摘要：本文介紹了新時(shí)代工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的歷史沿革，分析了目前國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀，預(yù)測(cè)了工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)自動(dòng)化技術(shù)的未來(lái)主要發(fā)展趨勢(shì)，供國(guó)內(nèi)從事工業(yè)計(jì)算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)方面工作的設(shè)計(jì)工程師和設(shè)備制造商參考。

關(guān)鍵詞：模塊化計(jì)算機(jī)；工業(yè)平板電腦；邊緣計(jì)算設(shè)備；個(gè)性化定制；移動(dòng)HMI；分布式智能控制系統(tǒng) Abstract: This paper mainly analyses the present status of industrial computers worldwide in the new era, and predicts the future development trends of the industrial computer technologies.

Key words: Computer on modules; Panel computers; Edge computing devices; Customization; Mobile HMI; Distributed intelligent control systems

1　工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)要回顧

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（Industrial Control Computers）的概念是20世紀(jì)80年代由“中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)”的專(zhuān)家們提出來(lái)的。當(dāng)時(shí)Intel公司的8086/8088、Zilog公司的Z8000以及Motorola的68000等16位微處理器相繼問(wèn)世，并開(kāi)始流行。也就是在這個(gè)時(shí)候，IBM公司將8088應(yīng)用到PC機(jī)上，從此微型計(jì)算機(jī)開(kāi)始走入人們的工作和生活，開(kāi)啟了一個(gè)微機(jī)新時(shí)代。同期，Intel推出了以8051為核心的MCS-51系列單片微型計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)），并在工業(yè)自動(dòng)化及相關(guān)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為了提高微型計(jì)算機(jī)的可靠性和惡劣環(huán)境適應(yīng)性，將微型計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量和控制領(lǐng)域，為非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)和研發(fā)人員提供一套可靠、簡(jiǎn)單、易用的解決方案，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，業(yè)界也稱(chēng)其為工業(yè)計(jì)算機(jī)（Industrial Computers）或嵌入式計(jì)算機(jī)（Embedded Computers）。根據(jù)《計(jì)算機(jī)科學(xué)百科全書(shū)》（第二版）的描述，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是具有“高可靠性、惡劣環(huán)境適應(yīng)性、易維護(hù)性、強(qiáng)實(shí)時(shí)性、易擴(kuò)展性”特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)，其范疇主要包括工業(yè)計(jì)算機(jī)（Industrial Computers）、工業(yè)/嵌入式平板電腦（Industrial/Embedded Panel PCs）、工業(yè)平板電腦（Industrial Panel Computers）、加固工業(yè)計(jì)算機(jī)（Rugged Industrial Computers）、工業(yè)PC（Industrial PCs）、單板機(jī)（Single Board Computers）、模塊化計(jì)算機(jī)（Computer on Modules）、加固計(jì)算機(jī)（Rugged Computers）、加固便攜電腦（Rugged Laptops）、嵌入式計(jì)算機(jī)（Embedded Computers）、嵌入式PC（Embedded PCs）、嵌入式系統(tǒng)（Embedded Systems）。其外延可以擴(kuò)展到PLC（Programmable Logic Controller）、PAC（Programmable Automation Controller）、DCS（Distributed Control Systems）等計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)（Computer Control Platforms）。

主要特點(diǎn)：模塊化結(jié)構(gòu)、總線(xiàn)型以及惡劣環(huán)境適應(yīng)性和商業(yè)軟件兼容性。

發(fā)展脈絡(luò)：主要是基于并行總線(xiàn)技術(shù)，伴隨著并行總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，并逐漸向串行總線(xiàn)過(guò)度。

模板之間主要互聯(lián)總線(xiàn)：STD總線(xiàn)、VME總線(xiàn)、ISA總線(xiàn)（XT/AT總線(xiàn)）、AT96總線(xiàn)、PCI總線(xiàn)、CompactPCI總線(xiàn)、PXI總線(xiàn)、AdvancedTCA總線(xiàn)、mTCA總線(xiàn)、PC/104總線(xiàn)、PC104-plus總線(xiàn)、PCI/104總線(xiàn)、PCI/104-Express、PCIe/104總線(xiàn)以及VPX總線(xiàn)。

