工業(yè)4.0 和半導(dǎo)體制造業(yè)的發(fā)展

　　為滿足消費(fèi)者對(duì)功能更豐富和性能更高的設(shè)備需求，半導(dǎo)體制造業(yè)需在資本設(shè)備方面進(jìn)行大量投資，因而也導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)變得日趨激烈。為提高競(jìng)爭(zhēng)力，芯片制造商正在采用工業(yè) 4.0 制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高水平的卓越運(yùn)營(yíng)。在本文中，我會(huì)闡述工業(yè) 4.0 的含義，提供工業(yè) 4.0 在半導(dǎo)體晶圓廠環(huán)境下的應(yīng)用示例，并說(shuō)明應(yīng)用材料公司如何驅(qū)動(dòng)這一發(fā)展。

　　在深入細(xì)節(jié)之前，讓我們先了解一下什么是工業(yè) 4.0。工業(yè) 4.0 的概念由德國(guó)政府首次提出，用以描述人工智能 (AI) 、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 等新技術(shù)所帶來(lái)的第四次工業(yè)革命。、第一、第二、第三次工業(yè)革命的驅(qū)動(dòng)因素分別是蒸汽和水力發(fā)電，電力使用，計(jì)算機(jī)技術(shù)(圖1)。

　　圖 1.(來(lái)源：由 Christoph Roser 在 AllAboutLean.com 上提供)

　　工業(yè) 4.0 概念的實(shí)現(xiàn)通常稱為“智能制造”，我們經(jīng)常稱之為“智能工廠”。工業(yè) 4.0 的主要特點(diǎn)包括：

　　· 制造系統(tǒng)的垂直整合

　　o 在工廠中，具有網(wǎng)絡(luò)連接的生產(chǎn)系統(tǒng)稱為信息物理生產(chǎn)系統(tǒng) (CPPS)。在工業(yè) 4.0 中，CPPS將被垂直整合和連接，以便使環(huán)境和價(jià)值鏈中的任何變化都能反映到制造過(guò)程中。

　　· 跨企業(yè)和價(jià)值鏈實(shí)現(xiàn)水平整合

　　o 將制造設(shè)備與合作伙伴、供應(yīng)商、分包商等一起水平整合到價(jià)值鏈中

　　通過(guò)云、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)和 AI/分析等新一代技術(shù)實(shí)現(xiàn)并加速整合

　　首先，讓我們看一下半導(dǎo)體晶圓廠的垂直整合。如下面的圖 2 所示，這涉及整合所有 ISA-95 層級(jí)。

　　圖 2.(來(lái)源：應(yīng)用材料公司)

　　ISA-95 層級(jí)包括第 0 級(jí)(適用于包含所有傳感器和執(zhí)行器的物理設(shè)備)到第 4 級(jí)，涵蓋各種企業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。每個(gè)層級(jí)的垂直整合需要對(duì)接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。在半導(dǎo)體行業(yè)中，很久以前設(shè)備整合便在 SECS/GEM 接口上進(jìn)行過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化。高速 SECS 消息服務(wù) (HSMS) 的建立是為了通過(guò)更高速的以太網(wǎng)來(lái)支持 SECS/GEM 通信。隨著傳感器的使用量增多，半導(dǎo)體設(shè)備現(xiàn)在已能夠傳輸大量工程數(shù)據(jù)。

　　為了支持高速診斷數(shù)據(jù)采集，工程數(shù)據(jù)接口(現(xiàn)在稱為接口 A)已經(jīng)與控制接口分開(kāi)，僅用于采集設(shè)備數(shù)據(jù)。這滿足行業(yè)的需求，可將所有數(shù)據(jù)放在一個(gè)通用平臺(tái)上以實(shí)現(xiàn)一致性和便捷整合/分析。其結(jié)果是提高了批次 (R2R) 控制和故障檢測(cè)以及分類 (FDC) 分析等各種分析解決方案的效率，而這些分析可作為應(yīng)用材料公司的 SmartFactory® 制造解決方案的一部分。

