本文作者黃燁鋒

ASPENCORE 資深產(chǎn)業(yè)分析師，常駐上海，專注成像、移動與半導(dǎo)體，熱愛理論技術(shù)研究。

從去年開始，電子工程專輯對機器人的關(guān)注度明顯增加了：主要是因為這個領(lǐng)域漸有爆發(fā)之勢。黃仁勛在去年的不止一個場合都說過機器人即將迎來“ChatGPT時刻”，NVIDIA眼中在生成式AI之外的下一個爆點就是機器人；

行業(yè)內(nèi)像ROSCon這樣的機器人開發(fā)者大會越來越火；宇樹科技機器人亮相春晚扭秧歌,特斯拉擎天柱機器人疊衣服等引發(fā)極大關(guān)注......這些都讓人感覺機器人正在以前所未有的速度發(fā)展。

這就給作為機器人底層動力的芯片，提供了巨大的市場機會。在最近先楫半導(dǎo)體與好上好信息共同舉辦的“共話機器人，智鏈未來”新春茶話會上，先楫半導(dǎo)體方案及FAE總監(jiān)余國民把人形機器人的核心構(gòu)成分成了4部分：

（1）大腦決策層——包括現(xiàn)在常說的AI大模型，及復(fù)雜決策——這也是過去一年我們關(guān)注得最多，NVIDIA常說的“3臺機器人”的機會點；

（2）運動控制-即機器人“身體”，包括動力系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、靈巧手等；

（3）環(huán)境感知，相當(dāng)于機器人的感官，涵蓋各種傳感器；

（4）實時通信，余國民稱其為機器人的“神經(jīng)”，相關(guān)于機器人內(nèi)部各組成部分的互通互聯(lián)，他還強調(diào)了機器人這部分的可靠性和穩(wěn)定性要求。

“機器人身上的部件、芯片很多。”余國民說，“先楫半導(dǎo)體除了大腦沒有涉足，其他部位我們都有。比如運動控制、關(guān)節(jié)這部分是我們的強項；實時通信這塊，我們有工業(yè)以太網(wǎng)芯片，也在探索TSN的可能性”；“而像我們的HPM5300系列芯片尺寸小、算力高，很適合做傳感器后端的控制處理芯片”。

目前先楫半導(dǎo)體在國內(nèi)的機器人領(lǐng)域已經(jīng)累積了過百家客戶，“有做整機的，也有做供應(yīng)鏈的”，“有做協(xié)同機械臂的、人形機器人的、機器狗的等等”，“很多都已經(jīng)實現(xiàn)了量產(chǎn)”。基于先楫半導(dǎo)體目前在機器人領(lǐng)域的涉足廣度，及已經(jīng)有不少落地產(chǎn)品，這也成為我們理解當(dāng)前機器人技術(shù)發(fā)展需求及現(xiàn)狀的絕佳窗口。

01

機器人主控芯片的5個要求和趨勢

先楫半導(dǎo)體執(zhí)行副總裁、市場銷售負(fù)責(zé)人陳丹在活動開場致辭中提到芯片賦能機器人發(fā)展體現(xiàn)在“5個高度”上，分別是高算力、高性能運動控制、高實時性通信、高集成度、高安全性。先楫半導(dǎo)體產(chǎn)品總監(jiān)費振東也將這5點視作機器人對主控芯片的要求及發(fā)展趨勢，是先楫“在機器人行業(yè)與我們的客戶交流和溝通過程中體會到的”。

第一，高算力。“機器人未來會走向各個行業(yè)，走進(jìn)千家萬戶。社會大眾對其功能預(yù)期很高?！辟M振東在演講中說，“出色的功能和運動能力都離不開高算力的CPU，這樣才能讓復(fù)雜算法落地。”

除了通常我們說節(jié)點內(nèi)要求達(dá)成高實時響應(yīng)的ADC采集、FFT加速等功能特性也屬于高算力范疇，這一點的關(guān)鍵自然就是MCU核心的控制和處理速度。余國民舉例說先楫的HPM6E00系列MCU憑借其卓越性能，CPU計算電流環(huán)延遲可實現(xiàn)1.06μs，以往要達(dá)到這一級別的性能，通常需要依賴FPGA或是國外大廠芯片的快速電流環(huán)技術(shù)。