2　工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

伴隨著中國(guó)改革開(kāi)放40年的發(fā)展，工業(yè)計(jì)算機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在工業(yè)自動(dòng)化和控制（Industrial automation & control）、測(cè)試與測(cè)量（Test & Measurement）、儀器儀表（Instrumentation）、航空電子設(shè)備（Avionics）、航天設(shè)備（Aerospace）、國(guó)防裝備（Defense）、能源（Energy）、汽車(chē)（Automotive）、信息娛樂(lè)設(shè)備（Infotainment）、通信（Communications）、醫(yī)療器械（Medical）、交通運(yùn)輸（Transportation）、物流（Logistics）、信息安全（Security）、智能建筑（IntelligentBuilding）、環(huán)境保護(hù)（Environment protection）、數(shù)字標(biāo)簽（Digital signature）以及智能零售（iRetail）等。

雖然隨著技術(shù)的進(jìn)步，總線(xiàn)和接口標(biāo)準(zhǔn)不斷在變化，但有些事情是不變的。

2.1　模塊化結(jié)構(gòu)依然是工業(yè)計(jì)算機(jī)不變的主流架構(gòu)，新一代模塊化計(jì)算機(jī)興起

不同于所熟知的符合各種工業(yè)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)模板，如CPU板、I/O模板、功能模板等，模塊化計(jì)算機(jī)是需要插在另一塊功能載板（Carrier Board）上工作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模塊，安裝結(jié)構(gòu)是層疊式而不是導(dǎo)軌式。傳統(tǒng)的模塊化計(jì)算機(jī)主要有1992年正式發(fā)布的PC/104標(biāo)準(zhǔn)模塊，及其升級(jí)型號(hào)PC/104-plus、PCI/104、PCIe/104等；以及1998年推出的ETX（Embedded Technology eXtended）模塊及其升級(jí)型號(hào)XTX（eXpress Technology for ETX）模塊。目前，采用超低功耗、低時(shí)延、基于ARM或x86 processor的片上系統(tǒng)（SoC: System on Chip）技術(shù)的、微型化的新一代模塊化計(jì)算機(jī)模塊（COM: Computer on Modules）開(kāi)始興起。在市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位的是COMe，Qseven，SMARC模塊^[1]，新興的模塊化計(jì)算機(jī)模塊主要應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)（IoT: Internet of Things）、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT: Industrial Internet of Things）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、Industry 4.0、邊緣計(jì)算（Edge computing）以及工業(yè)自動(dòng)化和控制等嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。

COM模塊全系列產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)主要是Kontron、Congatec、MSC Technologies和凌華科技。Versalogic、RTD Embedded Technologies和深圳盛博主要生產(chǎn)PC/104系列產(chǎn)品和COMe模塊；研華科技的主要產(chǎn)品是COMe和Qseven模塊。

2.2　高可靠、快修復(fù)、惡劣環(huán)境適應(yīng)性依舊是其代表特征，免維護(hù)設(shè)計(jì)開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位有別于商用計(jì)算機(jī)，工業(yè)計(jì)算機(jī)是在室外等最苛刻的環(huán)境中（the Most Demanding Applications）工作的，其重要特征是長(zhǎng)期可用性（Long-term Availability）、高可靠性（High Reliability）和良好的可維護(hù)性（FriendlyServiceability）^[2]。目前國(guó)際流行的免維護(hù)（Maintenancefree）設(shè)計(jì)已經(jīng)在工業(yè)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)中占主導(dǎo)地位，由此將極大降低制造商和用戶(hù)的運(yùn)行成本和維護(hù)費(fèi)用，也減少了由于系統(tǒng)故障而造成的利潤(rùn)損失。免維護(hù)設(shè)計(jì)要采取一些嚴(yán)苛的措施來(lái)保證，如去掉運(yùn)動(dòng)部件、選用低功耗元器件、不采用電池供電、使用保持時(shí)間長(zhǎng)（holdup times）的電源供電以及采用長(zhǎng)壽命（long-life）元器件等^[3]。

