人形 机器人 已经进入大型物流仓库中执行货物的搬运任务，在汽车装配线上进行零部件的排列与组装作业，并在全球一些规模最大的订单履行中心正进行着试点运营项目。可以说，人形机器人的第一波浪潮已经到来，其应用场景已不再局限于实验室环境或演示场合，而是在真实的生产环境中承担着实质性的生产作业。根据高盛的预测，到2035年，人形机器人市场规模将达到380亿美元。而目前正在设计的人形机器人平台，将构成支撑其未来随此增长而实现规模化扩张的核心基础。

然而，人形机器人的制造与传统机器的生产存在着根本性的区别。人形机器人本质上是一个高度集成的分布式计算平台，它不仅需要在物理世界中自主行走与感知环境，还要在现场执行自我更新与维护，同时必须满足严格的行业监管标准，而所有这些复杂的功能都必须在一个极为有限的电池功耗预算之内得以实现。这就要求其内部的芯片架构必须协同具备实时控制、超低功耗运行、异构通信协议桥接以及硬件级安全保障等多重能力。事实上，没有任何一款现成的微控制器（MCU）、分立式安全芯片或应用级系统级芯片（SoC）能够独立地满足所有这些相互交织的苛刻需求。

莱迪思低功耗FPGA正是为了满足这些需求而专门设计的。仅仅凭借单个莱迪思FPGA，就能够作为人形机器人平台中那个始终在线的神经系统来运作——它会从电源接通的那一刻便开始运行，在任何应用处理器尚未启动之前，就已经着手对电源时序进行管理、在传感器与执行器之间搭建起通信桥梁、对物理安全加以保障，并对网络安全实施加固措施。

人形机器人之所以会将芯片的性能推向其物理极限，是因为它作为一个高度集成的分布式计算平台，其运行环境与功能要求带来了独特的挑战。在硬件层面，它需要对多个关节的协同运动进行精确控制，这要求极高的实时性与确定性。在功耗方面，所有计算都必须在一个极其有限的电池预算内完成，这对芯片能效比构成了严苛的约束。与此同时，系统还需要在内部搭建起连接传感器、执行器与控制器的桥梁，以处理多种异构通信协议之间的数据交互与转换。此外，从物理安全到网络安全的全方位硬件级防护也是不可或缺的环节。这些在实时性、功耗、通信复杂性与安全性方面的极端需求，共同构成了对现有芯片架构的全面考验，迫使其必须在性能边界上进行探索与创新。

现代人形机器人并非一个单一的集成系统，而是由多个独立采购的子系统所构成，这些子系统包括AI推理引擎、运动控制器、视觉处理器、力矩传感器以及电池管理系统等。这种复杂的集成局面，会对所有子系统提出实时协同工作的要求，以确保整体功能的实现。

传统芯片方案之所以难以有效应对这一挑战，其根本原因正是在以下四个结构层面存在着固有的限制。

首先是电源供应环节所面临的挑战。对于依赖电池供电的机器人而言，其系统要求安全看门狗与待机管理功能必须维持不间断运行。然而，由于其功耗预算被严格限制在极低的水平，这使得传统处理器可能在关键任务执行期间，因为时钟门控机制而意外进入休眠状态，从而导致系统控制出现短暂失效。

其二，是通信协议泛滥所带来的问题。典型的人形机器人平台需要支持诸如SPI、I2C、I3C、UART、CAN、PWM、USB以及以太网等多种通信协议。如果依赖分立的集成电路（IC）来在这些协议之间进行桥接与转换，那么每次对平台进行迭代时，其物料清单成本与重新设计的风险都会成倍地增加。

三是确定性问题。电机控制与安全看门狗等关键任务对于响应速度的要求，通常需要达到亚微秒级别，而操作系统调度固有的不确定性，使得软件在根本上无法满足这一要求。

此外还存在安全方面的严峻挑战。人形机器人集群持续遭遇来自固件更新、多供应商供应链以及日益严格的合规性审查压力，这些要求涉及IEC 62443、ISO/SAE 21434和《欧盟网络弹性法案》等多个国际标准与法规。在此背景下，硬件可信根已不再是市场竞争中的差异化优势，而是产品进入市场必须满足的先决条件。

莱迪思FPGA在通电的瞬间便会开始执行其核心功能，其中包括对电源轨时序进行控制、对复位过程进行管理以及对安全状态逻辑加以强制执行，且完全不依赖任何操作系统或固件的支持。这一预启动窗口阶段正是平台可靠性得以确立的关键时期，而传统MCU由于架构层面的固有差异，无法以同等的确定性来对这一环节进行有效掌控。

