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強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具、一流的嵌入式處理性能以及高效率的電力電子晶體管推動(dòng)了數(shù)字能源革命的發(fā)展。這些功率晶體管將能量轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)包，然后在高速嵌入式控制系統(tǒng)的控制下精確地對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理。目前，最常使用的設(shè)備類型之一是絕緣柵雙極型晶體管或IGBT。20世紀(jì)80年代以來(lái)，IGBT技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了六次發(fā)展，平均每11年，其能源效率提高了一倍。預(yù)計(jì)到2020年，用于風(fēng)能和太陽(yáng)能農(nóng)場(chǎng)的5兆瓦逆變器在體積上將比2000年的相同設(shè)備小27倍。能源與信息一樣，也是所有其他現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)，能源的數(shù)字化將對(duì)商業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到重大的影響。
“只需一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具鏈，我就可以實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到商用部署等一系列過(guò)程，從而顯著縮短了許多項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)時(shí)間。現(xiàn)在，通過(guò)在已進(jìn)行生產(chǎn)預(yù)驗(yàn)證且成本效益高的可部署硬件上進(jìn)行原型驗(yàn)證，我們可以將商用硬件產(chǎn)品帶到室外進(jìn)行3個(gè)月的實(shí)地測(cè)試。而其他具有競(jìng)爭(zhēng)力的Real-Time平臺(tái)則需要更大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)人員、DSP程序員、工程師和技術(shù)人員團(tuán)隊(duì)，而且仍然無(wú)法部署這些平臺(tái)。”
- Yakov Familiant, Eaton Corporation電力系統(tǒng)和架構(gòu)首席工程師
20世紀(jì)80年代以來(lái)，嵌入式處理器和FPGA的PPD (performance-per-dollar) 以驚人的速度增長(zhǎng) —— 超過(guò)500萬(wàn)倍。即使到了20世紀(jì)90年代末，模擬控制系統(tǒng)的 PPD 仍比數(shù)字控制系統(tǒng)高，但近幾年摩爾定律的發(fā)展卻使數(shù)字控制系統(tǒng)將模擬控制系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地甩在身后。最近，嵌入式計(jì)算芯片的性能又發(fā)生了一次變革。微處理器、DSP和FPGA這三種最常用的嵌入式處理技術(shù)已經(jīng)集成到單個(gè)異構(gòu)集成電路。幾年前，F(xiàn)PGA和DSP合并到單個(gè)芯片組大大降低了集成成本，使數(shù)字控制系統(tǒng)的PPD增長(zhǎng)了40倍。對(duì)于數(shù)字能源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其重要意義在于將DSP的高效計(jì)算能力與可重配置FPGA芯片的并行機(jī)制和硬件加速特性相結(jié)合。
嵌入式計(jì)算芯片組的PPD每14個(gè)月增加一倍，且在未來(lái)幾年內(nèi)，這個(gè)周期將比嵌入式系統(tǒng)13個(gè)月的更短。這會(huì)使許多產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)陷入不斷需要重新設(shè)計(jì)的高成本高風(fēng)險(xiǎn) “沙鼠輪”陷阱中。等到產(chǎn)品發(fā)布時(shí)，他們（和他們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手）已經(jīng)可以購(gòu)買到具有兩倍PPD的芯片組。以當(dāng)前的發(fā)展速度，嵌入式計(jì)算芯片的性能從2010年到2020年將提升2 ^ 8倍，所以2020年購(gòu)買的處理芯片的PPD很可能比2010年的芯片高至少256(2 ^ 8)倍。
需要不斷重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品線才能跟上摩爾定律指數(shù)增長(zhǎng)的步伐，這一現(xiàn)實(shí)使大小型公司面臨著日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。許多高管和董事會(huì)成員都在思考是否有替代產(chǎn)品。
幸運(yùn)的是，現(xiàn)在有一種嵌入式設(shè)計(jì)方法可以使企業(yè)不斷跑在摩爾定律曲線的前面，而且還可以控制成本和風(fēng)險(xiǎn)。該解決方案是一種混合方法，其中處理器/ DSP / FPGA板卡的開(kāi)發(fā)外包。NI等供應(yīng)商不僅提供具有已預(yù)驗(yàn)證的I/O接口塊和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具的可重配置商業(yè)現(xiàn)成(COTS)嵌入式系統(tǒng)，而且需要負(fù)責(zé)將設(shè)計(jì)不斷更新到最新最高性能的PPD芯片組，以確保軟件的連續(xù)性和長(zhǎng)期的支持和服務(wù)。這樣工程師團(tuán)隊(duì)只需專注于設(shè)計(jì)COTS嵌入式系統(tǒng)的自定義電路、機(jī)械性能和電力電子器件。其商業(yè)影響是使企業(yè)通過(guò)指數(shù)增長(zhǎng)的PPD不斷開(kāi)發(fā)新特性和功能，從而更好地利用工程資源、降低風(fēng)險(xiǎn)、保持創(chuàng)新的能力和領(lǐng)先的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
讓我們比較一下這兩種方法的工程費(fèi)用分配。在傳統(tǒng)的FPGA板卡自定義設(shè)計(jì)中，70％至80％的FPGA軟件開(kāi)發(fā)成本用于開(kāi)發(fā)輸入/輸出 (I/O)接口，而僅20-30％的費(fèi)用用于算法開(kāi)發(fā)。因此，大部分非經(jīng)常性工程(NRE)費(fèi)用被分配到從產(chǎn)品差異化的角度來(lái)看價(jià)值相對(duì)較低的任務(wù)。與此相反，采用具有內(nèi)置I/O接口模塊和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具的COTS可重配置系統(tǒng)的團(tuán)隊(duì)通常將90％以上的FPGA軟件開(kāi)發(fā)費(fèi)用分配到高價(jià)值任務(wù)上，比如算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真和軟件質(zhì)量驗(yàn)證。
在下圖中，設(shè)計(jì)V流程解釋了使用NI圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)數(shù)字能源系統(tǒng)的過(guò)程。它描述了一個(gè)可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證和認(rèn)證的可重復(fù)方法。設(shè)計(jì)V流程已經(jīng)變成汽車和航空航天等行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。
如果嵌入式設(shè)計(jì)不是您的首要核心競(jìng)爭(zhēng)力，那么請(qǐng)考慮一下采用可重配置COTS嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)可以幫助您將工程費(fèi)用更有效地用在核心差異化矢量上。
設(shè)計(jì)V流程代表著嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可重復(fù)方法的標(biāo)準(zhǔn)。其所采用的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具以及可重配置COTS嵌入式系統(tǒng)不僅可以降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，還可以幫助團(tuán)隊(duì)借助指數(shù)增長(zhǎng)的PPD專注于新功能開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新。
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