工業(yè)計(jì)算機(jī)的可靠性用MTBF（Mean Time Between Failures）來(lái)描述。一般商用計(jì)算機(jī)的MTBF大約是20000小時(shí)，也就是2年。但工業(yè)計(jì)算機(jī)的MTBF要求至少是50000小時(shí)以上，甚至達(dá)到100000小時(shí)，相當(dāng)于連續(xù)運(yùn)行5年以上而無(wú)故障。現(xiàn)在主流設(shè)計(jì)是采用低功耗CPU或SoC，取消風(fēng)扇和硬盤(pán)等運(yùn)動(dòng)部件來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠工作[3]。可維護(hù)性是用MTTR（Mean Time To Repair）來(lái)度量的，表示計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障后恢復(fù)正常工作的速度。商用計(jì)算機(jī)對(duì)MTTR無(wú)要求；工業(yè)計(jì)算機(jī)在出現(xiàn)故障情況下需要快速修復(fù)，其要求MTTR小于30分鐘，甚至可以達(dá)到5分鐘^[4]。工業(yè)計(jì)算機(jī)的可用性是可靠性和可維護(hù)性的函數(shù)，即Availability=MTBF/(MTBF+MTTR)。工業(yè)計(jì)算機(jī)的可用性一般設(shè)計(jì)為5個(gè)9，即99.999%，連續(xù)工作一年的宕機(jī)時(shí)間（downtime）不超過(guò)5分鐘。為了保證已經(jīng)定型的工業(yè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品具有較長(zhǎng)的生命周期，如5~7年或者更長(zhǎng)時(shí)間，需要選用長(zhǎng)壽命（long-lifecycle）元器件，不僅可靠工作時(shí)間長(zhǎng)，還要具有長(zhǎng)期持續(xù)供貨能力。而商用計(jì)算機(jī)的淘汰速度比較快，一般為9~12個(gè)月^[4]。除此之外，工業(yè)計(jì)算機(jī)對(duì)抗震動(dòng)（Vibration）、沖擊（Shock）能力、極限溫度條件（Extreme temperature）以及入口保護(hù)（Ingress protection）都有嚴(yán)格要求。這些指標(biāo)保證了工業(yè)計(jì)算機(jī)能在室外等嚴(yán)苛的環(huán)境條件中長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠工作。

2.3　串行總線(xiàn)已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，并行總線(xiàn)還會(huì)存續(xù)一定時(shí)間

雖然支持并行總線(xiàn)的計(jì)算機(jī)模板或模塊還在一定范圍內(nèi)使用，可能還需要持續(xù)存在一定時(shí)間，如ISA總線(xiàn)、PC/104總線(xiàn)、PCI總線(xiàn)、PCI/104總線(xiàn)等，但采用串行互聯(lián)總線(xiàn)的模板或模塊已經(jīng)牢牢地占據(jù)了市場(chǎng)主導(dǎo)地位，如PCI Express、PCIe/104總線(xiàn)、VPX總線(xiàn)以及Industrial Ethernet等。同樣，串行接口總線(xiàn)，如SATA，USB等，也已經(jīng)逐漸取代了并行接口總線(xiàn)，如IDE、LPT等，業(yè)已成為主流接口總線(xiàn)。

2.4　顯示和控制一體化趨于流行，工業(yè)平板電腦被廣泛采用
長(zhǎng)期以來(lái)，工業(yè)計(jì)算機(jī)的主機(jī)和顯示屏（器）是分離的。隨著多點(diǎn)觸控技術(shù)（Multi-touch technology）的成熟，工業(yè)多點(diǎn)觸控顯示面板（Industrial multi-touch Panels）市場(chǎng)占有率不斷提高，市場(chǎng)需求旺盛，推動(dòng)了工業(yè)計(jì)算機(jī)逐漸發(fā)展為主機(jī)和顯示一體化，即工業(yè)平板電腦，使顯示和控制一體化、個(gè)性化。工業(yè)平板電腦符合人機(jī)界面軟件和監(jiān)控操作走向網(wǎng)絡(luò)邊緣、走進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)前端的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。為了適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境，工業(yè)平板電腦一般都符合IP65標(biāo)準(zhǔn)。

