融合异构计算、AI和可重构AFE等多种能力，构建智慧工厂的平台级解决方案

随着全球人口的不断攀升，人们的需求也在上升；而另一方面，全球气候变化也在逐步恶化；这也就意味着，我们面临着两难的境地，既要在满足不断攀升的新需求的同时，还要提高生产效率，实现可持续发展。

而看制造业，虽然贡献了全球GDP的18%（2021年），但是却消耗了总能源的38%。因此对于制造业的智能化升级迫在眉睫。

所幸的是，除了传统的硬科技的一步步升级外，我们还将迎来AI带来的生产力飞跃。AI正在各种边缘端侧进行落地，其中也包括智能工厂。如何在保证信息安全的前提下，将AI能力融入智能工厂中，并与传感、计算、连接和驱动等能力一起构成一个智慧工业解决平台，是NXP近年来重点布局的方向。

在近日，智浦安全连接边缘事业部副总裁、工业边缘处理总经理Jeff Steinheider先生，就“智慧工业”主题进行了分享。

智能工厂挑战重重，AI如何赋能？

智能工厂的真正推动力来自工业4.0/工业物联网，其核心是将真实物理的工厂数据连接到云端，并在云上构建数字孪生模型，实现真实的工厂的生产效率提升。而在近年来，为了实现整个处理的高效性实时性，越来越多的原本需要在云端处理的任务，在端侧就可以直接进行处理，实现更低的延迟、并保护数据安全。

提高工厂的灵活性，能够针对客户要求的确切数量进行更低的延迟和更及时的响应，是减少工厂能源浪费的有效途径。而要构建这种灵活自动化的智慧工厂，需要多种芯片产品的能力支持。例如在感知层面，模拟前端（AFE）可以捕获真实物理模拟数据；在计算层面，需要更高算力的MCU/MPU进行算法运算；在连接层面，TSN（时间敏感网络）能够提高工业设备之间的实时性；在驱动层面，一切工业设备的动作都离不开电机的参与；而这一切，都要支持更高的功能安全等级，在信息安全的范围内进行。

此外，对于AI能力在端侧的运用，还将进一步提升智能工厂的生产效率。据Jeff介绍，AI在智慧工厂中有多个应用场景。一是主要在机器视觉层面，可以通过机器视觉去观察不同的产品，是否被正确放置在精准的位置上；晶圆生产线上都进行了很好的包装、封装和归类。二是对于模拟信号的检测上，通过对于温度、电压、电流、震动等模拟信号的收集，捕获和分析其数据中的微小异常通过机器学习来预测是否要进行维护或停机风险。三是在生产线的工人安全性保护方面，通过机器学习和机器视觉的能力提前检测出会对工人产生伤害的不正当操作，来保护工人的人身安全。

智慧工厂的平台级解决方案

为了推动智能工厂应用发展，构建灵活自动化生产，NXP将众多技术能力引入到了智能工厂中。包括异构计算的能力，将实时网络与异构计算集成，神经网络集成，可重配置的模拟前端，安全芯片能力等。

i.MX RT 1180：跨界MCU新秀

首先值得关注的产品是i.MX RT 1180，这是NXP的跨界MCU产品线的新秀，也是其今年在工业领域主推的产品型号。

i.MX RT 1180在硬件方面有两大特色，一是采用了异构双核的设计，Arm Cortex-M7内核可以用于实时控制，Arm Cortex-M33的内核可以用于网络配置和管理。二是支持每秒千兆以太网交换机功能，能够支持包括TSN在内的多种工业网络协议，例如EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP和CC-Link，因此该产品可以作为工厂网络的一部分进行互连。另外，该产品内部还集成了EdgeLock安全岛区域，可用于验证通过工业协议传输的所有数据包。

据Jeff介绍，i.MX RT 1180支持多种工业应用场景，其中典型应用包含五大类。一是工业网关中，RT1180可以收集数据并作为网关把数据传输到云端去做处理。第二个应用是远程I/O，基于恩智浦AFE的系统解决方案，到模拟前端进行数据的统一汇总和处理。第三个应用是交流（AC）/伺服驱动，广泛地应用在工业自动化里面的典型场景。第四个应用是IO-LINK输入输出链路，支持四通道IO-Link 主站的应用场景。最后的应用是可以通过RT1180跨界处理器和应用的处理器去做连接，变成网络伴生。