　　下一個(gè)整合層級(jí)是生產(chǎn)執(zhí)行/控制、WIP(在制品)管理和物流。根據(jù)工業(yè) 4.0，產(chǎn)品(在晶圓廠中被視為晶圓批次)即為 CPS(信息物理系統(tǒng))，其智能程度足以知道自己是什么、將成為何種產(chǎn)品以及需要去往何處。它們可以直接與同樣智能的 CPPS 通信。不過(guò)，在目前的半導(dǎo)體晶圓廠環(huán)境中，產(chǎn)品和設(shè)備的智能程度還不夠。

　　此外，在制造過(guò)程中，邏輯目前尚處于包含路徑、操作等信息的 MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))中。在特定操作中處理完批次后，下一個(gè)操作的名稱將保留在 MES 中。通過(guò)智能分析解決方案來(lái)優(yōu)化調(diào)度和分派(實(shí)時(shí)分派和調(diào)度解決方案)。當(dāng)產(chǎn)品/批次 (CPS) 和設(shè)備 (CPPS) 通過(guò) AI 實(shí)現(xiàn)智能化時(shí)，MES、分派和調(diào)度解決方案將在邏輯上變得更為分散。MES、調(diào)度和分派解決方案是應(yīng)用材料公司的 SmartFactory® 產(chǎn)品組合的核心部分。

　　現(xiàn)在讓我們來(lái)看一下半導(dǎo)體制造網(wǎng)絡(luò)中的水平整合。

　　目前，半導(dǎo)體價(jià)值鏈在一定程度上遵循某種順序。晶圓廠的批次/晶圓進(jìn)入晶圓庫(kù)進(jìn)行組裝、測(cè)試和包裝，隨后在運(yùn)送至原始設(shè)備制造商之前進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)。這種情況正在改變：制造業(yè)越來(lái)越像網(wǎng)絡(luò)，晶圓廠和封裝設(shè)備成為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)(如圖 3 所示)。

　　圖 3.(來(lái)源：應(yīng)用材料公司)

　　根據(jù)工業(yè) 4.0 的原則，我們需要有一個(gè)可協(xié)作化和智能化的網(wǎng)絡(luò)。以消費(fèi)者為中心、以需求為導(dǎo)向的制造業(yè)正在推動(dòng)制造網(wǎng)絡(luò)向分布式和協(xié)作化方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是建立一個(gè)稱之為“虛擬工廠”的制造企業(yè)平臺(tái)，我們可以在這里將不同的工廠、合作伙伴和供應(yīng)商整合到同一平臺(tái)上。而這個(gè)可以通過(guò)云計(jì)算、IIoT 和大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和推進(jìn)。

　　應(yīng)用材料公司已取得諸多進(jìn)展助力半導(dǎo)體晶圓廠邁向工業(yè) 4.0，特別是從垂直整合的角度來(lái)說(shuō)。憑借我們多樣化的制造解決方案，諸如智能 MES 和規(guī)劃/調(diào)度/分派解決方案等，晶圓廠的敏捷性和靈活性正在不斷提高。

　　未來(lái)，晶圓廠的工藝操作可通過(guò)AI得到進(jìn)一步轉(zhuǎn)變。通過(guò)直接的智能通信，晶圓廠將變成更加適合 CPPS 設(shè)備滿足 CPS 批次需求的環(huán)境。MES 等制造軟件將在邏輯上變得分散，以確保操作符合規(guī)則/規(guī)定。在以后的博客文章里，我將繼續(xù)分享和探討工業(yè) 4.0 在半導(dǎo)體行業(yè)中的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)以及適用于工業(yè) 4.0 的 MES (MES 4.0)。

　　要了解用于支持新一代制造的 Applied SmartFactory® 制造產(chǎn)品和解決方案套件，請(qǐng)查看應(yīng)用材料公司的網(wǎng)站、博客和視頻。

　　作者：Ganesh Hegde

　　Ganesh Hegde 是應(yīng)用材料公司的高級(jí)產(chǎn)品和營(yíng)銷經(jīng)理，在北美和亞洲高科技/半導(dǎo)體行業(yè)制造領(lǐng)域擁有超過(guò) 20 年的豐富經(jīng)驗(yàn)。他擁有亞利桑那州立大學(xué)計(jì)算機(jī)工程碩士學(xué)位。