目前市場(chǎng)上流行的工業(yè)平板電腦類(lèi)型有Industrial Panel PCs、Panel Computers、Fanless Embedded Panel PCs以及All-in-One Panel PCs等。國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)企業(yè)有富士康工控（FOXKPC）、深圳英德斯、研祥智能、集智達(dá)智能、深圳昆侖通態(tài)、深圳科拉德計(jì)算機(jī)、北京啟陽(yáng)科技、南京研維、東方松柏、北京宇田信達(dá)、臺(tái)灣凌華科技、臺(tái)灣新漢、臺(tái)灣融程電訊以及臺(tái)灣研揚(yáng)等。國(guó)外企業(yè)主要有BCM Advanced Research、Industrial Computers Limited、Caltron Technology、Impulse Embedded Limited、Beckhoff Automation以及Contec等。

2.5　低功耗、無(wú)風(fēng)扇、微小型化、個(gè)性化成為主要指標(biāo)特征

市場(chǎng)上的大多數(shù)工業(yè)計(jì)算機(jī)是滿(mǎn)足嵌入式應(yīng)用需求的計(jì)算機(jī)，即嵌入式計(jì)算機(jī)。絕大多數(shù)工業(yè)計(jì)算機(jī)并不是放在辦公桌上工作，能看得見(jiàn)、摸得著，而是嵌入到控制室里或者安裝在現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備當(dāng)中，以隱蔽的形式存在和運(yùn)行。為了適應(yīng)這種嵌入式應(yīng)用需求，工業(yè)計(jì)算機(jī)大多是低功耗、無(wú)風(fēng)扇工作的，以提高可靠性，減少故障率。體積微型化或小型化，以應(yīng)用在對(duì)空間限制比較嚴(yán)格的場(chǎng)合。功能和外形可以客戶(hù)定制，形態(tài)多樣，滿(mǎn)足個(gè)性化要求。

3　國(guó)內(nèi)外工業(yè)計(jì)算機(jī)主要研究和制造企業(yè)

3.1　國(guó)內(nèi)主要企業(yè)

北京控制工程研究所、北京軒宇智能、北京軒宇空間、深圳研祥智能、北京集智達(dá)智能、北京康拓科技、深圳英德斯電子有限公司、北京力控元通科技有限公司、陜西威藍(lán)工業(yè)自動(dòng)化有限公司、上海瑞強(qiáng)信息科技有限公司、北京立華萊康平臺(tái)科技有限公司、深圳昆侖通態(tài)、深圳德航智能技術(shù)有限公司、北京宇田科技有限公司、東方松柏科技（北京）有限公司、北京啟陽(yáng)科技有限公司、富士康科技集團(tuán)工控部（FOXKPC）、臺(tái)灣研華（Advantech）、臺(tái)灣凌華（ADLINK）、臺(tái)灣新漢（NEXCOM）、臺(tái)灣融程電訊、臺(tái)灣磐儀科技（Arbor）、研揚(yáng)科技（蘇州）有限公司、艾訊科技、廣積科技、研強(qiáng)科技、北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司、研為科技、摩莎（Moxa）科技（上海）有限公司、臺(tái)灣昭營(yíng)科技（ICOP）、臺(tái)灣威盛科技（VIA Technologies）、臺(tái)灣瀚達(dá)電子、深圳市佳維視（Jawest）電子科技有限公司、天津市英貝特航天科技有限公司、北京方天長(zhǎng)久科技股份有限公司、上海鼎鈦克電子有限公司、北京新松佳和電子系統(tǒng)股份有限公司、北京凌天科技有限公司、北京研泓興業(yè)科技有限責(zé)任公司、深圳華北工控、廣州市拓盈科技有限公司、上海諾達(dá)佳自動(dòng)化技術(shù)有限公司、以及深圳邦彥技術(shù)股份有限公司等。

3.2 國(guó)外主要企業(yè)

Versalogic、Kontron Compact Computers AG（德國(guó)控創(chuàng)）、National Instruments、Caltron Technology, Congatec AG（德國(guó)康佳特）、Industrial Computers（Kontron UKLimited）、Artesyn Embedded Technologies、Janam TechnologiesLLC.、EG Electronics、Impulse Embedded Limited、Beckhoff Automation、BCM Advanced Research、Trenton Systems、Dataforth Corp.、Arcobel Embedded Solutions (Netherlands)、Contec Co.、RTD Embedded Technologies Inc.、MSC Technologies、以及JTL mobile computers等。