MCX：将NPU集成进MCU

另一个值得关注的产品是MCX，其中MCX N系列是NXP首个集成了NPU的MCU系列。该NPU被命名为eIQ Neutron 神经处理单元，可为机器学习提供极其高效的处理，并可提供加速功能，使其在执行机器学习工作负载时比通用处理器的效率高出5到30倍。例如基于视觉、语音或异常检测的场景都可以通过NPU来处理。

而对于MCU应用者而言，并不擅长于AI算法的知识，因此只是集成一个NPU进去是不够的，更重要的是打通整个从算法到硬件开发的链条，将AI能力真正部署到端侧。据Jeff介绍，NXP提供了与硬件配合紧密的eIQ工具。eIQ工具从数据标记与管理的阶段开始，涵盖客户整个工作流程中。一旦数据库被建立并被标注之后，所有的机器学习开发者就可以在他们想要达到的特定目标中应用模型。eIQ工具套件使开发人员能够围绕恩智浦处理器产品组合中的任何设备，针对其目标平台优化这些模型。当模型最终在目标平台运行时，eIQ同样能帮助做更好的调试和优化的工作，以使模型获得最佳表现。

N-AFE：软件可重构带来更高灵活性

在感知层面，AFE是智慧工厂中必不可少的器件。而NXP带来的N-AFE，是具备软件可重配置功能，支持电流、电压的不同范围的调整，在同一芯片中支持多种不同的输入。同时，该产品还能够提供非常高的精度和快速采样能力，任何细小的变化，都可以捕捉到，进行工厂吞吐量的异常检测。此外，该产品还具备自校准的功能，无需进行现场校准，方便了客户的现场部署。

据Jeff分享，智能工厂的整体策略首先考虑的是可扩展性，不是提供单一的或部分的器件，而是针对某一些应用和场景提供一个整体的解决方案。通过N-AFE的模拟前端收集到来自于模拟的各个数据，把这个数据统一纳入到MCU进行处理和传输，从而给客户端到端的解决方案。

安全：软硬件结合

在安全层面，NXP提供了EdgeLock分立器件，还有MCU这种集成的EdgeLock安全区域。再到上层，提供了EdgeLock 2GO的服务，为客户提供软硬件结合的安全服务，帮助客户在每个边缘设备中构建可信的通信。

智慧工厂的工业平台

将上述的所有特色产品，以及NXP的电源、驱动等产品结合在一起，就构成了为客户打造优化的针对智慧工厂的工业平台。

据Jeff举例分享，在一个典型的工业自动化平台的方案中，使用模拟前端从工厂提取模拟输入，由于软件具有可编程性，因此可以灵活地接受多种不同的输入，并且可以用于各种不同的应用程序。i.MX RT1180能读取模拟前端的数据，利用EdgeLock安全岛区域对通过工业网络发送到工厂中其他设备的数据包进行快速身份验证和签名。借助i.MX RT1180的工业网络功能，为工厂中使用数据运行操作的其他实体提供确定性的实时通信。恩智浦电源管理IC与处理器和外设紧密耦合，客户能够快速轻松地为其供电并缩短上市时间。

构建边缘解决方案的所有基础能力

“通过模拟产品组合来实现感知；用嵌入式处理器来实现更高程度的智能；将连接与对工业以太网的支持以及无线连接产品组合相结合；在协同工作中，通过电机控制和机器人控制应用程序来驱动和移动智能工厂内的设备。”Jeff分享到，“这一切都需要保证功能安全和信息安全，此外，所有的产品线都是可扩展的，让客户能够在他们的特定应用中添加功能或降低功耗，并保证软件解决方案可以在跨产品系列中运行。”

这就是NXP拥有的边缘解决方案的所有技术能力，也是构建边缘解决方案所必备的所有基础能力。