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电子发烧友网报道（文/周凯扬）工业互联网作为新一代信息通信技术与工业经济深度融合的基础设施，是实现人、机、系统以及OT&IT互联互通的关键要素。而当下工业业务中的复杂运动控制、控制器通信、移动机器人、海量传感器连接等，早已对时延、抖动和传输时间提出了极高的要求，工业数字孪生和工业增强现实等新业务更是将这些要求再度翻倍。所以在以太网占据主导工业互联网连接方式的前提下，TSN（时间敏感网络）技术被提出，该技术基于标准的以太网架构，以精准的时钟同步能力、确定性流量调度能力以及智能开放的运维管理架构，成了工业互联网的首选网络技术之一。为此，过去以标准以太网芯片开发为主的厂商们，近年来也纷纷转战TSN技术，推出了相关的TSN工业以太网芯片。瑞萨考虑到传统网络设备并不支持TSN技术，包括终端、网关等都需要更新，对已有系统的迭代来说会造成不小的成本挑战。为了解决向现有系统添加TSN工业以太网，而不对系统进行大幅改动的问题，瑞萨电子推出了适用于工业以太网通信和TSN的RZ/N2L微处理器。
RZ/N2L MPU / 瑞萨
该MPU作为RZ系列的高端产品，基于ArmCortex-R52打造，不仅搭载了支持TSN的三端口千兆以太网交换机，还有EtherCAT从控制器，并支持PROFINET、OPC UA等主要工业以太网协议。这些实时协议均由ArmCortex-R52负责管理，在400MHz主频和超大片上内存的支持下，可以直接独立于应用CPU执行网络处理。再加上直接与主机CPU相连的高速接口，这样也就无需对现有的应用软件进行改动，即可实现对TSN的支持。借助RZ/N2L，客户可以迅速为现有工业设备提供TSN支持。瑞萨也基于RZ/N2L打造了工业市场备受青睐的邮票式MPU模组系统，客户可自行在这一获验证系统周围构建外围设备，从而降低TTM、开发成本与风险。Microchip针对更为复杂的交换需求，Microchip也推出了TSN以太网交换机ICLAN9668，工规版本为LAN9668-I/9MX。该交换机采用集成了两个10/100/1000BASE-T PHY和一个600MHz的ArmCortex-A7 CPU子系统，且拥有8个以太网端口。
LAN9668交换机IC / Microchip
在此之前，Microchip也发布了支持TSN的四端口以太网PHY收发器LAN8814，与LAN9668结合，可以实现定时、流保留、保护和管理等一系列功能。在支持单一、可扩展的TSN芯片组标准的同时，提供最低的延迟和端到端的通信流量传输，减少开发时间与成本。与此同时，Microchip也提供了IStaX VSC6817SDK这一Linux应用软件，开发者可以借助GUI、CLI、SNMP和JSON RPC等手段对以太网交换机进行管理，除了支持QCL和ACL之类的先进L2交换功能外，还有IEEE 1588中的各种TSN特性。虽然目前在TSN相关芯片的供应上，还是以海外厂商主导，其实这并不仅限于TSN网络芯片，整个以太网芯片市场也是如此。但近来国产厂商也已经开始发力。比如为了发展国内的时间敏感网络技术，筛选国内的优质TSN供应商，加速该技术的普及和落地，2020年，中国信息通信研究院牵头国内30多家产学研单位，共同启动了“时间敏感网络（TSN）产业链名录”。该名录中包括芯片模组、交换机、网关、端设备和控制器等多种TSN设备。东土科技去年8月，东土科技的KD6530芯片也通过了“时间敏感网络（TSN）产业链名录计划”中的芯片模组类测试，成了首款进入该名录的TSN芯片，这也是国内首款全流程自主可控的TSN交换芯片。KD6530选择了双核ARC HS48FS的CPU设计，最高主频达到1GHz，且拥有32G的交换容量。
KD6530 TSN通用转发芯片/ 东土科技
KD6530提供1个集成了PHY的100Base-TX接口、12个SGMII/1000Base-X接口、2个10GBase-X接口、6个CAN2.0/FD接口和6个LIN接口，最大支持1.6G的速率。由于支持TSN中的IEEE 802.1AS协议、IEEE 802.1Qbv与Qbu协议，KD6530提供高精度的时间同步，误差范围在±100ns内，关键数据可保证μs级别的延迟和ns级别的抖动。东土科技基于该芯片，打造了TSN交换机、时钟源和控制器等产品。据了解，该芯片已经应用于压铸锌合金智能打磨抛光装备，实现对两台高精度ODG六关节机器人的实时控制。在东土科技提供的KD6530方案下，该应用实现了极低延迟与抖动的确定性服务。昆高新芯国内另外一家专注网络芯片开发的公司昆高新芯，同样投入了TSN网络芯片的开发。从其官网的产品信息来看，在工业TSN网络芯片上，昆高新芯目前有TSN交换芯片KG65XXI系列和KG5XXXI系列。KG65XXI内置4 RISC-V内核的CPU，可以与外置CPU协同使用，支持常规的L2、L3交换功能，以及TSN/AVB功能。不过目前该芯片的具体规格尚未确定，比如1G与10G接口的数量。而KG5XXXI这一TSN网关芯片系列，同样采用了4 RISC-V内核CPU的设计，可接入70个节点。KG5XXXI支持以太网/IP、ETHERCAT、PROFINET这三大主流工业以太网协议栈，也提供对CAN、RS485、FF、HARP-IP与MODBUS的支持。从上一次融资公开的情报来看，昆高新芯已经实现了TSN交换芯片的成功流片和测试，即将进入量产阶段，且已经和车厂、工业互联网厂商等客户建立了合作关系。昆高新芯的网络芯片值得关注的一大特色是，其表示旗下芯片产品都内置了国密安全算法，且核心IP都是有自有知识产权的，所以是彻头彻尾的“中国芯”产品。写在最后对于工业互联网来说，TSN以太网可以说是工业4.0和IIoT的启动器，也为云端到工厂的垂直集成提供了可能。与此同时，随着5G在工业网络的部署加快，5G+TSN的融合也已经提上日程，无论是拼接、分段还是桥接，都将进一步加快TSN在工业互联网上的灵活落地。此外，TSN带来的确定性和鲁棒性优势，也对工厂之外的网络环境提供了足够的吸引力，比如车载网络、铁路网络、电网网络等。这些环境对于通信质量和安全性的要求高，和智慧工厂一样，也是如今TSN技术主要的发力点所在。
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