协议桥接与I/O整合这两项功能得以在同一器件内部协同完成。单个莱迪思FPGA可以借助其可编程逻辑架构，对SPI、I2C、I3C、UART、CAN、PWM、USB、以太网以及专有传感器接口进行统一处理，从而取代了以往日益庞杂的分立式桥接IC方案。当平台进行演进时，只需对位流做相应更新，而硬件本身则无需做出任何改动。

实时运动控制在硬件并行的 FPGA 逻辑之中得以运行，它拥有亚微秒级的确定性，因此完全摆脱了来自操作系统调度所带来的时钟抖动干扰。这一架构确保了诸如 PWM 生成、编码器接口处理、传感器融合回路以及紧急停止的强制执行等关键任务，均依据安全关键路径所规定的方式，以高度一致且可预测的节奏稳定运行。

硬件安全功能与平台控制逻辑于同一器件之中共存，而非作为事后的补充组件进行外挂。莱迪思的MachXO3D与MachXO5D-NX器件，将始终在线的平台控制能力与硬件可信根整合到了一起，实现了二者的统一。安全启动、SPDM 1.4认证、具备防回滚能力的OTA更新，以及CNSA 2.0后量子加密标准支持，这些关键的安全特性都可以在同一个掌控控制平面的方案中得以实现，因而无需额外配置独立的安全芯片，也不会因此增加物料清单成本。

借助位流差异化，一个硬件平台便能够服务于整条产品线。不同的传感器配置、负载选项以及连接方式均可在同一设备上得以运行，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并未集中部署于某单一位置，而是形成了贯穿整台机器人的分布式架构。部署在头部的莱迪思型号为Avant的FPGA，负责对多路摄像头的MIPI输入进行聚合处理，运行莱迪思mVision解决方案栈中的ISP管道，并对激光雷达数据进行解析。而位于躯干部分的莱迪思CertusPro-NX型号，则运行着莱迪思sensAI推理引擎，并承担了传感器融合的处理任务。

每只手臂均配备了型号为CertusPro?-NX的器件，其功耗被控制在500毫瓦以下，负责对亚500纳秒级别的PWM信号进行处理，并同时提供触觉反馈功能。双足部分则借助EtherCAT通信协议，实现了实时步态控制与惯性测量单元（IMU）融合算法的运行。此外，莱迪思MachXO5-NX器件被部署在每个功能区域之中，用以提供始终在线的安全监控功能，其设计符合IEC 61508 SIL2/3以及ISO 13849 PLd这两项功能安全认证标准。整个分布式控制架构中，每个节点的功耗均被控制在1瓦以内——对于采用电池供电的机器人平台而言，这一功耗水平确保了控制平面能够在完整的工作周期内始终保持运行状态，而无需为了延长续航时间而对安全性能做出妥协。

专为量产打造的参考设计

EtherCAT实时运动控制：借助莱迪思Golden System参考设计，可将RISC-V处理器与部署在CertusPro-NX上的EtherCAT协议栈进行集成。由此，在关节控制器、电机驱动器与传感器节点所构成的网络中，该方案实现了小于100微秒的确定性循环时间。此项设计由莱迪思与倍福联合开发，为面向人形机器人以及自主移动机器人（简称AMR）的开发者，提供了一个符合IEC 61158标准且可直接投入生产的多轴运动控制起始方案。

莱迪思Holoscan传感器桥解决方案能够在英伟达Holoscan传感器桥之上完成无缝的传感器集成工作，把摄像头、激光雷达、雷达以及深度传感器等各类感知设备连接至Jetson Thor与AGX Orin平台。CertusPro-NX芯片负责对MIPI CSI-2与GMSL数据进行聚合处理，完成ISP功能卸载，并以确定性方式将数据传输至GPU显存当中，从而把英伟达的计算资源完全释放出来以支持推理任务。该设计方案具备10 GbE至100 GbE的数据管道支持能力，能够实现小于10微秒的传感器同步精度，并符合SIL 2标准所规定的安全协议要求，其合作伙伴涵盖研华、德州仪器、D3 Embedded以及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。只有那些在设计初期就将控制逻辑、传感器集成以及安全架构予以正确实现的平台，方能顺利通过相关认证、赢得批量部署的合同，并经受住长达数年部署周期的考验。

莱迪思FPGA借助一个低功耗可编程器件，得以全面满足所有上述需求，其中涵盖了：在任何处理器启动之前便能实现的始终在线平台控制功能、对系统中每个接口所进行的协议桥接处理、以纯硬件形式实现的确定性实时运动控制，以及无需依赖分立式安全芯片即可构建的硬件可信根。

来源：首次启动之前：莱迪思FPGA如何赋能人形机器人平台 | OFweek机器人网