半導(dǎo)體制造設(shè)施與其他任何設(shè)施都不同。他們可以持有數(shù)億美元的投資，用于人類有史以來為商業(yè)用途制造的一些最小的產(chǎn)品。如此之小，以至于一點(diǎn)灰塵會(huì)對最終產(chǎn)品造成不可挽回的損害。幾十年來，該行業(yè)開創(chuàng)了許多突破性的程序，其他工業(yè)制造商最終將在幾十年后采用這些程序。隨著越來越多的產(chǎn)品、設(shè)備和系統(tǒng)依賴計(jì)算能力和復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)來運(yùn)行，對這些薄晶圓的需求預(yù)計(jì)只會(huì)增長。

但是，這種與工業(yè)制造業(yè)其他部分的差異正在無情地成為看似永無止境的運(yùn)營創(chuàng)新的壓力點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)更高的投資回報(bào)。過去幾十年來所做的許多改進(jìn)都非常有價(jià)值，但它們的成功創(chuàng)造了一個(gè)收益遞減的旅程。這些改進(jìn)通常是以更高的產(chǎn)量的名義進(jìn)行的。毫無疑問，這是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，但專注于單一的優(yōu)化因素可能會(huì)導(dǎo)致工程師將自己設(shè)計(jì)得無影無蹤。從這個(gè)角度來看，歷史上有兩種選擇;投資更小的節(jié)點(diǎn)或更大的晶圓。這兩者都是有利可圖的，但需要數(shù)十億美元的前期資本投資。

這使得除了最大的鑄造廠和制造商之外，幾乎所有公司都不可能競爭。這就是智能制造的用武之地。在最簡單的層面上，所有制造工廠都有三個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕：成本、時(shí)間和質(zhì)量。智能制造所做的是改善這三個(gè)旋鈕的微調(diào)，從而更好地控制企業(yè)。還有其他好處，例如基于規(guī)則的規(guī)劃和流程優(yōu)化，將智能制造定位為擺脫收益遞減角落的歡迎途徑。

集成電路發(fā)展的新時(shí)代

增長增加

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備已成為半導(dǎo)體收入的最大驅(qū)動(dòng)力，無線通信，汽車和人工智能產(chǎn)品在短時(shí)間內(nèi)緊隨其后1.這些廣泛的設(shè)備將為行業(yè)帶來更多的變化，但為如此多樣化的產(chǎn)品優(yōu)化制造將成為一個(gè)更大的障礙。生產(chǎn)所有這些不同產(chǎn)品的最佳時(shí)間表是什么？生產(chǎn)是否會(huì)被視為一個(gè)不知道實(shí)時(shí)情況的黑匣子？如果需要對設(shè)計(jì)進(jìn)行更改，需要多長時(shí)間來調(diào)整流程？生產(chǎn)效率能否與變革前相媲美？

跟蹤和追溯需求

許多半導(dǎo)體應(yīng)用在社會(huì)中也扮演著更重要的安全關(guān)鍵角色，對人類生活的福祉負(fù)責(zé)。為了應(yīng)對OEM面臨的這一新風(fēng)險(xiǎn)，許多企業(yè)希望或要求嚴(yán)格的跟蹤和追溯協(xié)議。如果新車中的高級駕駛員輔助功能比預(yù)期的更早發(fā)生故障，則詳細(xì)的過程信息對于查找根本原因?qū)⒎浅氋F。其他應(yīng)用，如安全和生物識(shí)別技術(shù)，需要確保設(shè)計(jì)在制造過程中沒有改變或篡改。消費(fèi)電子市場中越來越多的人對他們購買的產(chǎn)品的可持續(xù)性感興趣。客戶如何知道他們收到的就是他們購買的？

良率優(yōu)化越來越難

產(chǎn)量無疑是優(yōu)化盈利能力的關(guān)鍵指標(biāo)，但這個(gè)過程的大部分已經(jīng)自動(dòng)化和優(yōu)化，特別是在最大的晶圓廠和最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)上。智能制造不僅僅是優(yōu)化的次要途徑，它還是制圖師繪制所有其他可能的途徑，以提高效率和盈利能力，并在制造設(shè)施中更換傳感器之前測試其功效。

成功之路

智能制造的價(jià)值在于其靈活性，這是西門子Xcelerator軟件、服務(wù)和應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)產(chǎn)品組合的核心組成部分，可為組織帶來新的見解、機(jī)遇和自動(dòng)化。在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，即使對流程進(jìn)行微小的調(diào)整也可以節(jié)省大量成本。為了說明這種方法在推動(dòng)創(chuàng)新方面的重要性，將討論兩個(gè)示例 - 批量大小優(yōu)化和調(diào)度優(yōu)化。

“數(shù)字孿生體可以是產(chǎn)品、生產(chǎn)或性能。理想情況下，這些數(shù)字孿生體相互饋送以獲得見解和持續(xù)改進(jìn)。西門子 Xcelerator 產(chǎn)品組合涵蓋數(shù)字孿生體的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化，“西門子數(shù)字工業(yè)軟件公司電子與半導(dǎo)體行業(yè)副總裁 Alan D. Porter 表示。

假設(shè)正在建設(shè)一個(gè)新的制造設(shè)施，投資近140億美元。運(yùn)行的前60天產(chǎn)生了100，000個(gè)可行的IC單元。最重要的是，其中大約25%將直接移動(dòng)到存儲(chǔ)中。這是一個(gè)很大的投資，留在一個(gè)房間里，但這是整個(gè)行業(yè)的常見情況。