3.3　國(guó)內(nèi)外工業(yè)控制系統(tǒng)（DCS、 PLC、PAC）主要制造商

和利時(shí)集團(tuán)、中控科技集團(tuán)、中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所、國(guó)電智深、ABB、Siemens（西門(mén)子）、Rockwell Automation（羅克韋爾自動(dòng)化）、AllenBradley、Honeywell（霍尼韋爾）、Schneider Electric（施耐德電氣）、OPTO22，以及Yokogawa Electric Corp.（橫河電機(jī)）等。

4　工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)未來(lái)主要發(fā)展趨勢(shì)

據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，未來(lái)六種新技術(shù)將驅(qū)動(dòng)新一波創(chuàng)新浪潮，即人工智能（Artificial Intelligence）、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things ）、高級(jí)機(jī)器人技術(shù)（Advanced Robotics）、區(qū)塊鏈（blockchain）、新材料（New Materials）以及自主設(shè)備（Autonomous Devices) [5]。隨著新一波創(chuàng)新浪潮涌來(lái)，新科技成果逐漸轉(zhuǎn)化、應(yīng)用，必將極大驅(qū)動(dòng)工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新步伐。

4.1　模塊化計(jì)算機(jī)將成為工業(yè)和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)普遍采用的系統(tǒng)模塊

未來(lái)，越來(lái)越多的工業(yè)和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師將采用模塊化設(shè)計(jì)方案，像搭積木一樣，用標(biāo)準(zhǔn)的、成熟的、開(kāi)箱即用的計(jì)算機(jī)模塊，來(lái)組裝滿(mǎn)足客戶(hù)特定應(yīng)用需要的工業(yè)和嵌入式產(chǎn)品。這種設(shè)計(jì)方式可以使設(shè)備制造商或客戶(hù)對(duì)市場(chǎng)需求做出快速響應(yīng)，顯著降低研制難度和研制費(fèi)用，降低研制風(fēng)險(xiǎn)，減少研制時(shí)間、提高工作效率，縮短產(chǎn)品投放市場(chǎng)時(shí)間，有利于在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)。

模塊化設(shè)計(jì)當(dāng)中一個(gè)最重要的模塊無(wú)疑是模塊化計(jì)算機(jī)模塊。從本質(zhì)上來(lái)講，模塊化計(jì)算機(jī)也是一種特殊的單板機(jī)（Single Board Computer）。制造商在提供模塊化計(jì)算機(jī)時(shí)會(huì)附帶一套免費(fèi)的底層支持軟件包BSP（Board Support Package）和嵌入式操作系統(tǒng)等軟件 ^[6]。有了模塊化計(jì)算機(jī)模塊，專(zhuān)用設(shè)備制造商就可以避免從事計(jì)算機(jī)主板設(shè)計(jì)中技術(shù)難度大、復(fù)雜程度高、風(fēng)險(xiǎn)也大的處理器、存儲(chǔ)器和高速接口部分設(shè)計(jì)，以及相應(yīng)底層支持軟件（如驅(qū)動(dòng)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件和API）的編制 ^[6]，而專(zhuān)心做面向特定應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)性、知識(shí)性比較強(qiáng)的外部接口和功能設(shè)計(jì)，即載板（Carrier）設(shè)計(jì)。更重要的是，一旦應(yīng)用對(duì)象的技術(shù)要求變更或需要升級(jí)成性能更高、功能更強(qiáng)大的新型處理器，也無(wú)需從頭再來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)，只需簡(jiǎn)單地更換一塊模塊化計(jì)算機(jī)或基礎(chǔ)載板即可，省時(shí)、省事、省心、省費(fèi)用。因此，模塊化計(jì)算機(jī)將發(fā)展成為全球范圍工業(yè)和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)普遍采用的、技術(shù)領(lǐng)先的系統(tǒng)模塊。

