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“智能”制造的管中一窥:3个问题带你了解工业4.0

MarketsandMarkets的报告数据显示,工业4.0市场2016年的规模为666.7亿美元,到2022年预计将达到1523.1亿美元,复合年增长率在14.72%;IoT Analytics的数据则认为,工业4.0市场的复合年增长率可以达到37%,到2023年,市场规模可达到3100亿美元。

在半导体行业谈到工业4.0时,至少应该从两个层面来看工业4.0的发展。其一是半导体行业本身作为推动工业4.0和智能制造发展的底层力量——如传感、AI、通讯技术时,其价值体现;其二是半导体制造工厂,是如何受惠于工业4.0技术来进一步提高生产效率的。

半导体领域更多在谈的是前一个话题,而作为制造业最顶尖的存在,半导体制造对于工业4.0的应用更能表现“智能”在这个时代制造行业中的应用程度。《国际电子商情》记者走访了几家大型企业,结合一些数据,大致可以勾勒出工业4.0在半导体制造行业的推进状况。

半导体制造的工业4.0究竟能干什么?

MarketsandMartkets给出相对工业4.0现阶段的主要价值:在工业设备领域实施工业4.0,技术就能帮助生产者分析设备运行状况,避免计划外停机和浪费。在整个垂直领域,预防性的维护解决方案已经是成为未来3-4年内的主要增长点。这里首先就半导体制造的预防性维护解决方案举个例子:

在发生晶圆生产不良率高的问题时,工程师总是需要花数周时间去做讨论和分析——这对生产效率并不是好事。如果能有这样一种技术,对生产的不良品进行归类,同时详细列出不良品的参数数据,再经由系统分析得出影响良率的参数,并按照关联度大小对参数排序,工厂效率就会提升很多。

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在上图的示例中,发现晶圆edge patch(晶圆边缘的生产缺陷)问题,智慧工厂的追踪数据列出6个最优关联度参数。第一个参数是在蚀刻流程的最后一步,电流发生显著激增;第二个参数则是氦气值明显降低。这两个参数不仅关联度最高,且彼此有联系,这里蚀刻流程的最后一步就是氦气分离。电流激增极有可能是在氦气分离过程中,托盘放置不平衡,与晶圆的边缘接触,产生小范围火花,且托盘部分氦气口阻塞造成了氦气值降低。

这是“工业4.0”中比较常见的根因分析,也是借由包括大数据、AI、IoT等技术在内的智能制造来提升效率的例子。这个例子来自韩国智能制造解决方案供应商BISTel。

根因分析只是智能制造的基础能力,再进一步是“预测性分析”。BISTel中国区销售总监汪锋告诉《国际电子商情》记者:“就好像你有一辆车,一般是每5000英里保养一次,这是基于时间或里程的固定维护,效率是很低的。如果能实时监测发动机转速、温度等数据,结合起来分析,系统可能就会告诉你当前状况运行良好,需要在两个月后进行一次维护。”这就是基于现有数据的智能预测维护(data-driven predictive analysis),比单纯基于时间的方案更高效,更能降低成本。

落实到半导体制造,典型的例如针对晶圆制造设备的RUL(剩余使用寿命)分析,结合压力、温度、振动等各项参数来分析漂移趋势,借由算法明确当前设备的健康值,并预测设备寿命。
但这些仍然不是工业4.0的全部。以上所述的是监测、分析、预测生产中可能遭遇的挑战;未来还会强调“自适应”,即上面的分析和预测过程可由应用和系统自行完成,“自主地发现、分析和解决问题”。这也是目前智能制造暂未实现的目标,并待AI技术的进一步发展。

工业4.0能带来营收增长吗?

BISTel的根因与预测分析的目标,与西门子数字工厂(Digital Factory)业务的基本思路很类似:针对制造现实世界的各部分实体,以数字化的方式打造这些实体的数字复刻版(Digital Twin),包括产品本身的数字复刻版、关乎产品生产与绩效的数字复刻版以及产品生产流程的数字复刻版。

这样,现实和虚拟世界就产生了联系,生产者在生产前期就能通过模拟的方式来了解产品、机器、设备设施的运转情况,更好地理解和预测真实生产的绩效特性。这是实现智能制造的又一个不同层级。

Mentor前两年并入西门子数字工厂业务的逻辑就在这里:EDA(Electronics Design Automation,电子设计自动化)的本质就是微观世界的模拟或数字复刻,是对西门子数字工厂业务的补足。Mentor中国区总经理凌琳表示:“Mentor现在的年度增长率大概是主要竞争对手的1.5-2倍之间”,当前年营收“大约在42亿美元左右”。

