人形机器人已进入到大型物流仓库中搬运货物、在汽车装配线上排列零部件，并在全球一些最大的订单履行中心开展试点运营。可以说人形机器人的第一波浪潮已经到来，其并非停留在实验室或演示中，而是在真实的生产环境中承担实际工作。高盛预测到2035年，该市场规模将达到380亿美元。而今天正在设计的人形机器人平台，正是未来随这一增长实现规模化扩张的关键。
但制造人形机器人与制造传统机器截然不同。人形机器人是一个分布式计算平台，不仅需要行走、感知环境、在现场进行自我更新，还必须满足监管要求，而这一切都必须在有限的电池功耗预算下完成。这意味着其内部芯片必须同时具备实时控制、超低功耗、异构协议桥接和硬件级安全等能力。没有哪一款MCU、分立式安全芯片或应用级SoC能够独自包揽这一切。
莱迪思低功耗FPGA正是为此而设计。单个莱迪思FPGA即可充当人形机器人平台“始终在线的神经系统”——从电源接通的瞬间起，甚至在任何应用处理器启动之前，便开始管理电源时序、桥接传感器与执行器、保障物理安全和加固网络安全。
为何人形机器人将芯片性能推向极限
现代人形机器人并非一个单一系统，而是由AI推理引擎、运动控制器、视觉处理器、力矩传感器和电池管理系统等多个独立采购的子系统组成。这一复杂的集成局面，要求所有子系统都必须实时协同工作。
传统芯片方案之所以难以应对这一挑战，根源就在于以下四个结构层面的限制。
·首先是供电问题。 电池供电的机器人需要始终在线的安全看门狗和待机管理，而其功耗预算极为紧张，以至于传统处理器会在最不恰当的时刻因时钟门控而将自己关入盲区。
·二是协议泛滥。 典型的人形机器人需要支持 SPI、I2C、I3C、UART、CAN、PWM、USB 、以太网等多种通信协议，而使用分立式 IC 桥接这些协议会导致每次平台迭代时物料（BOM）成本和重新设计风险成倍增长。
·三是确定性问题。电机控制和安全看门狗需要亚微秒级的响应速度，而操作系统调度的不确定性使得软件在结构上无法实现这一点。
·此外还有安全问题。机器人集群面临持续的固件更新、多供应商供应链以及 IEC 62443、ISO/SAE 21434 和《欧盟网络弹性法案》日益严格的合规审查。硬件可信根已不再是差异化优势，而是市场准入的必要条件。
一个器件掌控整个控制平面
莱迪思FPGA通电瞬间便开始发挥实际作用，包括控制电源轨时序、管理复位以及强制执行安全状态逻辑，且完全不依赖任何操作系统或固件。这一预启动窗口正是平台可靠性得以确立的阶段，而MCU无法以同等的确定性掌控这一环节。
·协议桥接与 I/O 整合在同一器件内完成。单个莱迪思 FPGA 即可通过可编程逻辑处理 SPI、I2C、I3C、UART、CAN、PWM、USB、以太网以及专有传感器接口，取代日益庞杂的分立式桥接IC。平台演进时，位流随之改变，而硬件无需更改。
·实时运动控制在硬件并行的 FPGA 逻辑中运行，具备亚微秒级确定性，完全不受操作系统抖动干扰。PWM 生成、编码器接口、传感器融合回路以及紧急停止强制执行，均以安全关键路径所要求的一致性运行。
·硬件安全与控制逻辑共存于同一器件，而非事后外挂。莱迪思 MachXO3D™ 和 MachXO5D™-NX 将始终在线的平台控制与硬件可信根合二为一。安全启动、SPDM 1.4 认证、防回滚 OTA 更新以及 CNSA 2.0 后量子加密均可在掌控控制平面的同一套方案中实现，无需额外的安全芯片，也不会增加物料成本。
通过位流差异化，一个硬件平台即可服务于整条产品线。不同的传感器配置、负载选项和连接方式均可在同一设备上运行，从而降低认证成本并缩短上市时间。
节点到节点的分布式智能
莱迪思FPGA并非集中部署在一处，而是构成覆盖整台机器人的分布式结构。位于头部的莱迪思Avant™ FPGA负责聚合多摄像头MIPI输入、运行莱迪思mVision™解决方案栈的ISP管道及激光雷达的处理。位于躯干的莱迪思CertusPro™-NX则负责运行莱迪思sensAI™推理与传感器融合功能。
每只手臂均配备CertusPro™-NX，以500毫瓦以下的功耗处理亚500纳秒级PWM并提供触觉反馈。双腿通过EtherCAT协议运行实时步态控制与IMU融合。此外，莱迪思MachXO5™-NX在每个区域提供符合IEC 61508 SIL2/3及ISO 13849 PLd认证、始终在线的安全监控。整个分布式结构的每个节点功耗均低于1瓦——对于电池供电的平台而言，这意味着控制平面能在完整周期内始终保持运行，不会牺牲安全性能换取续航能力。
专为量产打造的参考设计
·EtherCAT实时运动控制：莱迪思Golden System 参考设计将 RISC-V 处理器与 CertusPro-NX 上的 EtherCAT 协议栈相结合，在关节控制器、电机驱动器和传感器节点之间提供小于 100 微秒的确定性循环时间。该设计与倍福合作开发，为人形机器人和自主移动机器人（AMR）开发者提供了符合 IEC 61158 标准、可直接投入生产的多轴运动控制起点。
·英伟达Holoscan 传感器桥：莱迪思Holoscan 传感器桥解决方案可在英伟达Holoscan 传感器桥上实现无缝传感器集成，将摄像头、激光雷达、雷达和深度传感器连接至 Jetson Thor 和 AGX Orin 平台。CertusPro-NX 负责处理 MIPI CSI-2 和 GMSL 聚合、ISP 卸载以及将数据确定性地传输至 GPU内存，从而完全释放英伟达计算资源用于推理。该设计支持10 GbE至100 GbE数据管道、小于10微秒的传感器同步以及符合 SIL 2 标准的安全协议，合作伙伴包括研华、德州仪器、D3 Embedded 和 e-con Systems。
平台背后的平台
人形机器人时代已不再遥远，而是近在眼前。只有从设计之初就把控制逻辑、传感器集成和安全架构做对做好的平台，才能获得认证、赢得批量部署合同、并经受住长达数年的部署周期考验。
莱迪思FPGA 通过一个低功耗可编程器件即可满足所有以上需求，包括：在任何处理器启动前实现的始终在线的平台控制、系统中每个接口的协议桥接、纯硬件实现的确定性实时运动控制以及无需分立式安全芯片即可实现的硬件可信根。
如需了解更多关于莱迪思FPGA在人形机器人和更广泛机器人平台中的应用，请联系我们。如要探索参考设计、生态系统合作伙伴及设计支持资源，请访问莱迪思官网中人形机器人解决方案页面。