机器人大热，这家芯片厂商藏不住了

自年初在央视春晚扭完秧歌之后，机器人热潮终于被彻底引爆了。

据高盛在报告中预测称，到2035年全球人形机器人出货量将达140万台，市场规模约380亿美元。来到备受关注的人形机器人方面，高盛认为，其最早应用到工厂的时间为2024至2027年，应用到消费市场的时间为2028至2031年。
伴随着机器人的崛起，芯片厂商正在摩拳擦掌，跃跃欲试。


电影《I Robot》剧照
 
机器人市场，FPGA大有可为

关于机器人要用到哪些芯片？要用怎样类型的芯片？遍历网上，其实并没有找到一个行业通用的介绍。在咨询了ChatGPT之后，它给出了以下答案：机器人需要主控芯片，感知类/控制类芯片、电源与管理芯片、通信与接口芯片、AI与神经加速芯片、存储与安全芯片。具体到每个环节，也有各种各样的芯片方案供选择。

在Microchip FPGA产品部产品营销工程师Apurva Peri看来，选用机器人芯片的关键就在于如何将高性能计算与功耗、尺寸和实时响应等现实约束相结合。

Apurva Peri进一步指出，现代机器人技术的应用需要在严格的延迟和散热限制下处理大量传感器数据，尤其是来自多个高分辨率摄像头的数据。然而，许多主流计算平台（例如GPU和嵌入式SoC）在设计之初并未考虑针对直接传感器输入的扩展，尤其是 MIPI® CSI-2 或 SLVS-EC 等接口。这会增加系统设计的复杂性，延缓部署速度。再加上对防护、安全性关键性能的需求日益增长，使得这一挑战变得更加严峻。

“Microchip始终致力于机器人技术的发展，聚焦我们的核心优势：为边缘应用提供节能、安全、可靠的计算解决方案”，Apurva Peri说。其中，FPGA将会是这家公司“征战”机器人市场的重要“武器”。

在大多数情况下，我们谈到Microchip的时候，首先会想到他们的MCU。诚然，作为将PIC架构发扬光大的MCU玩家，在收购了Atmel之后，Microchip进一步巩固了其在MCU市场的地位，特别是在最近几年加大在Arm MCU的投入后，让他们在MCU市场更进一步。

但其实除了MCU以外，Microchip通过几年前对Microsemi的收购，为自己的处理器产品矩阵增加了大有可为的FPGA筹码。

如Apurva Peri所说，随着机器人解决方案不断突破AI、视觉和确定性控制的界限，FPGA因其灵活性、并行处理能力和实时系统确定性而越来越受到青睐，尤其是在需求不断变化或尚不需要专用ASIC的情况下。她进一步指出，虽然MCU和MPU在成熟的大批量产品阶段占据主导地位，但在对功耗、性能和适应性要求极高的创新阶段，FPGA无疑是最佳选择。

“Microchip凭借出色的能效被公认为中端FPGA领域的行业领导者，而能效特性对于尺寸、散热空间和电池寿命有限的机器人应用至关重要。”Apurva Peri强调。“Microchip FPGA通过智能传感、安全连接、可扩展AI和节能设计，实现了先进的机器人技术，并专门针对边缘应用的尺寸、重量、功耗和性能进行了优化。”Apurva Peri总结说。

Microchip的PolarFire赋能

从Apurva Peri的介绍我们得知，Microchip专为智能边缘的低功耗实时计算而设计的PolarFire和PolarFire SoC FPGA是非常适合机器人市场的处理器解决方案。

“PolarFire® FPGA和SoC FPGA架构与生俱来的优势（确定性操作、即时启动特性和低静态功耗）使其非常适合机器人应用。此外，我们还在构建更完善的硬件、IP 和开发平台组合，从全方位支持这些应用。”Apurva Peri表示。



她指出，传统的基于SRAM的FPGA往往由于静态功耗高和启动时间长而在机器人技术应用中被挑战。相比之下，PolarFire器件采用非易失性技术，可将静态功耗降低最高1,000倍，并支持近乎即时的启动，无需外部配置存储器，从而简化了系统复杂性。

此外，凭借其功耗优化的SERDES架构，PolarFire FPGA在同等逻辑规模下还可节省超过50%的总功耗。机器人开发人员可基于此来构建紧凑型无风扇平台，使其在空间受限或热敏感的环境中可靠运行，例如自主移动机器人（AMR）、手术系统和协作机器人（cobot）。

这种非易失性结构还具有天然的抗单粒子翻转（SEU）能力，这对于在工业、航空航天或户外环境中运行的机器人应用至关重要，因为这些环境要求绝对可靠的系统完整性和持续运行时间。

值得一提的是，PolarFire平台从一开始设计时就关注安全性。通过硬件和软件相结合的多重防护机制，为整个机器人系统提供设备和数据保障。PolarFire FPGA和PolarFire SoC FPGA内置防篡改功能、经NIST认证的加密引擎、基于RISC-V®的物理内存保护、安全启动和安全的供应链支持，这些特性对于医疗、国防和工业自动化领域的自主平台十分重要。

为了更好地帮助客户部署，Microchip不仅提供芯片，还提供开发人员所需的支持软件、IP核和基础设施，助力机器人应用的实际落地。

以该公司提供的智能嵌入式视觉（SEV）产品为例，据介绍，在其中包含了全面的视觉开发套件和IP核，涵盖了完整的成像流程——从MIPI CSI-2和SLVS-EC等传感器接口，到CoaXPress®等传输标准，再到HDMI和DisplayPort等显示输出。这使得开发人员能够更轻松地快速构建多传感器视觉系统。

