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。預計到2020年，用于風能和太陽能農(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，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)設計工具鏈，我就可以實現(xiàn)從設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。現(xiàn)在，通過在已進行生產(chǎn)預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計的高成本高風險 “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等供應商不僅提供具有已預驗證的I/O接口塊和系統(tǒng)級設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(xù)性和長期的支持和服務。這樣工程師團隊只需專注于設計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、降低風險、保持創(chuàng)新的能力和領先的競爭優(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。與此相反，采用具有內(nèi)置I/O接口模塊和系統(tǒng)級設計工具的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上，比如算法設計、系統(tǒng)仿真和軟件質(zhì)量驗證。

　　在下圖中，設計V流程解釋了使用NI圖形化系統(tǒng)設計設計數(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)品設計、開發(fā)、驗證和認證的可重復方法。設計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。

　　設計V流程代表著嵌入式系統(tǒng)設計中可重復方法的標準。其所采用的系統(tǒng)級設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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