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作者：六千
近日，工業(yè)和信息化部、教育部、公安部等十七部門聯(lián)合發(fā)布《“機(jī)器人﹢”應(yīng)用行動(dòng)實(shí)施方案》，提出了2025年制造業(yè)機(jī)器人發(fā)展目標(biāo)以及機(jī)器人十大應(yīng)用場(chǎng)景。業(yè)界認(rèn)為，這一政策的發(fā)布，意味著“機(jī)器人﹢”時(shí)代的到來，機(jī)器人將在更大范圍內(nèi)得到應(yīng)用，制造業(yè)機(jī)器人更將迎來巨大發(fā)展機(jī)遇。
隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，市場(chǎng)也相應(yīng)的開始發(fā)展。中國電子學(xué)會(huì)預(yù)計(jì)2022年，全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到513億美元，2017至2022年的年均增長(zhǎng)率達(dá)到14%。波士頓咨詢公司研究報(bào)告顯示，全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將在未來10年內(nèi)增長(zhǎng)近10倍，到2030年全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)1600億至2600億美元。
01、機(jī)器人市場(chǎng)的騰飛
《“機(jī)器人﹢”應(yīng)用行動(dòng)實(shí)施方案》中包括十大應(yīng)用重點(diǎn)領(lǐng)域分別是經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域的制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、能源、商貿(mào)物流，社會(huì)民生領(lǐng)域的醫(yī)療健康、養(yǎng)老服務(wù)、教育、商業(yè)社區(qū)服務(wù)、安全應(yīng)急和極限環(huán)境應(yīng)用。
在工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)增長(zhǎng)強(qiáng)勁。制造業(yè)是本次發(fā)布的方案中首個(gè)提到的機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域。由于多國勞動(dòng)力縮減和人口老齡化造成勞動(dòng)力供應(yīng)短缺和成本上升，提高流程效率和自動(dòng)化程度比以往任何時(shí)候都更加迫切。因此，在制造業(yè)和其他工作場(chǎng)所中，能夠執(zhí)行各種操作和運(yùn)輸任務(wù)的多軸機(jī)器人的使用范圍正在迅速擴(kuò)大。通過推進(jìn)智能制造示范工廠建設(shè)，發(fā)展基于工業(yè)機(jī)器人的智能制造系統(tǒng)，將加快制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化變革。
除了工業(yè)機(jī)器人，三年疫情也讓服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)初具規(guī)模?？挂呦盗袡C(jī)器人成為疫情防控的新生力量，“無接觸”的無人配送已成為新焦點(diǎn)。預(yù)計(jì)2022年，全球服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到217億美元。2024年，全球服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將有望增長(zhǎng)到290億美元。
無論工業(yè)機(jī)器人還是服務(wù)機(jī)器人，這些機(jī)器人都在結(jié)合信息技術(shù)提升感知、計(jì)算、執(zhí)行能力，在機(jī)器人智能化水平提升的同時(shí)，對(duì)芯片的需求也在增加。那么哪些芯片產(chǎn)品有望受益呢？
02、機(jī)器人帶飛哪些芯片？
FPGA芯片
FPGA芯片在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)具有高速、并行、運(yùn)算及引腳資源極其豐富、功能靈活、硬件直接實(shí)現(xiàn)算法、操作數(shù)存取機(jī)制簡(jiǎn)單高效、開發(fā)調(diào)試手段直探硬件底層等優(yōu)點(diǎn)。在伺服驅(qū)動(dòng)器中應(yīng)用FPGA是業(yè)界的常規(guī)做法，F(xiàn)PGA在執(zhí)行圖像處理算法方面比CPU更強(qiáng)，是最優(yōu)方案；在執(zhí)行人工智能算法時(shí)，F(xiàn)PGA是與GPU并列的主流方案，而且在功耗方面具備非常大的優(yōu)勢(shì)。與 ASIC 開發(fā)相比，除了縮短開發(fā)和驗(yàn)證周期之外，使用 FPGA 還意味著在出現(xiàn)問題時(shí)可以快速更改邏輯，或者在必要時(shí)可以對(duì)功能需求進(jìn)行修改或增強(qiáng)。
