智慧製造加持　關鍵元件喜迎商機

工業4.0帶動智慧工廠與智慧製造的新風潮；不同於過去工業自動化的發展，工業4.0尤其強調智慧化的概念，因而為半導體元件商帶來龐大商機，其中，MCU與馬達控制器更是首波受惠者，相關元件供應商已積極搶攻市場大餅。

物聯網市場前景火紅，市調機構IC Insights預期，2018年物聯網相關半導體產值將突破100億美元大關，2013∼2018年複合成長率可望達24%。在廣大物聯網範疇中，工業物聯網(Industrial Internet of Things, IIoT)由於有助提升企業營運效益，預期將比消費性物聯網的發展更為快速。

工業物聯網涵蓋機器對機器(M2M)的通訊，在工業物聯網中，機器可以與其他機器、物件、環境和基礎設施等進行互動和通訊。通訊的結果產生大量資料，這些資料經過處理和分析之後，可以為管理和控制提供極具意義的、即時的決策依據。

因為所有物聯網設備都需要半導體晶片，所以半導體仍將扮演最核心的關鍵角色。對半導體廠商來說，未來工業物聯網的市場商機有多大？所有市調機構提出的報告中，全都指出這是一個芳草鮮美的全新領域。

市調機構Gartner指出，隨著物聯網時代的來臨，物聯網裝置相關的處理器、感測元件及通訊半導體等，勢必成為整個半導體市場未來成長最為快速的領域，預估2015年物聯網半導體營收將成長36.2%，相較之下整體半導體市場規模僅成長5.7%。

IIoT開創半導體元件大商機

在物聯網半導體零組件之中，尤其以處理功能晶片之成長最為強勁，也是最主要的來源，預估2015年物聯網當中之處理功能晶片營收將達75.8億美元；而感測器成長力道則最為強勁，2015年將大幅成長47.5%。

處理元件以微控制器(MCU)最具代表性，過去在製造的前端，須要感測與處理的訊息較少，會採用的處理器多以低階的8位元MCU為主，未來智慧製造將有更多感測與即時處理需求，因此高階的32位元MCU在未來5∼10年將成為工業物聯網中主流的處理元件，意法半導體(ST)與瑞薩電子(Renesas Electronics)在此領域皆已長期耕耘，近期為迎接智慧製造商機也積極布局。

另外，智慧機器人在工業4.0更是扮演關鍵性的角色，過去的自動化生產機械手臂負責取代重複性高的人力工作，未來智慧製造將更全面的取代人力，在智慧工廠只有必需的管理人力在後端的控制部分，讓機械手臂變身智慧化的關鍵元件就是馬達控制器，ST與亞德諾(ADI)在這個部分都有相當的著墨。另外，智慧製造強調的彈性與即時調整/反應特質，讓可編程元件FPGA也有大展身手的條件，因此賽靈思(Xilinx)也非常積極投入，欲分食市場大餅。

智慧製造發展迅猛　帶動高階MCU需求

在物聯網各個應用領域中，包括智慧城市、智慧交通、智慧醫療、智慧農業、與我們討論的智慧製造，MCU絕對是應用最廣泛的半導體元件，無論是前端感測或是後端處理，都需要MCU。

市場調查機構IC Insights預估，IIoT工業物聯網應用的半導體元件，至2018年市場規模將達41.4億美元，2013∼2018年複合成長率約36%。其中，比重最高的就是處理功能晶片，包括MCU與嵌入式處理器。

圖1 ST大中華區暨南亞區資深產品行銷經理楊正廉指出，IIoT強調智慧製造，因此MCU的處理需求也隨之成長。

近年推動32位元MCU相當積極的ST，從低階到高階共九大產品線，該公司大中華區暨南亞區資深產品行銷經理楊正廉(圖1)指出，IIoT強調智慧製造，相較於過去的自動化，每一個製造節點中，會出現更多的感測器，要感測的訊息也更多，因此MCU的處理需求也隨之成長。ST從2007年投入發展32位元MCU，一開始鎖定在汽車電子等應用，直到近年物聯網概念興起，過去相對高階的32位元MCU找到全新高成長的應用場域。

而智慧製造訴求的省電、效率等重點，也證明當年ST全力發展32位元的決策，楊正廉說明，目前該公司32位元MCU(圖2)從採用Cortex-M0的STM32 L0、STM32 F0；Cortex-M3的STM32 L1、STM32 F1、STM32 F2；Cortex-M4的STM32 L4、STM32 F3、STM32 F4；到近期發表最高階採用Cortex-M7的STM32 F7。分別可以應用在低階的門禁管理；中階的數位電源、感測器、馬達控制；與高階的人機介面、PLC、機械手臂等系統上。

