信頼性が高く安定した通信の相互接続は、産業オートメーションの生命線です。産業機器内の膨大な数のセンサーとアクチュエーター、現実世界の産業シナリオで普及している多数のシステムとプロトコルを考慮すると、プロセス全体を通じてデータの送信と変換に無数の従来のゲートウェイが使用されています。-産業オートメーションでは、オープン データ アクセスとリアルタイム制御に対する IT システムの要件を考慮する必要があります。-
産業用イーサネットはこの点で重要な役割を果たし、フィールドバス システムと比較して大規模なデータ伝送の効率と同期を大幅に強化しました。{0}ハードウェア-的には、イーサネット スイッチング機器はイーサネット スイッチ チップ、CPU、PHY、PCB、インターフェイス/ポート サブシステムで構成されており、イーサネット スイッチ チップは重要なコンポーネントです。これらのチップは、大量のデータとメッセージ転送のスイッチングと処理に特化しており、ネットワーク用のアプリケーションに最適化された集積回路として機能します。{4}}大手スイッチ チップ サプライヤーは通常、包括的なプロトコル サポートと堅牢な機能を備えた商用グレードの製品を提供しています。{6}}
スイッチチップの統合
ネットワーク スイッチング機能は通常、イーサネットのレイヤ 2 MAC で実装されます。初期のイーサネット スイッチ チップには通常、MAC 層のみが含まれており、実際のイーサネット接続を確立するために層 1 の PHY チップに依存していました。技術の進歩と簡素化されたシステム アーキテクチャに対するユーザーの需要の高まりに伴い、物理層 (PHY) とリンク層 (MAC) を統合したネットワーク スイッチ チップが登場し、広く採用されるようになりました。
現在、多くの 10M/100M スイッチ チップがこの統合を実現しています。ただし、10G スイッチ チップと標準スイッチのギガビット ポートには、依然として専用の PHY チップが必要です。イーサネット接続について議論する場合、Broadcom が重要な役割を果たします。 Broadcom は長年にわたりイーサネット スイッチ チップ分野のリーダーであり、業界で最も包括的なイーサネット スイッチング機器およびチップを提供しています。
統合に関しては、Broadcom の Roboswitch アーキテクチャ イーサネット スイッチング ソリューションは、ファスト イーサネットとギガビット イーサネット (GbE) をサポートする 5- 24 ポート構成を備えています。これらの高速ギガビット イーサネット スイッチング ソリューションでは、パケット バッファ、物理層トランシーバー、メディア アクセス コントローラ (MAC)、アドレス管理、ポート{6}}ベースのレート制御、ノンブロッキング スイッチング ファブリックなど、高速-スイッチング システム-のすべての機能が単一の CMOS チップに統合されています。このレベルの統合は、産業用アプリケーションとしては非常に高いものです。
協調動作中に高いデータ処理能力を確保するために、スイッチ チップの内部ロジック経路は非常に複雑です。大手メーカーの業界をリードするアーキテクチャは、100M/1GE/2.5GE や 10GE などの複数の速度をサポートし、2.5GbE/10GbE の速度を利用して高速アップリンク接続を実現します。-また、統合スイッチ チップには CPU が直接組み込まれているため、外部プロセッサを必要とせずにカスケード モードをサポートする単一の -CPU- 管理のスイッチング プラットフォームの設計が可能になります。
データセンターのシナリオや深層学習ネットワーク アプリケーションでは、スイッチ チップはさらに高い統合レベルを実現します。たとえば、市場で最高の-統合、最高の-帯域幅を誇る StrataXGS シリーズは、数ギガビットから数テラビットまで拡張可能な統合シングルチップ ソリューションを備えています。-
マルチプロトコルのサポート-
産業用通信プロトコルの普及は広く知られており、マルチプロトコル スイッチ チップは間違いなく産業用アプリケーションで大きな魅力を持っており、設計の複雑さを大幅に軽減します。{0} ADI の FIDO5100 および FIDO5200 マルチ プロトコル スイッチ チップは、ホスト プロセッサからダウンロードされたファームウェアを利用し、カスタマイズ可能な設定を通じてプロトコル サポートを実現します。{4}このファームウェアはリアルタイム イーサネット マルチプロトコル スイッチ ドライバに統合されており、電源投入時にダウンロードされます。-
(完全なプロトコルのサポート、ADI)
スケーラブルで柔軟な構成により、スイッチ チップはあらゆるホスト プロセッサとシームレスに接続できます。特定のプロトコルのデバイス ドライバを活用することで、柔軟なシステム パーティショニングが容易になると同時に、あらゆるベンダーのプロトコル スタックをより自由に利用できるようになります。-プロトコル スタックをマルチプロトコル スイッチ チップ ドライバと統合するだけです。-スイッチ チップのマルチ プロトコル サポートにより、産業オートメーション シナリオの効率が大幅に向上します。{4}}
効率的なデータ伝送とリアルタイム要求の絶え間ない追求{0}}
技術トレンドに関係なく、スイッチ チップに対する効率的な伝送と低遅延という中心的な要件は変わりません。これは、モーション コントロールで厳しいリアルタイム パフォーマンスが要求される産業用途では特に重要です。-前述の FIDO シリーズは、タイマー コントロール ユニット (TCU) を採用してさまざまな産業用イーサネット プロトコルの同期メカニズムを実装し、12.5μs という短い EtherCAT サイクル タイムと 31.25 μs という短い PROFINET サイクル タイムをサポートします。
Microchip のシングルチップ VSC75XTSN シリーズは、すべての PHY-MAC インターフェースのハードウェア タイムスタンプや高解像度ハードウェア PTP クロックなど、IEEE 1588v2 Precision Time Protocol（PTP）の完全なハードウェア サポートを統合しています。-これにより、さまざまな産業用イーサネット アプリケーションに対して-マイクロ秒未満の同期が実現します。リアルタイム、高効率の接続に対する需要により、スイッチ チップはより効率的な伝送と低レイテンシの同期を目指し続けています。-
まとめ
ネットワークが従来のフィールドバスおよび 4mA ～ 20mA 接続から産業用イーサネットに移行するにつれて、ネットワーク接続の設計および実装段階で多くの課題が発生します。これにより、イーサネット スイッチ チップの進化が促進されました。強力で柔軟なスイッチ チップは、産業用アプリケーションを理想的な産業用イーサネット接続の実現に近づけます。