在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，模塊化計(jì)算機(jī)市場(chǎng)將主要由三種標(biāo)準(zhǔn)模塊主導(dǎo)，即COM express, Qseven和SMARC模塊。COM express模塊主要支持x86架構(gòu)SoC，采用可靠堅(jiān)固的連接器（Reliable

and Rugged Connector）與載板連接，抗震動(dòng)和沖擊能力強(qiáng)，適合應(yīng)用在嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境。Qseven和SMARC模塊主要支持non-X86架構(gòu)的SoC，如ARM系列，同時(shí)也支持低功耗的x86架構(gòu)SoC。SMARC有豐富的視聽(tīng)接口信號(hào)，適合多媒體設(shè)備采用。Qseven具有豐富的I/O接口，更適合工業(yè)和嵌入式應(yīng)用。但Qseven和SMARC模塊與載板是通過(guò)金手指連接器（Flat Edge Connector）連接，可靠性比COMe要低^[6]。模塊化計(jì)算機(jī)模塊主要供應(yīng)商是德國(guó)控創(chuàng)和德國(guó)康佳特。國(guó)內(nèi)工控廠(chǎng)家主要生產(chǎn)PC/104系列和COM express模塊，如盛博科技、研祥智能、深圳英德斯等。

COM express規(guī)范由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織PICMG制定，Qseven和SMARC規(guī)范由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織SGET（StandardizationGroup for Embedded Technologies）制定。

當(dāng)然，隨著AI和5G的快速發(fā)展，要求有性能更高的CPU、更高的帶寬以及大容量的存儲(chǔ)器，因此需要一個(gè)全新的Computer on Modules標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)世與之相對(duì)應(yīng)。從2018年開(kāi)始，PICMG就已經(jīng)著手組織制定兩款與之相關(guān)的規(guī)范，一是Server Type，另一個(gè)是Embedded Type ^[7]。Server Type支持性能達(dá)到125W TDP的CPU、更高帶寬的PCI Express Gen5、最大達(dá)100GB的LAN、USB3.2以及最多8個(gè)存儲(chǔ)器條。Embedded Type可以支持性能達(dá)到65W TD、PCI Express Gen5、USB 3.2、高分辨率圖像通道、支持TSN的Ethernet以及最多4個(gè)存儲(chǔ)器條。

4.2　隨著5G、AI、大數(shù)據(jù)和IIoT的深度融合，工業(yè)計(jì)算機(jī)將進(jìn)入5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代

隨著5G移動(dòng)通信開(kāi)始試驗(yàn)部署并逐漸推廣，5G將對(duì)世界范圍內(nèi)的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式和消費(fèi)者的生活帶來(lái)深刻影響。預(yù)計(jì)到2020年，5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)將拓展到迅速增長(zhǎng)的新興領(lǐng)域，如物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛汽車(chē)、智能家居等行業(yè)，也必將改變工業(yè)計(jì)算機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)連接方式。通過(guò)推動(dòng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的急劇擴(kuò)張，以及為機(jī)器學(xué)習(xí)（machine learning）和深度學(xué)習(xí)（deep learning）獲取海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，5G將為未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)和人類(lèi)生活提供所必需的智能連接（Intelligent Connectivity）能力。5G、AI、大數(shù)據(jù)、智能平臺(tái)（Smart Platform）和IIoT的深度融合將改變世界，開(kāi)創(chuàng)一個(gè)智能連接時(shí)代^[8]。

在邊緣計(jì)算（Edge Computing）和網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slicing）技術(shù)的支撐下，5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在授權(quán)許可的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)高速（10 gigabit-per-second download speeds）、高帶寬、超可靠和低延時(shí)（1ms）聯(lián)通性 ^[8]，減少對(duì)安裝和維護(hù)成本都昂貴的電纜線(xiàn)的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)按單元分組和空中（by the air）自由組網(wǎng)，使工廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程具有更高的靈活性。

5G網(wǎng)絡(luò)的1ms低延時(shí)，使基于工業(yè)計(jì)算機(jī)的工業(yè)智能設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、實(shí)時(shí)傳輸以及事件的快速響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間具有可預(yù)測(cè)性和確定性，滿(mǎn)足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性要求，將驅(qū)動(dòng)眾多工廠(chǎng)、醫(yī)院、交通運(yùn)輸工具等進(jìn)行智能化改造。借助5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，工廠(chǎng)操作員可以方便地對(duì)智能設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)遙測(cè)和遙控，工業(yè)智能設(shè)備互聯(lián)將進(jìn)入5G時(shí)代。

目前，工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)正在聯(lián)合起來(lái)行動(dòng)，尋找一種專(zhuān)為工廠(chǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的基于Ethernet的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，以解決在工廠(chǎng)里同時(shí)存在多個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)碎片化的現(xiàn)狀^[9]。IEC、IEEE、Industry4.0以及Industrial Internet Consortium正在為此工作，而5G就是其中一種可行的選擇方案。