FPGA芯片的特性可以提高伺服控制性能、降低功耗；此外，F(xiàn)PGA 芯片可以通過提供包括 PCI Express 在內(nèi)的多種硬件 IP，從而通過在確保總線連接可靠性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)外圍邏輯集成，促進(jìn)電路的微型化并降低功耗。功耗的降低意味著可以采用無風(fēng)扇外殼，從而不再需要容易磨損的機(jī)械部件，并避免吸入粉塵。
由于機(jī)器人，尤其是工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人產(chǎn)品供應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，因此在維護(hù)方面的考慮需要延長(zhǎng)設(shè)備供應(yīng)期，因?yàn)楣I(yè)設(shè)備的使用壽命通常長(zhǎng)達(dá) 10 年或更長(zhǎng)。FPGA 延長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期可滿足工業(yè)領(lǐng)域客戶的需求。
MCU芯片
MCU是在機(jī)器人執(zhí)行層里應(yīng)用較多的選擇，作為工業(yè)機(jī)器人核心控制器件，MCU也會(huì)受惠于機(jī)器人市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。工業(yè)機(jī)器人單支機(jī)器手臂中，內(nèi)建的控制器平均約有八成為MCU芯片。
對(duì)于機(jī)器人應(yīng)用方向的MCU來說，除了提供易開發(fā)的嵌入式平臺(tái)、設(shè)計(jì)工具外，建立MCU周邊完善的通訊環(huán)境處理各種工業(yè)通訊協(xié)議如USB，SPI等也是相當(dāng)重要的。相較于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人，人形機(jī)器人有更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，需要對(duì)電機(jī)的位置、方向、速度和扭矩進(jìn)行高精度控制。MCU可以執(zhí)行電機(jī)控制所需的復(fù)雜、高速運(yùn)算。目前機(jī)器人解決方案中包括單電機(jī)平臺(tái)（一顆MCU控制一個(gè)電機(jī)）、雙電機(jī)平臺(tái)（一顆MCU控制兩個(gè)電機(jī)）， 其中雙電機(jī)平臺(tái)的兩個(gè)電機(jī)功率和小于單電機(jī)最大功率。
未來在更先進(jìn)工藝下設(shè)計(jì)的MCU，采用更高性能的內(nèi)核，其性能將得到大幅度提升，市場(chǎng)需求將快速提升。在全球MCU市場(chǎng)蛋糕逐年增長(zhǎng)和國產(chǎn)MCU替代的大背景下，國內(nèi)MCU廠商有望突破國外壟斷。
DSP芯片
DSP（Digital Signal Processing）即數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，DSP芯片即指能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的芯片。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。
DSP芯片自誕生以來得到了飛速發(fā)展，一方面得益于集成電路的發(fā)展，另一方面也得益于巨大的市場(chǎng)。在短短數(shù)十年時(shí)間里，DSP芯片已在通信、雷達(dá)、圖像、軍事、儀器、自動(dòng)化、信號(hào)處理等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
DSP芯片用在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，相當(dāng)于起著關(guān)節(jié)的作用，有了DSP的控制，機(jī)器人反應(yīng)更迅速，行動(dòng)更精準(zhǔn)。工業(yè)機(jī)器人在工作中需要處理大量的數(shù)據(jù)，隨著工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用日益廣泛和普及，DSP芯片在這方面的應(yīng)用越來越多，重要性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性都會(huì)得到體現(xiàn)。
IGBT芯片
傳統(tǒng)工業(yè)控制及電源行業(yè)是支撐 IGBT 市場(chǎng)穩(wěn)步發(fā)展的基石。工業(yè)控制是 IGBT 第一大應(yīng)用領(lǐng)域，需求穩(wěn)健增長(zhǎng)。隨著工業(yè)自動(dòng)化的深化，廣泛部署的工業(yè)機(jī)器人和智能化機(jī)床都依賴于強(qiáng)大而靈活的交流電機(jī)、伺服電機(jī)以及節(jié)能的變頻器和電源裝置。
