Ganesh Hegde

摘要：為滿足消費(fèi)者對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)來實(shí)現(xiàn)更高水平的卓越運(yùn)營。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，并說明應(yīng)用材料公司如何驅(qū)動這一發(fā)展。

關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0；半導(dǎo)體制造；晶圓廠；垂直整合；水平整合

1 工業(yè)4.0及智能制造

工業(yè)4.O的概念由德國政府首次提出，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)所帶來的第四次工業(yè)革命。第一、二、三次工業(yè)革命的驅(qū)動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）。

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.O的主要特點(diǎn)包括：

·制造系統(tǒng)的垂直整合。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程中。

·跨企業(yè)和價(jià)值鏈實(shí)現(xiàn)水平整合。特點(diǎn)是特制造設(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。

·通過云、大數(shù)據(jù)、移動和AI/分析等新一代技術(shù)實(shí)現(xiàn)并加速整合。

2 半導(dǎo)體晶圓廠的整合

2.1 半導(dǎo)體品圓廠的垂直整合

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

ISA-95層級包括第0級（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，涵蓋各種企業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。每個(gè)層級的垂直整合需要對接口進(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)行過標(biāo)準(zhǔn)化。高速SECS消息服務(wù)（HSMS）的建立是為了通過更高速的以太網(wǎng)來支持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，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、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(yīng)用材料公司的SmarCFactory?制造解決方案的一部分。

下一個(gè)整合層級是生產(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，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。通過智能分析解決方案來優(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Smar[Factory?產(chǎn)品組合的核心部分。

2.2 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)入晶圓庫進(jìn)行組裝、測試和包裝，隨后在運(yùn)送至原始設(shè)備制造商之前進(jìn)入倉庫。這種情況正在改變：制造業(yè)越來越像網(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）。

根據(jù)工業(yè)4.O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，我們可以在這里將不同的工廠、合作伙伴和供應(yīng)商整合到同一平臺上。而這個(gè)可以通過云計(jì)算、IIoT和大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和推進(jìn)。

3 結(jié)論

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說。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，晶圓廠的工藝操作可通過AI得到進(jìn)一步轉(zhuǎn)變。通過直接的智能通信，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，筆者將繼續(xù)分享和探討工業(yè)4.O在半導(dǎo)體行業(yè)中的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)以及適用于工業(yè)4.O的MES （MES 4.O）。

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