节点中的已有数据，终究只将效果传输到网络（云端），缩小信息的数据量。

尽管工业4.0是一个有意义且首要的话题，但半导体制造商在抉择过程当中必需异常当心。全部市场仍处于试探阶段，有需要懂得您在甚么畛域以及若何精确使用本人的气力和手艺，以餍足客户或使用的真正需要。

IIoT市场有哪些新需要？

考虑到工业价值链，市场需要在将来将会产生变迁。这便是为何半导体制造商必需将本人的企业和产物顺应智能工场的理想缘故原由，当然另有其余缘故原由。手艺趋向正朝着智能和超高效节能产物以及（如大概）集成平安安保性能和动力收集才能偏向进展。

图3表现了如许一个器件或者说一个残缺的体系，此中以 ADI 公司基于 MEMS 的加速度计 ADXL356 为例。

ADXL356是一款低功耗、低噪声、3轴加速度计，拥有超低平衡漂移。因为其密封封装，ADXL356分外适宜卑劣环境条件下的正确歪斜丈量，以及低功耗或电池供电无线传感器网络中的高性能（长期）丈量。这些使用需求展望性保护和状况监控。二者均与工业4.0亲近相干。在这些操纵中，必需肯定驱动元件的毁坏水平，比方经由过程施行永远或活期振动诊断来肯定。

关于此类智能传感器解决计划，如图2所示，加速度计是全部体系的根底。它经由过程其余性能完成扩大：应用模数转换器、微控制器以及种种模仿和数字（部份断绝或无线）接口集成旌旗灯号处置。无线接口支撑以太网、6LoWPAN或WirelessHART等通讯规范，拥有最高的可靠性。特别是关于后两种规范，SmartMesh IP?和SmartMesh® WirelessHart等无线通讯网络供应了非常好的解决计划。前者吻合6LoWPAN规范，为每一个节点供应原生IPv6寻址才能，并使传感器数据易于从云端造访。后者吻合针对工业使用而设想的WirelessHART规范(IEC 62591)，可以或许与其他供应商的 WirelessHART 设置装备摆设举行互操纵。二者均供应极端靠得住且平安的数据传输，接纳 AES 128 位端对端加密手艺，至多可扩大至 50,000 个节点。

最初，在这些体系的开辟过程当中弗成疏忽性能平安。为了能让安全性成为残缺体系解决计划的一部分，半导体制造商还应该投资于网络平安解决计划(CSS)和加密等手艺。

近似图3所示的体系带来的前因是，可用的芯片级规范产物会较少，由于未来能够将其集成在电路板上。规范产物的集成已经在硅片上产生，或置于封装中成为系统化封装(SiP)。这意味着制造商必需对芯片级或许至多电路板级以及响应的生态体系有深刻的懂得。如许，客户能够更多地存眷本人的使用，从而让本人与合作敌手区隔开来。

ADI公司之类的供应商必需思量应用或整合来自其余市场的成熟手艺。这可能有助于下降高本钱并延伸性命周期。其余产物中胜利实行手艺的一个例子是MEMS。MEMS手艺已往从未被用于建立加速度计以外的器件，但现在已被用于ADGM1304等超倏地开关。这款集成驱动器的单刀四掷(SP4T)开关可在0 Hz/直流至14 GHz的频次范围内事情，因而是种种射频使用或继电器替换产物的现实开关解决计划。

这类手艺组合不但有助于办事个体客户，并且能够赞助制造商进入分歧（偶然以至是新的）市场。在不少情况下，制造商的种种手艺能够经由过程这类体式格局轻松组合，建立新型高效使用。

然而，半导体制造商仅仅扩大其传感器和其余半导体器件的局限是不敷的。为了连续被视为环球市场参与者，并充沛开掘工业4.0的后劲，其产物组合也应该在通讯手艺畛域失掉拓展。比方，在工业自动化畛域能够清楚地看到向以太网（正确的说是确定性以太网）的改变。出于该缘故原由，ADI公司比来收买了确定性以太网畛域的半导体和软件解决计划供应商Innovasic。经由过程这次收买，ADI公司增加了对于高度同步网络中的鲁棒及时连贯的业余手艺，从而应用怪异的软件解决计划扩大产物组合是以纵然在数字化趋向风行的当下，许多半导体制造商目的还是模仿手艺转向垂直体系畛域供应连贯物理与数字天下残缺体系解决计划。