从EDA与印刷电路板业务,到电子设计、机械设计领域协同,提供闭环设计系统,Mentor并入西门子工业软件业务以后,已经基本完成了传统EDA厂商角色转型。42亿美元这个基数实则已经超过了Synopsys和Cadence同期年度营收,虽然这个数字是指西门子PLM技术软件的总营收,但Mentor在更专注的工业领域实现营收增长,显然是以往传统EDA战场很难做到的。

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据了解,2018年西门子数字工厂业务年度营收为129.32亿欧元,较之2017年增长了11%。不仅是Mentor,西门子还在持续进行该业务的兼并和收购操作,包括Tass、Infolytica、Sarokal等,来持续补足其数字复刻的能力。

西门子在2018财年报告中提到,数字工厂业务所有业务的订单量和收益都在增长,短期业务绩效非常出色。当前客户投资成长速度要快于其生产投入,表明自动化和数字化有相当清晰的成长趋势。

“尤其是政府部门性质的发展鼓励措施也在发生促进作用,从地域分布来看中国是主要成长驱动力,同时,美国的成长趋势也依然强劲。”加上西门子“过程工业与驱动(Process Industries and Drives)”业务在工业4.0实际产品实现上的配合,西门子以及被收购的Mentor,着力于数字工厂的发展势头已经可以解释工业4.0是否真的带来了成效。

MarketsandMarkets的报告数据显示,工业4.0市场2016年的规模为666.7亿美元,到2022年预计将达到1523.1亿美元,复合年增长率在14.72%;IoT Analytics的数据则认为,工业4.0市场的复合年增长率可以达到37%,到2023年,市场规模可达到3100亿美元。

工业4.0的部署进展如何?

工业4.0涉及到多方面、多层面的技术领域,绝不仅限于前文提到的智能制造解决方案以及数字模拟、测试分析等层面。这一技术热点涵盖的玩家可以包括主机服务(如微软)、工业IoT平台(如西门子)、传感器(如Festo)、连接(如HMS),甚至还包括协作机器人、虚拟现实/现实增强、网络安全、机器视觉解决方案、无人机等。

当这些技术真正部署到半导体制造相关企业会是什么样子?这可以从林德(Linde)东亚区的远程控制中心来作管中窥豹。当前,林德已经是全球最大的工业气体供应商。为包括半导体、显示面板在内的电子产业提供晶圆制造所需的氦气及其他气体,是林德的重要营收来源之一。

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“在整个中国大陆范围内,林德有总共350公里的管道,8大工业园区,通过管道将气体供应给客户。”联华林德中国区总裁唐瑞平在带领我们参观位于上海的林德远程控制中心时说道。

在一个房间内,几位工程师和操作员在对着几个屏幕操控远端装置。唐瑞平介绍说:“这几个屏幕可监视几十个装置,其中有现场制氮无人装置,该装置在远端自动运行,我们会监控装置的运行情况。不止实时检测管道泄漏等数据,大数据分析还能够产生预测模型,并把所有管道信息、客户信息都纳入我们的系统中,比如通过客户用气量的多少,来实时调配装置负载、减少放空等。”

他还补充道:“针对空分装置,借由收集到的数据,能预测装置三个月后的情况。当发现某个数据趋势异常,在发出警报前我们就要开始准备备件。”这和BISTel的方案很相似。

林德在宁波设有82公里的氮气管道系统装置,通过远程管理系统就能实时查看管道地图:在操作人员的演示中,它能像电子地图那样放大、缩小,点击任意位置都可查看管道的详细数据,包括材料、直径、压力、高度等,就连埋地管线都可实时远程调出。该操作人员表示:“我们借助当地设计院的资质,用无人机去拍摄,建模之后就能够这样呈现出来。”

“一些大型空分、液体空分,会有一套‘先进控制系统’。它能根据客户的压力、纯度等波动,自动调整装置负荷。我们设定一个值,如果超过这个指标,客户那边就会切换到备用系统。我们收到报警后,就会尝试去处理、解决问题。”唐瑞平说,“像这样一个大型空分,操作人员只需要简单输入需要多少氧气目标值,整个系统就能自动跑起来。”

这些都是以往在科幻电影中才能见到的画面,现在已经切实应用到了一线生产中,一边减少人员成本,一边提升生产效率,甚至采用AI技术来预测生产问题的发生,以及通过数字化来实现模拟仿真。即便我们尚无法全盘了解工业4.0在生产制造行业的覆盖情况,但从既有智能制造解决方案、收益产生以及实际案例这三个角度,也能管中一窥地发现,工业4.0正在改变半导体行业上下游的方方面面。

本文为《国际电子商情》11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击 这里

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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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