140億美元中的25%是一筆巨大的儲(chǔ)蓄損失，特別是與收益率增加四分之一（2000萬至4000萬美元）的回報(bào)相比。為什么會(huì)發(fā)生這種情況？因?yàn)樵S多公司對其制造設(shè)施的精確細(xì)節(jié)沒有足夠的可見性。

手?jǐn)?shù)大小優(yōu)化

像許多其他學(xué)科一樣，半導(dǎo)體制造可能成為傳統(tǒng)的犧牲品。大多數(shù)生產(chǎn)小于300mm晶圓的晶圓廠的批量大小約為25個(gè)晶圓，盡管在某些情況下，較小的批量尺寸可能更有效率。但手?jǐn)?shù)大小優(yōu)化與這些指標(biāo)無關(guān)。相反，它專注于從這些晶圓組裝多芯片模塊所需的芯片數(shù)量。

例如，IC封裝可能包括一個(gè)處理器芯片，該芯片來自容納10，000個(gè)芯片的初級晶圓。一個(gè)免費(fèi)的存儲(chǔ)器芯片晶圓可能有15，000個(gè)芯片。通常，將構(gòu)建10，000個(gè)多芯片模塊以匹配主芯片數(shù)量，因?yàn)檫@是常態(tài)，并且它們是更昂貴的芯片。這留下了5，000個(gè)額外的內(nèi)存模具。這種超額部分會(huì)發(fā)生什么？通常，它們被儲(chǔ)存在設(shè)施中的某個(gè)地方，在那里它們會(huì)萎靡不振，可能會(huì)過期或丟失在存儲(chǔ)中。最終，損失被視為收益損失。這可能導(dǎo)致價(jià)值數(shù)百萬美元的免費(fèi)模具丟失或報(bào)廢。

這是一筆可觀的錢。但是，這并不是失去的全部價(jià)值。這些模具必須制造出來，占用制造能力。它們經(jīng)過組裝，使用更有價(jià)值的資源，直到它們最終被存放在架子上并且很難找到。不過，還有更多的損失 - 每個(gè)初級晶圓10，000個(gè)芯片正好適合。該訂單可能只有8，000個(gè)單位，但初級模具價(jià)格昂貴，因此它們被過度建造了20%。

根據(jù)我們與世界各地半導(dǎo)體制造商合作的經(jīng)驗(yàn)，這是一個(gè)保守的估計(jì)。許多晶圓廠經(jīng)常超建30%。是的，一些積壓的庫存可以在以后出售，但是如果有中期修訂怎么辦？這留下了大約15%的總收入損失。

芯片級可追溯性

許多產(chǎn)品可能還需要可追溯性，以了解模具何時(shí)投入生產(chǎn)，條件如何，或者該批次中是否存在更高的故障率。但要完全優(yōu)化批量大小和調(diào)度，需要一種更精確的跟蹤方法：模具級可追溯性。跟蹤單個(gè)模具的整個(gè)生產(chǎn)過程，進(jìn)入裝配，再到現(xiàn)實(shí)世界，消除了高效和有利可圖的生產(chǎn)的許多障礙。

調(diào)度優(yōu)化

為了提高操作的清晰度，需要建立一些流程：

首先，需要一個(gè)有限的調(diào)度系統(tǒng)。一個(gè)實(shí)時(shí)了解正在發(fā)生的一切的人。但這需要數(shù)字化轉(zhuǎn)型。隨時(shí)訪問有關(guān)生產(chǎn)車間每個(gè)流程的數(shù)據(jù)可以更深入地了解整體效率，但是如果沒有從機(jī)器和工人到管理和控制流程的連續(xù)數(shù)字線程，幾乎毫無用處。

其次，為了建立有限調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)字線程，物聯(lián)網(wǎng)傳感器需要在整個(gè)制造設(shè)施中積極部署。幸運(yùn)的是，對于許多晶圓廠來說，他們的機(jī)器可能已經(jīng)產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)。這包括高度精確的溫度和濕度讀數(shù)，以確保半導(dǎo)體的穩(wěn)定和最佳生產(chǎn)環(huán)境。它甚至可以包括機(jī)器內(nèi)伺服器的速度或固定晶圓所需的力。

最后一個(gè)要求是需要精確模擬整個(gè)工廠車間。理論處理時(shí)間與實(shí)際時(shí)間相比如何？流程中的各個(gè)步驟呢？切換工具需要多長時(shí)間？為了使這些答案收斂并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，需要將來自物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的真實(shí)數(shù)據(jù)反饋到仿真模型中。這創(chuàng)建了一個(gè)閉環(huán)模型，可以最終支持機(jī)器學(xué)習(xí)等高級AI功能。

這三個(gè)步驟使生產(chǎn)更快，更高效。但還有一個(gè)更關(guān)鍵的因素：手?jǐn)?shù)大小優(yōu)化。如果在沒有此功能的情況下實(shí)施這四個(gè)步驟，存儲(chǔ)速率只會(huì)增長，因?yàn)樯a(chǎn)速度將比以前更快。

結(jié)論：

產(chǎn)量是一個(gè)很好的指標(biāo)，但它們并不是高效半導(dǎo)體晶圓廠的唯一指標(biāo)，特別是因?yàn)槭袌鲱A(yù)計(jì)只會(huì)在產(chǎn)能和復(fù)雜性方面增長。如果不考慮字面生產(chǎn)之外的其他流程，數(shù)百萬美元要么坐在儲(chǔ)藏室里，要么更糟的是，放在垃圾桶的底部。智能制造旨在擴(kuò)大優(yōu)化工廠的興趣范圍。作為西門子 Xcelerator 產(chǎn)品組合的一部分，用于半導(dǎo)體開發(fā)和生產(chǎn)的工具正在為今天的工廠帶來未來的生產(chǎn)效率。

審核編輯：郭婷