然而，为了惹起客户对此类体系乐趣，可能有一些要素比拟首要。不仅是适量的软件包孕软件四周对象符合需求的生态体系，这将为客户制造附加值是以将来还需要用于阐发所生成数据办事和算法。

当然，仅仅由于技术上可行开辟所有这些具有工业4.0性能产物体系是没有任何意思首要必需为客户带来显著的附加值。为了证实购置运转工业4.0使用致使额定成本是合法正当必需让客户能看到取得此附加值。

智能产物胜利与附加值是否失掉认可间接相干。这些要素终究抉择了所有实行相干手艺贸易参数是以细致阐发阐发效果多是产物理念在经济上不可行至多今朝尚不可行开辟加倍可行，以及为了倏地、更有效地集成体系中，来自制造商支撑将会发扬首要感化。制造商将把他们业余常识嵌入客户开辟流程中，从而缩小客户需求支出额定起劲本钱另外，制造商能够连续致力于焦点营业，无需浪掷珍贵时候去学习新技术分工火伴其余合作能够赞助推进继续增进尽管工业4.0有诸多好处，但问题是为何许多企业还没有投资于智能工场？

数据转换器架构异常稳固连续作为将来根底，但基于基础架构举行改良仍有需要比方跟着更小尺寸的工艺被用于此类产物完成沟通以至更好功能其实不轻易。

新市场趋向过度增进

近年来的大型并购案引发了半导体市场的整合贩卖和分销从器件转向体系。要在将来获得胜利小我私家或公司必需认识到工业4.0中的颠覆性手艺和新市场后劲，从而从新找准定位。企业必需继续利用好半导体行业的少数几个无机增进源。遗憾的是，半导体行业年销售额增进30%至40绚烂已成旧事当初这类增长率好像曾经完结。2015至2020年间，年均增长率预计惟独3.4%。企业必需思索如下基础计谋题目将来增进将源自何方如下增进起源大概相当首要：由碳化硅(SiC)制成的功率半导体今朝被视为将来产物增进一般硅制半导体产物相比，碳化硅产物速率更快服从更高于是被认为是倾覆市场手艺因为混杂能源和电动汽车以及再生发电和某些工业使用需要不息增进，SiC及其姊妹手艺——氮化镓 (GaN手艺将来几年占领主导位置。

作为更大的物联网（也被称为“万物互联”）的一部分，工业 4.0领有伟大后劲将来几十年中，其市场代价预计在万亿局限。在工业 4.0赞助下，任何可以或许进步生产力货色都市分歧范围的公司发生粘稠乐趣。

为了充沛掘客物联网市场全数后劲需求不但仅是硬件咱们需求的是一个由硬件、软件和服构成的生态体系这类新环境鼓动勉励小型灵巧的公司与大公司开展分工然则，半导体制造商不该疏忽以后趋向和工业4.0高潮以外进展。有些手艺传统上属于某个市场终究也会影响其余市场比方5G。传统上，5G是用于挪移设置装备摆设根底办法通讯手艺。但在将来推进5G需要的市场之一将是汽车市场。与其体系通讯关于主动驾驶尤其首要。每辆车都成为一个庞杂生态体系的一部分此中通讯起着关头感化。除了汽车之间的数据互换之外，这个生态系统还包孕路边根底办法、5G网络和大型数据中央另外，车辆依托摄像头、激光雷达、雷达等传感器猎取无关环境需要信息全部通讯体系必需协同事情。鉴于主动驾驶需要以更高速率、更低耽误和超强可靠性处置少量数据，5G似乎是今朝最有出路通讯规范。

总之，工业4.0智能工场的转型以及其所需手艺，为半导体制造商制造伟大大概胜利。