什么是工业4.0？

众所周知，2019年是5G元年，也是谈及物联网、智能AI、万物互联最频繁的一年，这些话题和“工业4.0”联系在一起。2019年4月11日，在“第八届年度中国电子ICT媒体论坛暨2019产业和技术展望研讨会”上，ADI亚太区工业自动化行业市场部经理“于常涛”在现场为大家讲解“加速迈向工业4.0——实现更快、更智能、更安全的工业自动化方案”的精彩演讲。

谈及“工业4.0”就会谈及第四次工业革命，工业1.0是机械化；工业2.0是电气化；工业3.0是自动化。目前，经常被称为“工业4.0”(Industry 4.0)或是德国所称的‘Industrie 4.0’典范转移正在进行中。

从制造企业的角度来看，重要的是为新市场设计只能技术产品，并相应的为这些市场服务。为了满足供应商和制造商的需求，企业需要兼顾着两种视角的战略。例如，半导体行业中的公司就很擅长运用此类双重战略。ADI公司等半导体制造商正在消化这个复杂的概念，将自己的生产线转变成全自动智能工厂。

工业4.0需要应用到哪些半导体技术？

在这次工业转型中，人工智能（AI）、大数据、云计算、工业物联网等在整条价值链上融合在一起，加上一些更多的元素。工厂机器人、机器人整合、传统PLC输入输出模块、软件配置I/O，工业以太网等是ADI亮点推出的。

工业4.0促进了很多工厂往智能工厂转型。随着价值链的发展，市场需求也随之改变，这就是为何半导体制造商必须调整自家企业及其产品以因应智能工厂现实之故。技术的趋势正朝着智能化与节能产品，以及整合安全防护与能量采集等功能的方向发展。

这样的元件，或是更完整的系统看起来就如上图所示，采用ADI以MEMS为基础的加速度计ADXL356。

对于半导体制造商而言，未来若只是延伸其传感器与其它半导体元件的范围是不够的。为了要在市场上被认可为一家全球厂商，以及深入开发工业4.0的完整潜力，现有产品的范围必须要以通讯和低功率微处理器技术予以扩展。例如，ADI为通讯领域提供多个使用HART数据机的解决方案，可利用既有的基础架构，以相当简单的方式改善传统的汇聚型通讯网路，实现其新的节能技术。

ADI工业自动化出彩，最大亮点I/O

ADI作为领先的模拟器件半导体供应商， 目前为止已有数十年的历史，客户达到20多个国家，产品高达4万多种，对技术、产品、品质有相当要求的领域。从前端的检测，各种各样的传感器，到后端的测量，技术、参考、ADC，再到数据解析，可以是以一些微处理器或者DSP为基础，在一些特定领域做了一些跟边缘计算相切合的工作。同时自从ADI跟世界上最有名的电源公司合并后，在电源领域也是第一把交椅。再就是连接，无论是有线还是无线，无线前几年跟讯泰微波合作，涵盖了所有产品需求；有线，在工业当中被应用得越来越普遍的工业以太网等等。

ADI亚太区工业自动化行业市场部经理“于常涛”

随着智能化、灵活性或物联网概念、人工智能概念融合之后，加上一些更多的元素，这些元素更多体现在传感器本身，比如说各关节，要求更加严格。在所谓的工业4.0上，ADI在工业自动化部分究竟有何优势和特点？

• 第一：ADI把传统的控制技术做了完整的解决方案，加速机器人的整合，把ADI各个环节的产品运用在一起，包括ADI已经发布的AMR技术；同时对整个机器手臂的姿态添加更多传感器的机会，包括检测震动、安全问题之类。

• 第二：工厂中的控制系统，有个直接连接现场仪表和整个控制单元当中的核心模块，ADI针对模块量输入模块包含了全部的产品，比如ADI最新推出的AD411X产品，提供相应的电源解决方案，在应用过程当中，基本上是24V输入、5V输出的电源架构。这个产品ADI把它叫做软件定义I/O。