IGBT功率半導(dǎo)體器件是電力電子應(yīng)用領(lǐng)域的核心器件。以電能為處理對(duì)象，通過電力電子技術(shù)對(duì)電能進(jìn)行整流、穩(wěn)壓、開關(guān)和變頻等，實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)轉(zhuǎn)換。功率半導(dǎo)體器是構(gòu)成電力電子變換裝置的核心器件，尤其是在大功率、大電流、高頻高速、低噪聲等應(yīng)用領(lǐng)域起著無法替代的關(guān)鍵作用，被廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域。
近年來，我國變頻器、電焊機(jī)市場(chǎng)穩(wěn)步增長(zhǎng)，工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)加速發(fā)展，對(duì)應(yīng)的工控 IGBT 市場(chǎng)也將穩(wěn)步增長(zhǎng)。根據(jù)集邦咨詢數(shù)據(jù)，2020 年全球工控 IGBT 市場(chǎng)規(guī)模約為 140 億元，其中我國工控 IGBT 市場(chǎng)規(guī)模約為 53 億元，預(yù)計(jì)到 2025 年全球工控 IGBT 市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 170 億元。
03、機(jī)器人芯片領(lǐng)域仍是國外企業(yè)的主場(chǎng)
從2020-2021年，全球FPGA市場(chǎng)增長(zhǎng)速度為16%，預(yù)計(jì)未來5年將持續(xù)保持良好增長(zhǎng)勢(shì)頭（約 12% ~15%的復(fù)合年增長(zhǎng)率），F(xiàn)PGA主要供應(yīng)商有英特爾、賽靈思。英特爾通過提供處理器加FPGA，搭載OpenVINO工具套件和oneAPI，為多種應(yīng)用場(chǎng)景提供了解決方案；賽靈思也擁有成熟的針對(duì)機(jī)器人的平臺(tái)，兩者在機(jī)器人領(lǐng)域較為領(lǐng)先。
傳統(tǒng)的MCU大廠也在機(jī)器人領(lǐng)域深有積累，TI提供全套機(jī)器人解決方案，瑞薩、恩智浦、Microchip、意法半導(dǎo)體、英飛凌等也提供有多種方案可選，這些企業(yè)可為機(jī)器人企業(yè)提供更多的元器件，而不是局限于主控芯片。
全球DSP主要生產(chǎn)商德州儀器、ADI、恩智浦、杰爾系統(tǒng)等，其中德州儀器占比最高。國內(nèi)來看，歐美廠商產(chǎn)品仍占主要市場(chǎng)，國內(nèi)有DSP產(chǎn)品的企業(yè)有中電科38所，湖南進(jìn)芯、江蘇宏運(yùn)技術(shù)、深圳市創(chuàng)成微電子、北京中科昊芯科技等。
除此之外，CPU也是工控領(lǐng)域的主要芯片。隨著機(jī)器人的發(fā)展，需要在越來越多的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)控制、抓取點(diǎn)分析、視覺目標(biāo)識(shí)別等等，而這些都是需要算力的，僅僅一個(gè)FPGA是不夠的。在CPU產(chǎn)品領(lǐng)域，英特爾深有積累，近年來也有國產(chǎn)也有品牌已經(jīng)進(jìn)入，國芯科技的嵌入式CPU產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。
隨著5G、AI等技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域越來越多的應(yīng)用，機(jī)器人領(lǐng)域?qū)⒂瓉碓絹碓蕉嗟男酒婕?。在主要AI芯片市場(chǎng)上一直穩(wěn)步取得進(jìn)展的高通也發(fā)布了RB6機(jī)器人平臺(tái)，展示了在5G和AI的加持下機(jī)器人的強(qiáng)大實(shí)力。
04、結(jié)語
2022年12月，全國規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)的工業(yè)機(jī)器人完成產(chǎn)量4萬套。2022年1—12月全國規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)的工業(yè)機(jī)器人累計(jì)完成產(chǎn)量44.3萬套。2022年12月，全國規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)的服務(wù)機(jī)器人完成產(chǎn)量49.1萬套。2022年1—12月全國規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)的服務(wù)機(jī)器人累計(jì)完成產(chǎn)量645.8萬套。
機(jī)器人行業(yè)沒有彎道超車的機(jī)會(huì)。要實(shí)現(xiàn)硬科技行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，只有腳踏實(shí)地研發(fā)、持之以恒投入，才能打贏關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)。從這一角度來看，機(jī)器人行業(yè)和半導(dǎo)體行業(yè)相似，都需要沉下心，穩(wěn)住氣。
在機(jī)器人+時(shí)代到來之際，我們衷心期待更多國產(chǎn)芯片廠商能把握大勢(shì)，立于潮頭。
