工業(yè)4.0 和半導體制造業(yè)的發(fā)展

　　為滿(mǎn)足消費者對功能更豐富和性能更高的設備需求，半導體制造業(yè)需在資本設備方面進(jìn)行大量投資，因而也導致競爭變得日趨激烈。為提高競爭力，芯片制造商正在采用工業(yè) 4.0 制造技術(shù)來(lái)實(shí)現更高水平的卓越運營(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 在半導體晶圓廠(chǎng)環(huán)境下的應用示例，并說(shuō)明應用材料公司如何驅動(dòng)這一發(fā)展。

　　在深入細節之前，讓我們先了解一下什么是工業(yè) 4.0。工業(yè) 4.0 的概念由德國政府首次提出，用以描述人工智能 (AI) 、大數據、云計算和工業(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)革命的驅動(dòng)因素分別是蒸汽和水力發(fā)電，電力使用，計算機技術(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)現通常稱(chēng)為“智能制造”，我們經(jīng)常稱(chēng)之為“智能工廠(chǎng)”。工業(yè) 4.0 的主要特點(diǎn)包括：

　　· 制造系統的垂直整合

　　o 在工廠(chǎng)中，具有網(wǎng)絡(luò )連接的生產(chǎn)系統稱(chēng)為信息物理生產(chǎn)系統 (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)現水平整合

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

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

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

　　圖 2.(來(lái)源：應用材料公司)

　　ISA-95 層級包括第 0 級(適用于包含所有傳感器和執行器的物理設備)到第 4 級，涵蓋各種企業(yè)業(yè)務(wù)系統。每個(gè)層級的垂直整合需要對接口進(jìn)行標準化。在半導體行業(yè)中，很久以前設備整合便在 SECS/GEM 接口上進(jìn)行過(guò)標準化。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(zhù)傳感器的使用量增多，半導體設備現在已能夠傳輸大量工程數據。

　　為了支持高速診斷數據采集，工程數據接口(現在稱(chēng)為接口 A)已經(jīng)與控制接口分開(kāi)，僅用于采集設備數據。這滿(mǎn)足行業(yè)的需求，可將所有數據放在一個(gè)通用平臺上以實(shí)現一致性和便捷整合/分析。其結果是提高了批次 (R2R) 控制和故障檢測以及分類(lèi) (FDC) 分析等各種分析解決方案的效率，而這些分析可作為應用材料公司的 SmartFactory® 制造解決方案的一部分。

　　下一個(gè)整合層級是生產(chǎn)執行/控制、WIP(在制品)管理和物流。根據工業(yè) 4.0，產(chǎn)品(在晶圓廠(chǎng)中被視為晶圓批次)即為 CPS(信息物理系統)，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)，在目前的半導體晶圓廠(chǎng)環(huán)境中，產(chǎn)品和設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(制造執行系統)中。在特定操作中處理完批次后，下一個(gè)操作的名稱(chēng)將保留在 MES 中。通過(guò)智能分析解決方案來(lái)優(yōu)化調度和分派(實(shí)時(shí)分派和調度解決方案)。當產(chǎn)品/批次 (CPS) 和設備 (CPPS) 通過(guò) AI 實(shí)現智能化時(shí)，MES、分派和調度解決方案將在邏輯上變得更為分散。MES、調度和分派解決方案是應用材料公司的 SmartFactory® 產(chǎn)品組合的核心部分。

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

　　目前，半導體價(jià)值鏈在一定程度上遵循某種順序。晶圓廠(chǎng)的批次/晶圓進(jìn)入晶圓庫進(jìn)行組裝、測試和包裝，隨后在運送至原始設備制造商之前進(jìn)入倉庫。這種情況正在改變：制造業(yè)越來(lái)越像網(wǎng)絡(luò )，晶圓廠(chǎng)和封裝設備成為網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)(如圖 3 所示)。

　　圖 3.(來(lái)源：應用材料公司)

　　根據工業(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 )。以消費者為中心、以需求為導向的制造業(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)現這一目標的一種方法是建立一個(gè)稱(chēng)之為“虛擬工廠(chǎng)”的制造企業(yè)平臺，我們可以在這里將不同的工廠(chǎng)、合作伙伴和供應商整合到同一平臺上。而這個(gè)可以通過(guò)云計算、IIoT 和大數據等新興技術(shù)來(lái)實(shí)現和推進(jìn)。

　　應用材料公司已取得諸多進(jìn)展助力半導體晶圓廠(chǎng)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 和規劃/調度/分派解決方案等，晶圓廠(chǎng)的敏捷性和靈活性正在不斷提高。

　　未來(lái)，晶圓廠(chǎng)的工藝操作可通過(guò)AI得到進(jìn)一步轉變。通過(guò)直接的智能通信，晶圓廠(chǎng)將變成更加適合 CPPS 設備滿(mǎn)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，以確保操作符合規則/規定。在以后的博客文章里，我將繼續分享和探討工業(yè) 4.0 在半導體行業(yè)中的優(yōu)勢和挑戰以及適用于工業(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，請查看應用材料公司的網(wǎng)站、博客和視頻。

　　作者：Ganesh Hegde

　　Ganesh Hegde 是應用材料公司的高級產(chǎn)品和營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理，在北美和亞洲高科技/半導體行業(yè)制造領(lǐng)域擁有超過(guò) 20 年的豐富經(jīng)驗。他擁有亞利桑那州立大學(xué)計算機工程碩士學(xué)位。