數(shù)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(shè)計工具、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)的控制下精確地對數(shù)據(jù)包進行轉(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80年代以來，IGBT技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了六次發(fā)展，平均每11年，其能源效率提高了一倍。預(yù)計到2020年，用于風(fēng)能和太陽能農(nóng)場的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)字化將對商業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展起到重大的影響。

　　“只需一個系統(tǒng)設(shè)計工具鏈，我就可以實現(xiàn)從設(shè)計到商用部署等一系列過程，從而顯著縮短了許多項目的開發(fā)時間?，F(xiàn)在，通過在已進行生產(chǎn)預(yù)驗證且成本效益高的可部署硬件上進行原型驗證，我們可以將商用硬件產(chǎn)品帶到室外進行3個月的實地測試。而其他具有競爭力的Real-Time平臺則需要更大規(guī)模的電路設(shè)計人員、DSP程序員、工程師和技術(shù)人員團隊，而且仍然無法部署這些平臺。”- Yakov Familiant, Eaton Corporation電力系統(tǒng)和架構(gòu)首席工程師

　　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)遠遠地甩在身后。最近，嵌入式計算芯片的性能又發(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)集成到單個異構(gòu)集成電路。幾年前，F(xiàn)PGA和DSP合并到單個芯片組大大降低了集成成本，使數(shù)字控制系統(tǒng)的PPD增長了40倍。對于數(shù)字能源系統(tǒng)來說，其重要意義在于將DSP的高效計算能力與可重配置FPGA芯片的并行機制和硬件加速特性相結(jié)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(nèi)，這個周期將比嵌入式系統(tǒng)13個月的更短。這會使許多產(chǎn)品開發(fā)團隊陷入不斷需要重新設(shè)計的高成本高風(fēng)險 “沙鼠輪”陷阱中。等到產(chǎn)品發(fā)布時，他們和他們的競爭對手已經(jīng)可以購買到具有兩倍PPD的芯片組。以當前的發(fā)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2562 ^ 8倍。

　　需要不斷重新設(shè)計產(chǎn)品線才能跟上摩爾定律指數(shù)增長的步伐，這一現(xiàn)實使大小型公司面臨著日益嚴峻的挑戰(zhàn)。許多高管和董事會成員都在思考是否有替代產(chǎn)品。

　　幸運的是，現(xiàn)在有一種嵌入式設(shè)計方法可以使企業(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。該解決方案是一種混合方法，其中處理器/ DSP / FPGA板卡的開發(fā)外包。NI等供應(yīng)商不僅提供具有已預(yù)驗證的I/O接口塊和系統(tǒng)級設(shè)計工具的可重配置商業(yè)現(xiàn)成COTS嵌入式系統(tǒng)，而且需要負責(zé)將設(shè)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(xù)性和長期的支持和服務(wù)。這樣工程師團隊只需專注于設(shè)計COTS嵌入式系統(tǒng)的自定義電路、機械性能和電力電子器件。其商業(yè)影響是使企業(yè)通過指數(shù)增長的PPD不斷開發(fā)新特性和功能，從而更好地利用工程資源、降低風(fēng)險、保持創(chuàng)新的能力和領(lǐng)先的競爭優(yōu)勢。

　　讓我們比較一下這兩種方法的工程費用分配。在傳統(tǒng)的FPGA板卡自定義設(shè)計中，70%至80%的FPGA軟件開發(fā)成本用于開發(fā)輸入/輸出 I/O接口，而僅20-30%的費用用于算法開發(fā)。因此，大部分非經(jīng)常性工程NRE費用被分配到從產(chǎn)品差異化的角度來看價值相對較低的任務(wù)。與此相反，采用具有內(nèi)置I/O接口模塊和系統(tǒng)級設(shè)計工具的COTS可重配置系統(tǒng)的團隊通常將90%以上的FPGA軟件開發(fā)費用分配到高價值任務(wù)上，比如算法設(shè)計、系統(tǒng)仿真和軟件質(zhì)量驗證。

　　在下圖中，設(shè)計V流程解釋了使用NI圖形化系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計數(shù)字能源系統(tǒng)的過程。它描述了一個可實現(xiàn)高質(zhì)量產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)、驗證和認證的可重復(fù)方法。設(shè)計V流程已經(jīng)變成汽車和航空航天等行業(yè)的標準。

　　如果嵌入式設(shè)計不是您的首要核心競爭力，那么請考慮一下采用可重配置COTS嵌入式系統(tǒng)進行嵌入式設(shè)計可以幫助您將工程費用更有效地用在核心差異化矢量上。

　　設(shè)計V流程代表著嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中可重復(fù)方法的標準。其所采用的系統(tǒng)級設(shè)計和驗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，還可以幫助團隊借助指數(shù)增長的PPD專注于新功能開發(fā)和創(chuàng)新。

來源：北極星電力網(wǎng)新聞中心

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