4.3　小型化、微型化是未來(lái)工業(yè)計(jì)算機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)

作為一種滿(mǎn)足嵌入式應(yīng)用要求的嵌入式計(jì)算機(jī)，工業(yè)計(jì)算機(jī)的外形尺寸會(huì)變得越來(lái)越小，但功能卻越來(lái)越強(qiáng)大。小型化甚至微型化是工業(yè)計(jì)算機(jī)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著邊緣計(jì)算和人工智能的發(fā)展，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣或者靠近數(shù)據(jù)源端，就地存儲(chǔ)和處理，實(shí)現(xiàn)事件的快速響應(yīng)。這必然帶來(lái)對(duì)滿(mǎn)足邊緣計(jì)算和智能信息采集、存儲(chǔ)、處理的嵌入式計(jì)算設(shè)備的需求劇增。據(jù)RTCMagazine預(yù)測(cè)，小型化系統(tǒng)在萬(wàn)物互聯(lián)的世界里將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用^[10]。在IoT或IIoT的驅(qū)動(dòng)下，尺寸小、功能強(qiáng)的微小系統(tǒng)的市場(chǎng)將發(fā)生爆炸性的增長(zhǎng)，并得到廣泛的應(yīng)用和部署。

4.4　面向嵌入式應(yīng)用的客戶(hù)個(gè)性化定制（Customization）產(chǎn)品未來(lái)將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)

21世紀(jì)工廠(chǎng)自動(dòng)化的未來(lái)不再是大規(guī)模生產(chǎn)（MassProduction），而是大規(guī)模客戶(hù)定制（Mass customization）。個(gè)性化需求、小批量定制生產(chǎn)將成為潮流，一款產(chǎn)品包打天下（One-size-fits-all Products）將讓位于客戶(hù)定制化，以滿(mǎn)足不同客戶(hù)的特定要求和欲望^[11]。因此，近年來(lái)工業(yè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品特性已經(jīng)趨向于專(zhuān)業(yè)化及多樣化，以滿(mǎn)足不同的客戶(hù)需求。同時(shí)市場(chǎng)需要穩(wěn)定和可靠的產(chǎn)品質(zhì)量，因此工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商需要不斷提高快速反應(yīng)客戶(hù)定制化需求的能力，及時(shí)提供面向特定應(yīng)用的高質(zhì)量產(chǎn)品。

相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化通用產(chǎn)品，面向嵌入式應(yīng)用的定制化工業(yè)計(jì)算機(jī)，要具有更低的成本、更小的尺寸、更低的功耗以及更高的性能，因此也更有吸引力和競(jìng)爭(zhēng)力。客戶(hù)定制的產(chǎn)品多以單板計(jì)算機(jī)為主，即一塊計(jì)算機(jī)模板上集成了客戶(hù)特定應(yīng)用所必需的核心處理器單元和接口功能，刪除了通用產(chǎn)品中多余的功能和相應(yīng)電子元件，既降低了成本，也消除了無(wú)用功能或電子元件可能引起的故障隱患。這種定制單板機(jī)的設(shè)計(jì)可以從零開(kāi)始，也可以采用開(kāi)箱即用的模塊化計(jì)算機(jī)與I/O功能載板設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，這樣可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)復(fù)雜性，降低設(shè)計(jì)難度，節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用，縮短交付客戶(hù)時(shí)間，加快市場(chǎng)反應(yīng)能力。

近來(lái)風(fēng)起云涌的邊緣計(jì)算是5G網(wǎng)絡(luò)的核心特征，也是結(jié)合5G的智能物聯(lián)應(yīng)用的核心特征。針對(duì)智能物聯(lián)應(yīng)用場(chǎng)景的特異性，邊緣計(jì)算對(duì)計(jì)算能力需求將呈現(xiàn)定制化、個(gè)性化的特征，將驅(qū)動(dòng)計(jì)算能力領(lǐng)域FPGA產(chǎn)業(yè)迎來(lái)歷史性的機(jī)會(huì)，同時(shí)也將給具有強(qiáng)大計(jì)算能力的高性能工業(yè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)歷史性機(jī)遇。