與此同時，VSC（坐標(biāo)變換）+ CLC（環(huán)路計算）+ PWMv2多模塊構(gòu)成的硬件電流環(huán)也顯著減少了關(guān)節(jié)伺服電流環(huán)計算延時（可達(dá)數(shù)百納秒），滿足對電流環(huán)更高的快速響應(yīng)需求。這套方案是在“高算力”的前提下“兼顧靈活性和便捷性”。這應(yīng)該算是體現(xiàn)“高算力”機器人控制芯片屬性的典型了。

第二，高性能運動控制。主流機器人機械運動執(zhí)行，目前都以伺服電機結(jié)構(gòu)為主，尤其是常見的人形機器人和機器狗——一個動作需要很多電機組合完成。這就要求主控芯片具備很強的運動控制能力。機器人軀體的運動，包括各關(guān)節(jié)的不同軸向運動組合完成復(fù)雜任務(wù)，這是機器人與物理世界交互的基礎(chǔ)。

雖然機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動看起來和工業(yè)領(lǐng)域的傳統(tǒng)伺服驅(qū)動很相似，但通常機器人要求更快的響應(yīng)速度，包括力矩環(huán)、電流環(huán)的響應(yīng)要求；同時機器人不少關(guān)節(jié)較小，也就要求更高的功率密度和集成度；而且機器人一般為電池供電，更要求考慮效率問題。

幾名發(fā)言人都強調(diào)運動控制是先楫的絕對強項，“無論是各個關(guān)節(jié)的伺服，還是靈巧手”，“我們都已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品落地”。

第三，高實時性的同步通訊。如前所述，機器人全身有大量關(guān)節(jié)、部件，“一些比較大的機器人身上有少則幾十，多則上百個自由度（能夠獨立運動的關(guān)節(jié)數(shù)量）；每個自由度都意味著一個運動控制的執(zhí)行機構(gòu)。幾十上百個電子控制器協(xié)同完成各種動作。”費振東表示，“這就需要機器人全身的各個組件高度協(xié)調(diào)，因而對主控芯片提出了高實時同步需求?！?/p>

這應(yīng)當(dāng)也是先楫目前正尋求突破的技術(shù)點：比如說在通信技術(shù)方面，對于目前在工業(yè)和機器人領(lǐng)域都很火的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)，陳丹特別提到了先楫半導(dǎo)體的HPM6E00系列“是國內(nèi)首個拿到德國倍福（Beckhoff）正式授權(quán)的EtherCAT從站控制器高性能MCU”，“這原本是個常年被海外企業(yè)占據(jù)的市場，很高興中國芯片2023年也在這個領(lǐng)域有了一席之地?！?/p>

第四，高集成度與小型化。受限于機器人本身的尺寸，需要在有限空間內(nèi)完成電子系統(tǒng)設(shè)計，留給芯片及對應(yīng)的元器件的空間就更小?！拔铱吹絿鴥?nèi)已經(jīng)有一些客戶將幾塊板子疊在一起，每塊板子上面都有MCU、FPGA，還有網(wǎng)絡(luò)連接所需的部分等等都放在一起?！?/p>

“人形機器人很多關(guān)節(jié)要求小尺寸，靠近手、腳的末端尺寸可能就變得非常小?！贬槍ο到y(tǒng)的高集成度和小型化提出了要求。活動現(xiàn)場甚至有工程師在QA環(huán)節(jié)提到希望先楫能盡快推出便于實現(xiàn)更小型化系統(tǒng)的芯片產(chǎn)品，先楫則表示相關(guān)新產(chǎn)品已經(jīng)就緒即將發(fā)布。

余國民說先楫現(xiàn)在的解決方案是將“原本所需的5顆芯片集成在一起”，另外集成脈沖、模擬、通訊類編碼器接口——“尤其編碼器接口，可以兼容所有主流絕對式編碼器；如BiSSC，不需要另外再用一顆芯片；還有芯片內(nèi)集成的旋變解碼單元是很多工業(yè)領(lǐng)域的客戶需要的?！?/p>