基于这个产品可以做哪些事情，跟接下来的工业4.0、产业升级有什么大的关联？

• 第一：I/O方案灵活，完全根据现场的实施结构，通过软件的方式把系统完整地运行起来，能节省现场工程安装的难度和成本。
• 第二：工业4.0或智能制造重点强调的是网络化，该产品能为整个现场能节省线缆的布置，是性价比极高的方案。能节省时间、金钱和运营效率。重点体现出灵活性、软件可配置的概念，灵活性也是工业4.0一直在强调的理念和工业4.0一直想达到的目的。
• 第三：针对工业以太网的部分，ADI的核心优势也是体现在了集成度和灵活性。

于常涛讲到：“这张PPT体现了ADI本地化和就近化的特点，中国的客户有独特的需求。如果回到我们工业以太网相关的话题，有一个很突出、很有意思的点：EtherCAT在中国是应用最广的协议栈，并且在世界上也是最集中的区域。针对本地客户一些不同的需求和不同的特点，ADI在上海、北京有一个接近50人的系统团队，这个系统团队全部来自各公司比较资深的研发人员，针对本地客户的需求做系统性的开发。右下角的板子就是集中的体现，叫做EtherCAT评估板，我们不光提供了功率等，同时做了工业一致性的测试，还有软件测试的支持。这一点ADI可以成为大家的技术合作伙伴，因为针对某些大家感兴趣的话题，ADI已经提供了一些被世界验证过的，并且接近产品化的，大家想象一下，以EtherCAT为例，大家很简单就可以拿过来。”

如何帮助客户实现工业4.0

工业4.0将为中小企业提高附加值，它们应该抓住相关机会以巩固公司的成功。尤其是对半导体制造商来说，研究结果可分为三个方面：新技术、新产品和新商业模式。所有这三个方面一起涵盖了生产及其产品的整个价值链——从传感器节点开始经云端再到下游服务。

为实现智能工厂转型，必须提供智能和节能产品，或者说完全自主的系统，它们可以很简单地集成到现有生产结构中（例如即插即用）。这些系统由各种半导体器件和传感器组成，并与模拟和数字信号处理IC相结合。价值链从这些器件开始：首先，传感器负责从真实的物理世界收集数据，之后将它们转换成数字信号，再在数字领域中进行处理（见图1）。

图1

随着价值链的发展，市场需求将需要改变。这就是为什么半导体制造商必须将自己的企业和产品适应智能工厂的现实原因。技术趋势正朝着智能节能产品以及集成安全安保功能和能源采集能力方向发展。

在图2中显示了一个器件或者说一个完整的系统，其中以ADI公司基于MEMS的加速度计ADXL356为例。ADXL356是一款低成本、低噪声、3轴加速度计，测量范围可达±40 g (FSR)。该器件的主要特性是超低失调漂移和低功耗。由于其密封封装，ADXL356特别适合恶劣环境条件下的精确倾斜测量，高分辨率振动测量，以及低电流或电池供电无线传感器中的高性能（长时间）测量，适用于结构健康监测(SHM)、姿态和航向参考系统(AHRS)或其他具有突然过大作用力的应用等。

ADXL356是构成一个系统的基础，并且可以通过其他功能实现扩展：利用模数转换器、微控制器以及各种模拟、数字（部分隔离）或无线接口集成信号处理，支持以太网、6LpoWPAN或ADRadioNet等通信标准。ADRadioNet是由ADI公司开发的通信标准，其特点是采用无线自愈式多跳频的通信协议，具有高扩展性，且内存消耗低。此外，它还集成加密方法（例如AES-128和AES-256）可阻止可能的网络攻击，提高了安全性。最后但同样重要的是，功能安全在这些系统的开发过程中起着重要作用，因为这对智能工厂而言也非常重要。

对于半导体制造商来说，未来仅扩充传感器和其他半导体器件的品种是不够的。为了成为市场上的全球性玩家，以及充分发掘工业4.0的潜力，其现有产品范围必须通过通信和低功耗微处理器技术加以扩展。考虑到这一点，ADI公司已经在其产品组合中提供了相关解决方案。例如在通信领域，有多种采用HART®