圖2 ST 32位元MCU產品線

未來的智慧工廠，在每一個生產環節中，每個操作設備都具獨立自主的能力，可以自動化完成生產線操作，而每個設備和設備間也都可以相互溝通，並即時監控周遭環境，隨時找到問題加以排除，與過去自動化機械在運作時的單調重複性動作相較，未來機械運作模式會更加複雜，因此更精確控制，並提供複雜運算與快速計算/反應能力的MCU將是重要的發展趨勢。

客製化/少量多樣趨勢　推升高階控制器發展

工業自動化行之多年，製造業對於效能的要求無止境，面對未來市場的需求，產品客製化、少樣多量的趨勢，從製造進化到「智」造，過去生產用機器人動作單純，未來要能負擔繁複的動作，並進行即時切換，製造商面對複雜的客製化產品組合，同時還要更精準的安排交期，製造前端的機器人控制器必須升級，工業乙太網路頻寬也因應感測的需求進行擴充。

圖3 瑞薩行銷暨車用事業部策略行銷部經理黎柏均表示，工業製造強調的就是信賴、可靠與整合等，獨立式的感測器與馬達驅動器，需兼顧高效能與低功耗。

多年來在全球MCU市占率第一的Renesas行銷暨車用事業部策略行銷部經理黎柏均(圖3)表示，工業製造強調的就是信賴、可靠與整合等，從該公司的工業應用產品線來看，獨立式的感測器與馬達驅動器等，因為須要兼顧高效能與低功耗，瑞薩會採用自己的處理器核心，也是其技術強項；而在網路功能與人機介面的元件，因為較多協同運作並且可以讓客戶工程師快速開發，所以會授權ARM的核心去開發產品。

以Renesas的MCU產品線來看，應用領域以車用、工業用與高階消費性產品為主，8位元、16位元、32位元產品都有，黎柏均進一步說明，短期低階的8位元產品與高階的32位元產品都有不錯的發展，原因是8位元產品在省電功能尚有還有明顯優勢，長期來看32位元的製程進步帶來功耗與成本的降低，同時對於訊號的處理效能有極大優勢，智慧製造強調在感測前端就做即時的訊號處理、判斷與反應。而就感測器與處理器的升級來看，短期內處理器升級會較需花費長時間驗證、開發的感測器更為容易。

Renesas的MCU推出RZ/T產品，藉由升級處理器進行更複雜運算與更快速的反應時間，同時此款MCU產品搭載該公司新發表的R-IN平台，可兼容多數工業乙太網路通訊協定，使得新款MCU與過去元件相比，可於更小空間內整合馬達控制與聯網功能，適合導入機器人應用，可縮小機器人尺寸。黎柏均表示，部分高階製造需要精準的濺鍍製程、高級車的客製化產線等需要高階處理器搭配感測器或者多軸的機器手臂，市場商機皆相當旺盛。

智慧機械手臂帶動　馬達控制器商機旺

除了MCU之外，馬達控制器是另一個高度成長的標的。在自動化的時代，馬達就已經遍佈在各類工廠的生產現場，不過未來智慧製造興起，機器手臂動作從單純往複雜發展，各類動作的精度要求也不斷提高，製造機具的馬達控制器重要性自然水漲船高。

圖4 ST技術行銷經理林進裕說明，智慧製造的趨勢讓智慧化生產線大幅成長，一個機械手臂估計有7～8個馬達，也需要同樣數量的馬達控制器。

馬達看起來是個傳統又穩定的產業，不過在智慧製造的風潮下，具有智慧化、網路化概念的馬達設計架構漸成主流。ST技術行銷經理林進裕(圖4)表示，智慧製造的趨勢讓智慧化生產線大幅成長，一個機械手臂估計有7∼8個馬達，也需要同樣數量的馬達控制器；以前的馬達一經設計完成，提供給使用者的資訊通常相當少，造成在應用於向量控制時相當不方便，不少使用者必須自己量測參數，無感測向量控制尤其必須相當依賴參數。

未來智慧型馬達本身將融合多項系統工程技術進入馬達本體，因此馬達設計概念將成為與驅動器合而為一的架構，SMD布線設計技術對於小型化尤其有莫大助益，干擾防制技術也是小型化的瓶頸點，既然馬達要有智慧化、網路化的概念，高速化的單晶片微控制器就成為設計的核心。而在向量控制的殷切需求之下，馬達參數資訊已經須要透明化，提供使用者或驅動器明確的資訊，從系統控制的角度而言，掌握狀態變數重要性提升，系統變數便是影響系統動態響應的主要因素。因此，馬達必須建立預警系統技術，明確掌握動態，同時避免無端的故障或損毀發生。

