“機器人+”時代開啟，帶動下一輪芯片潮？

作者：六千

近日，工業(yè)和信息化部、教育部、公安部等十七部門聯(lián)合發(fā)布《“機器人﹢”應用行動實施方案》，提出了2025年制造業(yè)機器人發(fā)展目標以及機器人十大應用場景。業(yè)界認為，這一政策的發(fā)布，意味著“機器人﹢”時代的到來，機器人將在更大范圍內得到應用，制造業(yè)機器人更將迎來巨大發(fā)展機遇。

隨著機器人技術的發(fā)展，機器人的應用領域越來越廣，市場也相應的開始發(fā)展。中國電子學會預計2022年，全球機器人市場規(guī)模將達到513億美元，2017至2022年的年均增長率達到14%。波士頓咨詢公司研究報告顯示，全球機器人市場規(guī)模預計將在未來10年內增長近10倍，到2030年全球機器人市場規(guī)模將達1600億至2600億美元。

01、機器人市場的騰飛

《“機器人﹢”應用行動實施方案》中包括十大應用重點領域分別是經(jīng)濟發(fā)展領域的制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、能源、商貿物流，社會民生領域的醫(yī)療健康、養(yǎng)老服務、教育、商業(yè)社區(qū)服務、安全應急和極限環(huán)境應用。

在工業(yè)機械領域，機器人產(chǎn)業(yè)市場增長強勁。制造業(yè)是本次發(fā)布的方案中首個提到的機器人應用領域。由于多國勞動力縮減和人口老齡化造成勞動力供應短缺和成本上升，提高流程效率和自動化程度比以往任何時候都更加迫切。因此，在制造業(yè)和其他工作場所中，能夠執(zhí)行各種操作和運輸任務的多軸機器人的使用范圍正在迅速擴大。通過推進智能制造示范工廠建設，發(fā)展基于工業(yè)機器人的智能制造系統(tǒng)，將加快制造業(yè)數(shù)字化轉型、智能化變革。

除了工業(yè)機器人，三年疫情也讓服務機器人市場初具規(guī)模。抗疫系列機器人成為疫情防控的新生力量，“無接觸”的無人配送已成為新焦點。預計2022年，全球服務機器人市場規(guī)模達到217億美元。2024年，全球服務機器人市場規(guī)模將有望增長到290億美元。

無論工業(yè)機器人還是服務機器人，這些機器人都在結合信息技術提升感知、計算、執(zhí)行能力，在機器人智能化水平提升的同時，對芯片的需求也在增加。那么哪些芯片產(chǎn)品有望受益呢？

02、機器人帶飛哪些芯片？

FPGA芯片

FPGA芯片在機器人領域應用時具有高速、并行、運算及引腳資源極其豐富、功能靈活、硬件直接實現(xiàn)算法、操作數(shù)存取機制簡單高效、開發(fā)調試手段直探硬件底層等優(yōu)點。在伺服驅動器中應用FPGA是業(yè)界的常規(guī)做法，F(xiàn)PGA在執(zhí)行圖像處理算法方面比CPU更強，是最優(yōu)方案；在執(zhí)行人工智能算法時，F(xiàn)PGA是與GPU并列的主流方案，而且在功耗方面具備非常大的優(yōu)勢。與 ASIC 開發(fā)相比，除了縮短開發(fā)和驗證周期之外，使用 FPGA 還意味著在出現(xiàn)問題時可以快速更改邏輯，或者在必要時可以對功能需求進行修改或增強。

FPGA芯片的特性可以提高伺服控制性能、降低功耗；此外，F(xiàn)PGA 芯片可以通過提供包括 PCI Express 在內的多種硬件 IP，從而通過在確保總線連接可靠性的同時實現(xiàn)外圍邏輯集成，促進電路的微型化并降低功耗。功耗的降低意味著可以采用無風扇外殼，從而不再需要容易磨損的機械部件，并避免吸入粉塵。

由于機器人，尤其是工業(yè)領域的機器人產(chǎn)品供應時間長，因此在維護方面的考慮需要延長設備供應期，因為工業(yè)設備的使用壽命通常長達 10 年或更長。FPGA 延長的產(chǎn)品生命周期可滿足工業(yè)領域客戶的需求。

MCU芯片

MCU是在機器人執(zhí)行層里應用較多的選擇，作為工業(yè)機器人核心控制器件，MCU也會受惠于機器人市場的快速增長。工業(yè)機器人單支機器手臂中，內建的控制器平均約有八成為MCU芯片。

對于機器人應用方向的MCU來說，除了提供易開發(fā)的嵌入式平臺、設計工具外，建立MCU周邊完善的通訊環(huán)境處理各種工業(yè)通訊協(xié)議如USB，SPI等也是相當重要的。相較于傳統(tǒng)工業(yè)機器人，人形機器人有更復雜的運動形態(tài)，需要對電機的位置、方向、速度和扭矩進行高精度控制。MCU可以執(zhí)行電機控制所需的復雜、高速運算。目前機器人解決方案中包括單電機平臺（一顆MCU控制一個電機）、雙電機平臺（一顆MCU控制兩個電機）， 其中雙電機平臺的兩個電機功率和小于單電機最大功率。