图2

图2. 基于MEMS的智能传感器解决方案调制解调器的解决方案。通过使用现有基础设施来实现新的节能技术，这些HART解决方案能够以相当简单的方式改进传统拥挤不堪的通信网络。

市场研究还显示，中小型企业希望得到制造商和供应商的大力支持，以便更快更有效地将新产品集成到其系统中。通过这种方式，企业可以减少额外的工作量，继续聚焦于其核心业务。具体说来，供应商和企业之间的合作或协同努力便属于支持类型。

为什么工业级模拟芯片这么难做？

工业级模拟芯片为什么这么难做的主要区别在制造工艺、材料、质检标准等的不同，有些时候内电路设计也不同，主要是电源回路布线、IO接口的区别，某些器件连核心电路设计也会有不同。流片确实要单独进行，哪怕电路没变，因为部分材料不同，更关键的是生产线都不同了，所以必须重新流片，而且流片价格远远高于常规等级，这也是工业级芯片价格高的原因之一。

从制造根本性分析来看，大部分不同级别的芯片其内核是一样的 正常环境下可以互相代用。耐温度主要与芯片制造工艺、功耗和封装工艺来决定的，其中封装工艺的不同是最显而易见的。比如：通常汽车级的芯片比商业级的要厚一些，工业级相比商业级的芯片封装过程中会搀杂一定量的微量材料使封装更家稳定。当然一些汽车级、军工芯中会设计有辅助电路，备份电路区别。

在真正的工业生产领域，用户非常注重技术的成熟性，当可靠性与吞吐量出现冲突时，工业用户会优选可靠性。以工业以太网为例，相比消费级的高速率，目前业内支持TSN的工业以太网最高速率不过100Mbps。芯片数据速率提高，往往意味着系统设计冗余减小，出错几率提升，对于工业应用而言，这就需要供应商先把技术上可能的“坑”排除以后，客户才会考虑上马新技术。工业级产品需要花大量的时间把可靠性与安全性做好，一代产品的可靠性与安全性本身就是以时间为代价，反复验证、实践、迭代而实现的，ADI的工业产品确实历经千锤百炼，然后才敢拿到工业客户去推广。

模拟芯片要求，某些厂家对工业级芯片的工艺中有钝化过程。还有厂家干脆硅片中心切出来的作为高性能芯片，边缘的作为商业级芯片。

数字芯片也有类似的做法，但测试环境有些厂家对工业级芯片测试严格。

有些增强型芯片例如德州有EP后缀的，商业级和工业级工艺有不同，不少厂家同一种芯片，有不同um或nm的版本；

有些模拟芯片，硅片都一样，只是在进行激光校准时处理不一样。

当然也有不少厂家，用筛选的方式来决定芯片型号和级别的。但是有些烂厂家，设计就不达标，用筛选来区分工业级的，这类其实不能称之为有工业级芯片。国内某些玻璃二极管的工艺离散性太大，只能用于要求不高的场合，根本谈不上工业级和商业级的区别，所谓工业级只能是筛选货。

至于封装，陶瓷封装贵，金属次之，塑料便宜，当然bga，qfn之类的管脚封装成本低。但陶瓷封装稳定性好，金属散热好，某些特殊环境也是区分芯片级别的。IR的一些驱动芯片就是金封和塑封是一个硅片但等级不同。

结语：在迈向工业4.0过程中，中国也不应缺少自产的工业级模拟芯片，但现阶段来看，我国模拟芯片公司在工业领域差距还比较大。赵轶苗认为，中国的模拟芯片公司要进入工业级市场，最重要的是耐心。“大多数中国半导体公司可以实现具体的功能，也能达到一定的性能，但工业级产品需要全方位的高性能、高可靠性与高安全性，这些要求，只有通过经验累积、反复迭代才能实现。”

对于投资模拟芯片的资本而言，也是耐心更重要。投入的资金满足工业级芯片开发必要需求后，再单纯靠增加投入并不能加速其开发节奏，只有深入理解工业级模拟芯片投资逻辑，尊重工业级模拟芯片开发的客观规律，能够容忍5年甚至更长时间的回报期，再考虑投资工业级模拟芯片才比较合适。