推動數位轉型對於工業企業至關重要，如此才能保持競爭力，並為客戶提供價值。這種趨勢的早期表現包括融合營運技術(OT)和資訊技術(IT)網路的整合、預測性維護部署以及使用機器人達到自動化，以此提高輸送量、減少人為錯誤。
產品開發人員需要為這些挑戰迅速推出解決方案。可程式化設計的系統模組(SOM)能夠提供適宜的運算平台以著手開發解決方案。然而，額外的韌體和軟體基礎設施仍為必要，同時，異質處理引擎和整合的可程式化設計邏輯能增添寶貴的靈活性。透過分析網路融合、預測性維護和機器人領域中採用的一些基於SOM的已知解決方案，便可發現附加資源在哪些領域能夠加速開發工作並協助確保最佳效能。
TSN推動IT/OT網路融合
融合資訊技術與營運技術網路不僅能簡化工廠車間內各系統間的資訊流程，也有益於企業級管理和策略決策工作。同時，也能達成從最底層感測器/驅動器直至企業資源規畫(ERP)系統的端對端通訊。這種融合也能消除管理兩個不同網路所造成的重複開銷。
IT網路和OT網路的需求具有明顯差異。OT網路需要即時、低延遲的通訊，並且難以擴展；IT網路則更易於擴展，但並不具備確定性，也難以保證服務穩定性。時間敏感型網路(TSN)是IEEE 802的一個子集，透過在乙太網路上啟動確定性通訊來促進這種融合。藉由提供網路管理並為流量調度(Scheduled Traffic)分配時間槽，TSN能使不同類型的流量共用同一連線。
現在，如果想要達到TSN，就需要能夠在網路終端和交換機上提供低延遲和確定性回應的解決方案。適合的平台需要包括乙太網路MAC、TSN橋和TSN終端邏輯(圖1)，此外，也需要借助軟體來處理網路同步、初始化以及與網路配置控制器的介面連接等功能。例如，AMD賽靈思(Xilinx)的TSN IP核心便採用可程式化設計邏輯和Kria K26 SOM的處理系統來實現這些單元，其中包括Zynq UltraScale+ MPSoC。該IP核心能為每個流量類型提供單獨介面，最多可用兩個埠進行配置。這兩個連結埠經由同一纜線或光纖傳輸所有流量類型。
圖1 基於SOM的TSN終端
邊緣部署預測技術好處多
預測性監測能夠幫助設備操作人員預防故障，並在方便的時間安排維護工作，進而實現利用率和執行時間最大化，同時最大限度降低擁有成本。相關方案的適用範圍囊括基於雲端的數位分身到邊緣預測，以用於監測簡單驅動器和感測器系統。對眾多工業應用而言，在邊緣進行處理並將處理後的資料傳輸至雲端是最可行的解決方案，由於資料量大，決策迴路的回應時間至關重要。在邊緣採用預測技術能提供巨大優勢。例如，電腦數值控制機床(CNC Machine)主軸的操作故障不僅會造成電腦數值控制機床的損壞，還會導致生產中斷，這些都對成本產生巨大影響。
建構上述系統所面臨的一大關鍵挑戰為在邊緣部署開發機器學習應用。合適的工具套件可協助解決這一挑戰，提供即用型可部署高效能機器學習演算法，以此支援開發人員使用PyTorch、TensorFlow和Caffe等流行的機器學習框架來建構其應用。例如，賽靈思Vitis AI工具提供深度學習處理器單元(DPU)，可作為可參數化的IP核心，直接在SOM可程式化設計硬體中實現(圖2)。KV260視覺AI入門套件等入門套件包括利用Vitis DPU的AI加速應用。
圖2 採用SOM和業界標準框架開發機器學習應用
ROS 2技術實現自動化
利用機器人技術達到生產流程自動化為工業4.0最關鍵的技術之一。在製造業中，這些解決方案適用於廣泛的應用，從生產線上的機械臂到運輸供應物資的機器人以及生產車間的物流皆可應用機器人技術。
高效能、低延遲的處理系統對於達成安全的環境互動至關重要。具體而言，需要控制機器人的活動零件，這些零件包括複雜的致動器、驅動器和機械系統，統稱為機電一體化。由於機器人內部透過網路通訊達成所需的即時控制，因此，包括可程式化設計邏輯的SOM能帶來兩大優勢，其中之一便是能支援任意連接，可簡化感測器和驅動器連接。此外，可程式化設計邏輯也可用於達成確定性網路，其與機器人系統密切相關。
許多開發專案皆採用機器人作業系統(ROS)，包括用於創建機器人系統的一系列軟體程式庫(Software Library)和工具。儘管ROS已於近期升級至ROS 2，但其原生的持續整合/持續交付(CI/CD)開發流程(Pipeline)卻是專門為基於CPU的異質處理系統而設計。AMD賽靈思推出的Kria機器人堆疊(KRS)支援ROS 2(圖3)，其增強功能可幫助開發人員使用Kria K26的異質處理引擎和可程式化設計邏輯提升即時確定性效能。此外，該產品也採用SOM的Arm Cortex-R5即時處理器，以此管理作為資料分散式服務(DDS)核心的即時發布訂閱協定(RTPS)，而這也是ROS 2的基幹。
圖3 Kria K26 SOM
除此之外，將CI/CD流程添加至監測和自動化功能中，可以改進應用開發流程，尤其是在整合和測試階段以及交付和部署期間。自動化功能可減少CI/CD流程每個環節的手動執行工作，並且機器人專家可以採用相同的ROS 2協定和相同的工具作業，使用於基於軟體的零件，或是透過可程式化設計邏輯卸載或加速的零件。進行ROS 2節點應用的執行基準測試還有一項優勢，不僅有助於辨識瓶頸因素，也有助於專門將一個或多個核心客製化為可程式化設計邏輯中的卸載核心。
SOM助攻工業數位轉型
高效能自行調適邊緣運算是工業數位轉型的一大支柱。可程式化設計SOM能夠簡化建構靈活的自行調適運算解決方案，搭配專門設計的IP(包括軟體堆疊)，便能加速達成可量產化模型的開發工作。
(本文作者為AMD AECG事業群工業、視覺、醫療和科學行銷與策略經理)