工控自動化技術文摘：數字能源革命將改變我們處理、移動和儲存能源的方式

強大的設計工具、一yi流liu的de嵌qian入ru式shi處chu理li性xing能neng以yi及ji高gao效xiao率lv的de電dian力li電dian子zi晶jing體ti管guan推tui動dong了le數shu字zi能neng源yuan革ge命ming的de發fa展zhan。這zhe些xie功gong率lv晶jing體ti管guan將jiang能neng量liang轉zhuan換huan成cheng數shu據ju包bao，然ran後hou在zai高gao速su嵌qian入ru式shi控kong製zhi係xi統tong的de控kong製zhi下xia精jing確que地di對dui數shu據ju包bao進jin行xing轉zhuan換huan和he處chu理li。目mu前qian，最zui常chang使shi用yong的de設she備bei類lei型xing之zhi一yi是shi絕jue緣yuan柵zha雙shuang極ji型xing晶jing體ti管guan或huoIGBT。20世紀80年代以來，IGBT技術已經經過了六次發展，平均每11年，其能源效率提高了一倍。預計到2020年，用於風能和太陽能農場的5兆瓦逆變器在體積上將比2000年的相同設備小27倍。能源與信息一樣，也是所有其他現代技術的基礎，能源的數字化將對商業和經濟的發展起到重大的影響。

“zhixuyigexitongshejigongjulian，wojiukeyishixiancongshejidaoshangyongbushudengyixilieguocheng，congerxianzhesuoduanlexuduoxiangmudekaifashijian。xianzai，tongguozaiyijinxingshengchanyuyanzhengqiechengbenxiaoyigaodekebushuyingjianshangjinxingyuanxingyanzheng，womenkeyijiangshangyongyingjianchanpindaidaoshiwaijinxing3個月的實地測試。而其他具有競爭力的Real-Time平台則需要更大規模的電路設計人員、DSP程序員、工程師和技術人員團隊，而且仍然無法部署這些平台。”

20世紀80年代以來，嵌入式處理器和FPGA的PPD (performance-per-dollar) 以驚人的速度增長 ―― 超過500萬倍。即使到了20世紀90年代末，模擬控製係統的 PPD 仍reng比bi數shu字zi控kong製zhi係xi統tong高gao，但dan近jin幾ji年nian摩mo爾er定ding律lv的de發fa展zhan卻que使shi數shu字zi控kong製zhi係xi統tong將jiang模mo擬ni控kong製zhi係xi統tong遠yuan遠yuan地di甩shuai在zai身shen後hou。最zui近jin，嵌qian入ru式shi計ji算suan芯xin片pian的de性xing能neng又you發fa生sheng了le一yi次ci變bian革ge。微wei處chu理li器qi、DSP和FPGA這三種最常用的嵌入式處理技術已經集成到單個異構集成電路。幾年前，FPGA和DSP合並到單個芯片組大大降低了集成成本，使數字控製係統的PPD增長了40倍。對於數字能源係統來說，其重要意義在於將DSP的高效計算能力與可重配置FPGA芯片的並行機製和硬件加速特性相結合。

嵌入式計算芯片組的PPD每14個月增加一倍，且在未來幾年內，這個周期將比嵌入式係統13個月的更短。這會使許多產品開發團隊陷入不斷需要重新設計的高成本高風險 “沙鼠輪”陷阱中。等到產品發布時，他們（和他們的競爭對手）已經可以購買到具有兩倍PPD的芯片組。以當前的發展速度，嵌入式計算芯片的性能從2010年到2020年將提升2 ^ 8倍，所以2020年購買的處理芯片的PPD很可能比2010年的芯片高至少256(2 ^ 8)倍。

需xu要yao不bu斷duan重zhong新xin設she計ji產chan品pin線xian才cai能neng跟gen上shang摩mo爾er定ding律lv指zhi數shu增zeng長chang的de步bu伐fa，這zhe一yi現xian實shi使shi大da小xiao型xing公gong司si麵mian臨lin著zhe日ri益yi嚴yan峻jun的de挑tiao戰zhan。許xu多duo高gao管guan和he董dong事shi會hui成cheng員yuan都dou在zai思si考kao是shi否fou有you替ti代dai產chan品pin。

幸(xing)運(yun)的(de)是(shi)，現(xian)在(zai)有(you)一(yi)種(zhong)嵌(qian)入(ru)式(shi)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)可(ke)以(yi)使(shi)企(qi)業(ye)不(bu)斷(duan)跑(pao)在(zai)摩(mo)爾(er)定(ding)律(lv)曲(qu)線(xian)的(de)前(qian)麵(mian)，而(er)且(qie)還(hai)可(ke)以(yi)控(kong)製(zhi)成(cheng)本(ben)和(he)風(feng)險(xian)。該(gai)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)一(yi)種(zhong)混(hun)合(he)方(fang)法(fa)，其(qi)中(zhong)處(chu)理(li)器(qi)/ DSP / FPGA板卡的開發外包。NI等供應商不僅提供具有已預驗證的I/O接口塊和係統級設計工具的可重配置商業現成(COTS)嵌入式係統，而且需要負責將設計不斷更新到最新最高性能的PPD芯片組，以確保軟件的連續性和長期的支持和服務。這樣工程師團隊隻需專注於設計COTS嵌入式係統的自定義電路、機械性能和電力電子器件。其商業影響是使企業通過指數增長的PPD不斷開發新特性和功能，從而更好地利用工程資源、降低風險、保持創新的能力和領先的競爭優勢。

讓我們比較一下這兩種方法的工程費用分配。在傳統的FPGA板卡自定義設計中，70％至80％的FPGA軟件開發成本用於開發輸入/輸出 (I/O)接口，而僅20-30％的費用用於算法開發。因此，大部分非經常性工程(NRE)費用被分配到從產品差異化的角度來看價值相對較低的任務。與此相反，采用具有內置I/O接口模塊和係統級設計工具的COTS可重配置係統的團隊通常將90％以上的FPGA軟件開發費用分配到高價值任務上，比如算法設計、係統仿真和軟件質量驗證。

在下圖中，設計V流程解釋了使用NI圖形化係統設計設計數字能源係統的過程。它描述了一個可實現高質量產品設計、開發、驗證和認證的可重複方法。設計V流程已經變成汽車和航空航天等行業的標準。

設計V流程代表著嵌入式係統設計中可重複方法的標準。其所采用的係統級設計和驗證工具以及可重配置COTS嵌入式係統不僅可以降低成本和風險，還可以幫助團隊借助指數增長的PPD專注於新功能開發和創新。