第五，高安全與高可靠性。除了可靠與穩(wěn)定性這類基本需求，考慮未來機器人在各行各業(yè)乃至普通家庭的普及，機器人作為先進(jìn)電子系統(tǒng)，未來必然會成為網(wǎng)絡(luò)攻擊的目標(biāo)。所以信息安全也需要提上日程。

02

對于這5點，先楫的對應(yīng)方案

著眼這5點，自然與先楫本身的業(yè)務(wù)和技術(shù)方向有極大關(guān)聯(lián)——前文多少也已經(jīng)提到?！肮境闪⒅?，我們對產(chǎn)品的設(shè)想就和這幾點有著很高的重合度。”對先楫的機器人MCU芯片有進(jìn)一步的認(rèn)識，也有助于我們理解當(dāng)代機器人MCU具體是什么樣的。

在高算力的問題上，先楫認(rèn)為雖然國內(nèi)進(jìn)入MCU賽道的企業(yè)不少，但大多集中在“入門和主流”定位，“高性能MCU仍然是薄弱環(huán)節(jié)”。

下面這張圖是目前先楫的MCU產(chǎn)品矩陣，橫軸為管腳數(shù)，縱軸為性能劃分。費振東說即便是主流定位的HPM5300系列，“雖然在先楫被定位在入門級，但它仍然達(dá)到了480MHz的主頻，覆蓋48-100腳”；而中間高性能定位的“HPM6200和HPM6300系列廣受用戶好評”；更不用說高端定位的HPM6700, HPM6800和HPM6E00系列。

以先楫2022年推出的首個HPM6750系列芯片為例——集成2個816MHz主頻的RISC-V核，就已經(jīng)著眼在了高性能領(lǐng)域?！凹幢闶?、3年后的現(xiàn)在，相比國際廠商后續(xù)推出的更高性能的產(chǎn)品，我們的這款產(chǎn)品在性能上也絲毫不遜色?！睆腃oreMark跑分及芯片集成度的角度，都優(yōu)于同級別的競品。

以先楫2022年推出的首個HPM6750系列芯片為例——集成2個816MHz主頻的RISC-V核，就已經(jīng)著眼在了高性能領(lǐng)域?！凹幢闶?、3年后的現(xiàn)在，相比國際廠商后續(xù)推出的更高性能的產(chǎn)品，我們的這款產(chǎn)品在性能上也絲毫不遜色?！睆腃oreMark跑分及芯片集成度的角度，都優(yōu)于同級別的競品。

而優(yōu)秀的運動控制能力，被先楫的幾名發(fā)言人反復(fù)提及?！皬?023年下半年發(fā)布的HPM5300系列開始，先楫的MCU集成了功能相當(dāng)強的運動控制系統(tǒng)，受到了廣泛的用戶好評。費振東談到了先楫特有的，且廣受客戶好評的精確運動控制系統(tǒng)，如下圖所示。

“此外，芯片上也集成了硬件控制環(huán)路計算單元……”“所有這些模塊都進(jìn)一步降低了CPU負(fù)載，把基于先楫產(chǎn)品設(shè)計的電機驅(qū)動器、運動控制器性能都推到了全新高度。”

通訊能力方面，具體到先楫的MCU產(chǎn)品，表現(xiàn)在提供比較豐富的通訊接口——下圖以HPM6E80為例，框出了通信資源；與此同時，，先楫認(rèn)為隨著機器人技術(shù)的持續(xù)深入發(fā)展，機器人需要性能更強、實時性更高的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。

除了前文已經(jīng)提到HPM6E80作為率先在國內(nèi)獲得倍福（Beckhoff）正式授權(quán)的EtherCAT從站控制器高性能MCU支持目前國內(nèi)外廣泛采用的EtherCAT高實時性工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議費振東和余國民還同時特別談到了下一代實時網(wǎng)絡(luò)，這些實時網(wǎng)絡(luò)能夠滿足像是視頻這類數(shù)據(jù)的大吞吐量要求，也能滿足關(guān)節(jié)控制信號的實時性要求。先楫已經(jīng)在產(chǎn)品中對下一代實時網(wǎng)絡(luò)做出了率先的支持，并且和合作伙伴一起為客戶的研發(fā)提供更多的方案支持。

