工業4.0 和半導體製造業的發展

為滿足消費者對功能更豐富和性能更高的設備需求，半導體製造業需在資本設備方面進行大量投資，因而也導致競爭變得日趨激烈。為提高競爭力，晶元製造商正在採用工業 4.0 製造技術來實現更高水平的卓越運營。在本文中，我會闡述工業 4.0 的含義，提供工業 4.0 在半導體晶圓廠環境下的應用示例，並說明應用材料公司如何驅動這一發展。

在深入細節之前，讓我們先了解一下什麼是工業 4.0。工業 4.0 的概念由德國政府首次提出，用以描述人工智慧 (AI) 、大數據、雲計算和工業物聯網 (IIoT) 等新技術所帶來的第四次工業革命。、第一、第二、第三次工業革命的驅動因素分別是蒸汽和水力發電，電力使用，計算機技術(圖1)。

圖 1.(來源：由 Christoph Roser 在 AllAboutLean.com 上提供)

工業 4.0 概念的實現通常稱為「智能製造」，我們經常稱之為「智能工廠」。工業 4.0 的主要特點包括：

· 製造系統的垂直整合

o 在工廠中，具有網路連接的生產系統稱為信息物理生產系統 (CPPS)。在工業 4.0 中，CPPS將被垂直整合和連接，以便使環境和價值鏈中的任何變化都能反映到製造過程中。

· 跨企業和價值鏈實現水平整合

o 將製造設備與合作夥伴、供應商、分包商等一起水平整合到價值鏈中

通過雲、大數據、移動和 AI/分析等新一代技術實現並加速整合

首先，讓我們看一下半導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。

圖 2.(來源：應用材料公司)

ISA-95 層級包括第 0 級(適用於包含所有感測器和執行器的物理設備)到第 4 級，涵蓋各種企業業務系統。每個層級的垂直整合需要對介面進行標準化。在半導體行業中，很久以前設備整合便在 SECS/GEM 介面上進行過標準化。高速 SECS 消息服務 (HSMS) 的建立是為了通過更高速的乙太網來支持 SECS/GEM 通信。隨著感測器的使用量增多，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採集，工程數據介面(現在稱為介面 A)已經與控制介面分開，僅用於採集設備數據。這滿足行業的需求，可將所有數據放在一個通用平台上以實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 (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? 製造解決方案的一部分。

下一個整合層級是生產執行/控制、WIP(在制品)管理和物流。根據工業 4.0，產品(在晶圓廠中被視為晶圓批次)即為 CPS(信息物理系統)，其智能程度足以知道自己是什麼、將成為何種產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，在目前的半導體晶圓廠環境中，產品和設備的智能程度還不夠。

此外，在製造過程中，邏輯目前尚處於包含路徑、操作等信息的 MES(製造執行系統)中。在特定操作中處理完批次後，下一個操作的名稱將保留在 MES 中。通過智能分析解決方案來優化調度和分派(實時分派和調度解決方案)。當產品/批次 (CPS) 和設備 (CPPS) 通過 AI 實現智能化時，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? 產品組合的核心部分。

現在讓我們來看一下半導體製造網路中的水平整合。

目前，半導體價值鏈在一定程度上遵循某種順序。晶圓廠的批次/晶圓進入晶圓庫進行組裝、測試和包裝，隨後在運送至原始設備製造商之前進入倉庫。這種情況正在改變：製造業越來越像網路，晶圓廠和封裝設備成為網路中的節點(如圖 3 所示)。

圖 3.(來源：應用材料公司)

根據工業 4.0 的原則，我們需要有一個可協作化和智能化的網路。以消費者為中心、以需求為導向的製造業正在推動製造網路向分散式和協作化方向發展。實現這一目標的一種方法是建立一個稱之為「虛擬工廠」的製造企業平台，我們可以在這裡將不同的工廠、合作夥伴和供應商整合到同一平台上。而這個可以通過雲計算、IIoT 和大數據等新興技術來實現和推進。

應用材料公司已取得諸多進展助力半導體晶圓廠邁向工業 4.0，特別是從垂直整合的角度來說。憑藉我們多樣化的製造解決方案，諸如智能 MES 和規劃/調度/分派解決方案等，晶圓廠的敏捷性和靈活性正在不斷提高。

未來，晶圓廠的工藝操作可通過AI得到進一步轉變。通過直接的智能通信，晶圓廠將變成更加適合 CPPS 設備滿足 CPS 批次需求的環境。MES 等製造軟體將在邏輯上變得分散，以確保操作符合規則/規定。在以後的博客文章里，我將繼續分享和探討工業 4.0 在半導體行業中的優勢和挑戰以及適用於工業 4.0 的 MES (MES 4.0)。

要了解用於支持新一代製造的 Applied SmartFactory? 製造產品和解決方案套件，請查看應用材料公司的網站、博客和視頻。

作者：Ganesh Hegde

Ganesh Hegde 是應用材料公司的高級產品和營銷經理，在北美和亞洲高科技/半導體行業製造領域擁有超過 20 年的豐富經驗。他擁有亞利桑那州立大學計算機工程碩士學位。

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