到2028年，全球工業4.0市場規模預計將超過2790億美元，復合年增長率為16.3%。雖然開發商和制造商對這種高速增長已經習以為常，但其影響才剛剛開始顯現。通過結合云計算、物聯網（IoT）和人工智能（AI）的能力，工業4.0將在未來幾年繼續提升制造業的數字化、自動化和互連計算水平，推動更多企業擁抱第四次工業革命。
隨著工業4.0的加速發展，許多工業標準和流程將發生變化，因為許多工業系統需要先進的計算引擎和多種類型的現代連接標準，包括工業以太網、Wi-Fi和5G。此外，人們越來越關注更先進的軟件工具和應用，如預測性維護、功能安全、機器人自動化等等。
反過來，制造商需要先進的技術來驅動互連、高效數據處理、系統和服務優化，同時保持彈性安全性。現場可編程門陣列（FPGA）憑借自身得可編程性、高性能、低功耗和安全特性，正迅速成為開發人員滿足這些需求并跟上工業4.0革命步伐的首選工具。
工業標準一覽
隨著工業4.0的發展，一些標準（如OPC統一架構（OPC-UA）和時間敏感網絡（TSN））正在合并，從而更好地聚合和縮放每天生成的海量新數據。作為一種機器間通信協議，OPC-UA提供了一個安全的、獨立于平臺的、面向服務的架構。當與TSN出色的實時功能相結合時，OPC-UA就成了在不中斷運營或安全性的情況下為制造商提供持續的洞察力和數據流的關鍵框架。
由于標準的合并，開發人員需要高度專業化的技術來實施OPC-UA和TSN框架，并讓制造商符合新法規要求，保證持續發展。為了滿足這些需求，萊迪思提供了針對特定應用的FPGA解決方案，如萊迪思Automate?解決方案集合，該解決方案支持OPC-UA和TSN，為客戶提供全新的工廠自動化和工業機器視覺功能。萊迪思還致力于OPC-UA遷移，于2022年3月加入OPC基金會，在Lattice Insights官方培訓平臺上提供OPC-UA模塊課程。該官方培訓門戶旨在幫助系統和應用設計人員最大限度地提高其FPGA設計體驗。
利用FPGA推進工業4.0應用
除了幫助制造商應對不斷發展的法規和標準外，FPGA還支持低功耗、可靠和安全的工業應用開發，如機器人、嵌入式實時網絡、預測性維護、功能安全和系統安全。
機器人
采用工業4.0應用助力智能機器人，大大提高了工廠和倉庫的自動化水平。隨著工廠加快集成這些自主機器人，眾多傳感器、攝像頭和電機產生的大量數據推動了對推理和智能的需求。FPGA具有并行處理功能，有助于聚合傳感器和攝像頭數據并快速分析大量信息。CPU一次只能處理一批數據，而FPGA可以同時整合和處理多個功能。
FPGA可以通過并行處理同時監控多條通信總線，使開發人員能夠跨各種連接類型工作，并快速安全地將更多數據引入流水線。例如，在汽車制造中，FPGA可以組合或多路復用來自多個高分辨率攝像頭的信號，然后在這些信號到達SoC時將這些信號拆分。
嵌入式實時網絡
隨著連接設備的數量遠超以往，嵌入式實時網絡確保機器、傳感器和攝像頭可以實時通信和交換數據。在工業4.0中，這意味著監控、控制和制造流程優化可以實現無縫通信和數據交換。
FPGA對于實現實時網絡至關重要，因為它們能夠以低延遲和穩定的方式執行信號處理和分析。對于制造業中的實時應用，這種低延遲和確定性對于工廠車間始終在線的功能和運營至關重要。
預測性維護
隨著工業4.0的發展，預測性維護功能也隨著物聯網設備、云計算和高級分析的集成而不斷發展。預測性維護使用數據分析、傳感器和機器學習，實時監控設備運行狀況、提高預測準確性并優化維護計劃，從而提高運營效率、最大限度地減少停機時間并節省成本
FPGA對于實現預測性維護至關重要，因為它們能夠以超低功耗提供高速性能。在高性能加持下可以快速實時檢測異常運行狀態，降低設備故障風險。同時，其節能設計可在低功耗下實現連續監控，從而根據實時反饋及時采取維護措施，最大限度地降低運營成本。
功能安全
隨著工業4.0中的系統變得更加互連和自主，功能安全（FuSa）可確保系統或設備在響應輸入或出現故障時安全、正確地運行。FPGA已成為實現功能安全的高效工具，特別是其可定制和可重新編程的特性。FPGA可以實現安全關鍵功能，例如直接在工業系統中進行監控、控制和診斷。
萊迪思的軟件設計工具經過最新安全設計方法認證，與FPGA配合使用，為設計人員提供了極大的靈活性，幫助他們在安全關鍵應用中實施和開發功能安全。
系統安全
增強互連在制造業中可能會帶來新的安全威脅。事實上，制造業正在經歷的網絡攻擊比其他任何行業都多，尤其是在云端。FPGA在實時硬件可信根（HRoT）產品中集成了“加密敏捷”功能，以增強對服務器平臺和其他連接設備應用的保護，在從系統上電到斷電的整個攻擊面上為組織提供保護。
此外，提供HRoT功能的FPGA具有專用的加密和非對稱引擎，可防止代碼被擦除、讀取或重寫，從而利用數字簽名確保所使用的代碼是正確的代碼。它們還建立了唯一的器件標識，在允許數據交換之前進行驗證，確保系統的核心功能和關鍵組件始終受到保護。
支持工業4.0的未來
隨著工業4.0的持續發展，對先進計算和互連解決方案的需求只增不減。FPGA因其獨特的功能（包括靈活性和可定制、并行處理、高速性能和低功耗以及HRoT基礎設施）而成為賦能和實現工業4.0關鍵應用的重要工具。FPGA幫助制造商快速、安全地優化工業運營、增強互連并適應不斷變化的環境。
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