而在高集成度/小型化的問題上，實際上前文例舉的關(guān)高算力、高性能運動控制等命題往往與高級程度相互關(guān)聯(lián)。即高集成度在一定程度上是實現(xiàn)高算力、高性能運動控制的基礎(chǔ)；比如將ESC集成在芯片內(nèi)，就有利于高實時性的達(dá)成。

不過還有個更為具體的例子。先楫在今年CES展會上展示的HPM6E8Y就在原來HPM6E00系列基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了集成度。下面這張圖展示了這款產(chǎn)品集成的各種資源，費振東特別強調(diào)了“HPM6E8Y集成兩個百兆以太網(wǎng)PHY在業(yè)界引起了熱烈反響，不少客戶已著手相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)”。這“為關(guān)節(jié)伺服設(shè)計進(jìn)一步減少板級尺寸、BOM數(shù)量，提高系統(tǒng)級集成度打下了堅實基礎(chǔ)”。

最后是高安全與高可靠性需求。費振東說信息安全系統(tǒng)也是先楫MCU產(chǎn)品的優(yōu)勢之一。他舉例HPM6E00系列產(chǎn)品的信息安全考量：包括硬件加解密引擎、完整信任鏈、密鑰管理、基于生命周期的安全管理，以及一定程度的攻擊檢測和防護?！霸谖磥硐喈?dāng)長的時間里，能夠滿足各類信息安全規(guī)范和要求?！?/p>

03

是整個產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)步

基于以上布局，下面這張圖給出了在一個人形機器人之上，先楫可提供對于其不同位置的產(chǎn)品支持。雖然這只是一類應(yīng)用的示例，但我們認(rèn)為在總結(jié)機器人運動控制能力的問題上是頗具代表性的。

如文首提到的，先楫目前在機器人領(lǐng)域已經(jīng)積累了超過百家客戶，涵蓋了各種不同類型的機器人——甚至包括一些特殊用途的機器人，比如進(jìn)行海底泥土采集的、在太空中做物體抓取的，稱得上是上天下海了。余國民形容先楫涉足“機器人全產(chǎn)業(yè)鏈布局”，“微型伺服、絕對值編碼器、電動夾爪、ARM移動機器人、AGV小車、各類機械臂、人形機器人等等?！薄皺C器人還沒像現(xiàn)在這么火的時候，先楫其實就已經(jīng)開始做機器人芯片了。”

現(xiàn)如今的機器人技術(shù)發(fā)展“不是以月為單位了，每天都能看到新東西”，從當(dāng)年“大家看到波士頓動力的機器狗為之震撼”，到現(xiàn)在“會扭秧歌的宇樹機器人”。

“以前的機器狗和機器人需要人去編程，軸向也少，很容易出問題?！倍F(xiàn)在能站在舞臺上跳舞的機器人，“大腦用上了AI大模型、VLM，外加高算力GPU；一個人形機器人幾十上百個關(guān)節(jié)；關(guān)節(jié)點驅(qū)動取代傳統(tǒng)液壓驅(qū)動，關(guān)節(jié)功率密度也更大，通訊標(biāo)準(zhǔn)和方式變得更優(yōu)秀，響應(yīng)特性更好；機器人身上也集成了很多傳感器...”余國民在談推動機器人發(fā)展的技術(shù)時說。

雖然現(xiàn)階段機器人相關(guān)最熱的話題在于其大腦和AI，但在先楫看來機器人技術(shù)現(xiàn)如今是一天一進(jìn)步，“是整個產(chǎn)業(yè)鏈的共同進(jìn)步”，“進(jìn)步的是我們，也包括做集成解決方案的、做供應(yīng)鏈的合作伙伴，還有我們的客戶”。

“幾年前我們?nèi)グ菰L杭州某家頭部機器人客戶的時候，他們公司門口有片公園。當(dāng)時的機器狗在公園里走，踩到石子就會摔倒。但再看現(xiàn)在他們的新產(chǎn)品，走路絲滑流暢?！边@是包含先楫半導(dǎo)體在內(nèi)，機器人全產(chǎn)業(yè)鏈共同努力的結(jié)果。

本文轉(zhuǎn)自EETC