ST的整合式馬達控制解決方案有PowerSpin、EasySpin、FlexSpin、DSpin、CSpin系列等，在電壓控制晶片方面，可提供128微步(Microstep)的多階微步進控制，IC設計人員可以依照應用程式需求，精準、流暢的控制馬達運作，讓智慧設備發揮預期的效果。此外，在電流控制器方面，則具備簡單易用、開放、彈性、可擴充的特性，讓企業原有的投資可以重複被利用，使得開發成本大幅降低，亦能隨時依照市場需求開發出新商品。

圖5 ADI亞太區電源控制行業市場部經理于常濤認為，目前機械手臂以三至六個關節為主，未來發展重點不在關節數的成長，而在馬達控制效能。

機械手臂跟隨工業4.0與智慧製造的風潮，再次成為產業熱門的發展重點，同樣提供馬達控制器的ADI亞太區電源控制行業市場部經理于常濤(圖5)表示，目前機械手臂以三個關節為主，最多到六個關節，未來發展的重點不在關節數的成長，重點在三個部分：一是馬達轉得更好，比如在機械負載發生變化時，動態響應特性表現依然維持穩定，並保持機械運動穩定。另外要轉得更快，代表製造效率提升，還要能定位精準，誤差容忍在毫米甚至微米。

也因為智慧製造強調分散管理特性，聯網應用上即時網路(Real Time Networking)要能即時反應、即時處理。于常濤指出，更高頻寬的工業乙太網路就是第二個趨勢。而第三個重點，在於與後端生產軟體的協同運作，並提供圖形化辨識，讓系統穩定度與生產力都同時提高。

在產品的部分，于常濤說明，ADI伺服控制的系統解決方案包括ADSP-CM408F混合訊號處理器、iCoupler差動閘極驅動器與磁隔離技術、電流檢測AD740x調變器以及整合保護功能的AduM4135 IGBT閘極驅動器。另外，伺服控制最核心的處理器ADSP-CM408F採用ARM Cortex M4F核心。

圖6 Xilinx亞太區Zynq業務開發經理羅霖提到，隨著物聯網對不同類型的網路連接感測器的需求大增，也需要FPGA來執行感測器處理和複雜介接工作。

FPGA搶市場大餅　與MCU互別苗頭

智慧製造與其他智慧應用議題相較，方向較為明確，市場需求已經浮現，也吸引許多廠商投入，在控制器的部分，MCU與DSP、FPGA的競爭就相當激烈，Xilinx亞太區Zynq業務開發經理羅霖(圖6)表示，隨著物聯網成為日常生活的現實，對不同類型的網路連接感測器包括取像和遙控感測等的需求大增，因此也需要FPGA來執行感測器處理和複雜介接(Interfacing)工作。Xilinx所推出的Zynq SoC元件能夠針對機器人控制器實現四軸、六軸的機器人控制，FPGA可編程的特性能夠提供具靈活以及高效能的表現，依據系統需求在節點之中作彈性調整。FPGA的擴展性及運作效能將更能應付設計日趨複雜的運算需求。例如FPGA在同一機器手臂內，針對低、中、高階內部系統皆能提供開發商一致的擴展性和靈活性。

羅霖進一步指出，智慧製造應用中，FPGA的可程式化特性，可讓工控機台擁有更富彈性的功能整合空間，因為產線可能因應生產標的隨時變更，面對產品項目的製作需求。FPGA本身是利用平行運算的架構來提升運行效能，為利用硬體來實踐功能設計，雖然運算效能無法與ASIC直接抗衡，但整合的系統反應效能已經可以提供極低的系統延遲。

由於工業領域具有垂直封閉的特色，各種協定、軟體支援常常互不相容，目前就有許多工業乙太網路標準並存於市場上，FPGA也透過可編程特性，同時支援多種協定，讓客戶在開發的同時擁有選擇的彈性。相較於MCU，FPGA的高成本也常讓市場詬病，因此Xilinx近年也發展部分低階產品線，如Spartan 3、Spartan 6、Artix 7、Zynq 7010/7015/7020等，以強化產品組合。

在產品布局上，羅霖說明，Xilinx在工業解決方案上專注於人機介面(Human Machine Interface)、工業網路以及馬達控制等。Xilinx All Programmable和Smarter Solution包含All Programmable FPGA、SoC和3D IC平台，以及SmartCORE、LogiCORE和專用ecosystem IP開發板系列，可透過客製化滿足市場需求。

過去工業自動化除了資訊化之外，大部分的發展重點還是在機械設備本身，工業4.0由於強調智慧化的概念，為半導體元件創造龐大的商機，過去發展已經接近成熟的MCU與馬達控制器就在智慧製造找到全新的成長契機，儘管眼前還有許多技術挑戰待突破，但是市場需求已經出現，未來幾年可以期待這些重點廠商如何開拓與經營。