未來在更先進工藝下設計的MCU，采用更高性能的內核，其性能將得到大幅度提升，市場需求將快速提升。在全球MCU市場蛋糕逐年增長和國產(chǎn)MCU替代的大背景下，國內MCU廠商有望突破國外壟斷。

DSP芯片

DSP（Digital Signal Processing）即數(shù)字信號處理技術，DSP芯片即指能夠實現(xiàn)數(shù)字信號處理技術的芯片。DSP芯片的內部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。

DSP芯片自誕生以來得到了飛速發(fā)展，一方面得益于集成電路的發(fā)展，另一方面也得益于巨大的市場。在短短數(shù)十年時間里，DSP芯片已在通信、雷達、圖像、軍事、儀器、自動化、信號處理等眾多領域得到廣泛的應用。

DSP芯片用在工業(yè)機器人領域，相當于起著關節(jié)的作用，有了DSP的控制，機器人反應更迅速，行動更精準。工業(yè)機器人在工作中需要處理大量的數(shù)據(jù)，隨著工業(yè)機器人的應用日益廣泛和普及，DSP芯片在這方面的應用越來越多，重要性、經(jīng)濟性、實用性都會得到體現(xiàn)。

IGBT芯片

傳統(tǒng)工業(yè)控制及電源行業(yè)是支撐 IGBT 市場穩(wěn)步發(fā)展的基石。工業(yè)控制是 IGBT 第一大應用領域，需求穩(wěn)健增長。隨著工業(yè)自動化的深化，廣泛部署的工業(yè)機器人和智能化機床都依賴于強大而靈活的交流電機、伺服電機以及節(jié)能的變頻器和電源裝置。

IGBT功率半導體器件是電力電子應用領域的核心器件。以電能為處理對象，通過電力電子技術對電能進行整流、穩(wěn)壓、開關和變頻等，實現(xiàn)高效率和高品質轉換。功率半導體器是構成電力電子變換裝置的核心器件，尤其是在大功率、大電流、高頻高速、低噪聲等應用領域起著無法替代的關鍵作用，被廣泛應用于工控領域。

近年來，我國變頻器、電焊機市場穩(wěn)步增長，工業(yè)機器人市場加速發(fā)展，對應的工控 IGBT 市場也將穩(wěn)步增長。根據(jù)集邦咨詢數(shù)據(jù)，2020 年全球工控 IGBT 市場規(guī)模約為 140 億元，其中我國工控 IGBT 市場規(guī)模約為 53 億元，預計到 2025 年全球工控 IGBT 市場規(guī)模將達到 170 億元。

03、機器人芯片領域仍是國外企業(yè)的主場

從2020-2021年，全球FPGA市場增長速度為16%，預計未來5年將持續(xù)保持良好增長勢頭（約 12% ~15%的復合年增長率），F(xiàn)PGA主要供應商有英特爾、賽靈思。英特爾通過提供處理器加FPGA，搭載OpenVINO工具套件和oneAPI，為多種應用場景提供了解決方案；賽靈思也擁有成熟的針對機器人的平臺，兩者在機器人領域較為領先。

傳統(tǒng)的MCU大廠也在機器人領域深有積累，TI提供全套機器人解決方案，瑞薩、恩智浦、Microchip、意法半導體、英飛凌等也提供有多種方案可選，這些企業(yè)可為機器人企業(yè)提供更多的元器件，而不是局限于主控芯片。

全球DSP主要生產(chǎn)商德州儀器、ADI、恩智浦、杰爾系統(tǒng)等，其中德州儀器占比最高。國內來看，歐美廠商產(chǎn)品仍占主要市場，國內有DSP產(chǎn)品的企業(yè)有中電科38所，湖南進芯、江蘇宏運技術、深圳市創(chuàng)成微電子、北京中科昊芯科技等。

除此之外，CPU也是工控領域的主要芯片。隨著機器人的發(fā)展，需要在越來越多的環(huán)境下實現(xiàn)控制、抓取點分析、視覺目標識別等等，而這些都是需要算力的，僅僅一個FPGA是不夠的。在CPU產(chǎn)品領域，英特爾深有積累，近年來也有國產(chǎn)也有品牌已經(jīng)進入，國芯科技的嵌入式CPU產(chǎn)品可廣泛應用于工業(yè)控制領域。

隨著5G、AI等技術在機器人領域越來越多的應用，機器人領域將迎來越來越多的芯片玩家。在主要AI芯片市場上一直穩(wěn)步取得進展的高通也發(fā)布了RB6機器人平臺，展示了在5G和AI的加持下機器人的強大實力。

04、結語

2022年12月，全國規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)的工業(yè)機器人完成產(chǎn)量4萬套。2022年1—12月全國規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)的工業(yè)機器人累計完成產(chǎn)量44.3萬套。2022年12月，全國規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)的服務機器人完成產(chǎn)量49.1萬套。2022年1—12月全國規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)的服務機器人累計完成產(chǎn)量645.8萬套。

機器人行業(yè)沒有彎道超車的機會。要實現(xiàn)硬科技行業(yè)的高質量發(fā)展，只有腳踏實地研發(fā)、持之以恒投入，才能打贏關鍵核心技術攻堅戰(zhàn)。從這一角度來看，機器人行業(yè)和半導體行業(yè)相似，都需要沉下心，穩(wěn)住氣。

在機器人+時代到來之際，我們衷心期待更多國產(chǎn)芯片廠商能把握大勢，立于潮頭。