“我们所有投入都以全面的系统级思维来解决机器人技术的挑战为目的”，Apurva Peri说。
 
针对AI新趋势，从容应对

对于机器人来说，如上所述，AI成为一个既定发展方向，能在机器人的多个领域发挥重要作用。

Apurva Peri也分享道，机器人技术正朝着分布式协作系统的方向发展，边缘设备的智能化程度不断提升，传感器与计算设备之间的融合更加紧密，功能安全性和信息安全性也日益受到重视。随着协作机器人（cobot）在共享工作空间场景中的普及，市场对“智能且具备可预测行为，在设计之初就考虑到安全性”的系统需求正在激增。

此外，AI正在发挥越来越大的作用，但仅仅运行模型还不够。系统还必须具备确定性的响应、稳健的数据处理和安全通信能力。这促使ROS 2、TSN和OPC UA等支持互操作性的技术被广泛采用，同时也将人们的兴趣转向将软件定义行为与安全可靠的确定性硬件相结合的平台。

从制造业、农业到医疗领域，随着自主化和协作需求的不断增长，开发人员正在寻找一种既拥有低延迟性能、可认证性和系统韧性，又不牺牲功耗以及可扩展性的架构。  

有见及此，Microchip正在基于领先的软硬件布局，通过两种方式支持边缘AI：

首先，使用公司领先的VectorBlox™软件开发套件（SDK）进行FPGA内AI加速，无需具备FPGA专业知识即可进行CNN推理；

其次，对于需要外接GPU等AI加速器的应用，我们通过PolarFire FPGA以太网传感器桥接技术将传感器数据聚合并直接传输到NVIDIA Holoscan等平台，实现AI布署。

“PolarFire® FPGA以太网传感器桥接器是我们与NVIDIA的战略合作成果”，Apurva Peri强调。



对行业有了解的读者应该知道，英伟达凭借其GPU和CUDA生态优势，正在成为机器人市场的重要角色。诸如Jetson AGX Orin和IGX等AI平台也逐渐成为了很多机器人的首选。然而，虽然这些平台拥有强大的GPU性能，但缺乏对MIPI CSI-2或SLVS-EC等高速传感器接口的原生支持。

于是，Microchip和英伟达的桥接器通过广泛支持的10G以太网来采集并传输传感器数据，从而简化了系统设计。据介绍，该方案基于低功耗PolarFire FPGA构建，包含双MIPI输入、双10G SFP+端口以及用于CoaXPress、SDI和JESD204B等接口的FMC扩展槽。它还与NVIDIA Holoscan SDK完全兼容，可直接在边缘进行低延迟数据采集和预处理。

对于需要构建高性能视觉系统的机器人团队来说，这是一个实用的解决方案，无须板级定制开销。得益于这个领先优势，开发者们对此表现出了浓厚的兴趣，并在评估PolarFire FPGA以太网传感器桥接器如何连接多个传感器，尤其是在视觉密集型系统中，因为这些系统需要与NVIDIA Jetson AGX Orin等平台进行高吞吐量连接。

此外，汽车和农业领域也逐渐显现出一定的兴趣，因为这些行业对传感器数据聚合和边缘AI加速的需求正在日益增长。

Apurva Peri透露，Microchip还在与NVIDIA的生态系统合作伙伴密切协作，开发包含PolarFire FPGA传感器桥接器解决方案的参考设计和模块化解决方案。此举的目的是降低开发门槛，让更多的开发人员，尤其是那些不熟悉FPGA的群体，能够更轻松地将该功能应用于可扩展、适合量产的系统中。  

写在最后

Apurva Peri表示，作为领先的FPGA供应商，Microchip与工业自动化、视觉和嵌入式系统领域的诸多知名企业合作，并构建了不受公司规模或经验水平影响的生态系统。

无论客户拥有内部FPGA设计团队，还是硬件开发经验尚浅的初创公司，Microchip都能提供完整的评估套件、开发工具、软件栈和文档，以满足他们的需求。这不仅适用于机器人技术，也适用于医疗、国防、工厂自动化和汽车等领域。

“我们的目标是，让任何规模的企业都能以最简便的方式使用我们的FPGA进行开发。” Apurva Peri说。

除了FPGA以外，Microchip还有更广泛的产品布局，这让公司能够针对机器人市场，提供更多的支持。例如，公司就针对机器人应用场景的特性，推出了采用了紧凑型封装，旨在节省电路板空间、简化PCB复杂度，并提供卓越的散热性能的电源模块。

据介绍，这个基于Microchip丰富的FPGA、MCU、MPU、网络和模拟产品组合的模块体现了Microchip智能、互联和安全的设计理念，这的电源模块也经过精心设计，可与低压、中压和高压模块无缝集成，并实现预先验证的EMI和DC性能。

“这些模块提供硅（Si）和碳化硅（SiC）两种版本，是工业机器人、自主无人机、仓储自动化和其他自主系统的理想选择。”Apurva Peri说。

毫无疑问，机器人市场潜力巨大。但从长远看来，这项有望改革人类科技的技术正处于初级阶段。在Microchip领先解决方案的支持下，机器人走向千行百业的进程正在加速。