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(wú)線通信、汽車(chē)和人工智能產(chǎn)品緊隨其后。

半導(dǎo)體制造設(shè)施與其他任何設(shè)施都不同。他們可以在人類(lèi)有史以來(lái)為商業(yè)用途制造的一些最小的產(chǎn)品上投資數(shù)億美元。如此之小，以至于一粒灰塵都會(huì)對(duì)最終產(chǎn)品造成無(wú)法彌補(bǔ)的損壞。幾十年來(lái)，該行業(yè)開(kāi)創(chuàng)了許多開(kāi)創(chuàng)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(lái)越多的產(chǎn)品、設(shè)備和系統(tǒng)依賴于計(jì)算能力和復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)來(lái)運(yùn)行，對(duì)這些薄晶圓的需求預(yù)計(jì)只會(huì)增長(zhǎng)。

但是，這種與工業(yè)制造世界其他地區(qū)的差異化正在不可避免地成為看似永無(wú)止境的運(yùn)營(yíng)創(chuàng)新以實(shí)現(xiàn)更高投資回報(bào)的壓力點(diǎn)。過(guò)去幾十年中所做的許多改進(jìn)都非常有價(jià)值，但它們的成功造成了回報(bào)遞減的旅程。這些改進(jìn)通常是以更高產(chǎn)量的名義進(jìn)行的。毫無(wú)疑問(wèn)，這是一個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)，但專(zhuān)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)成一個(gè)角落。從這個(gè)立場(chǎng)來(lái)看，歷史上有兩種選擇;投資更小的節(jié)點(diǎn)或更大的晶圓。兩者都有利可圖，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，幾乎所有人都不可能競(jìng)爭(zhēng)。這就是智能制造的用武之地。在最簡(jiǎn)單的層面上，所有制造設(shè)施都有三個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕可以轉(zhuǎn)動(dòng)：成本、時(shí)間和質(zhì)量。智能制造所做的是改進(jìn)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受歡迎途徑。

集成電路發(fā)展的新時(shí)代

增長(zhǎng)加速

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(wú)線通信、汽車(chē)和人工智能產(chǎn)品緊隨其后。1.如此廣泛的設(shè)備將為行業(yè)帶來(lái)更多的變化，但優(yōu)化如此多樣化的產(chǎn)品的制造將成為更大的障礙。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)黑匣子，不知道實(shí)時(shí)發(fā)生了什么？如果需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行更改，調(diào)整流程需要多長(zhǎng)時(shí)間？生產(chǎn)效率能否與變革前相媲美？

跟蹤和追溯要求

許多半導(dǎo)體應(yīng)用也在社會(huì)中承擔(dān)著更重要的安全關(guān)鍵角色，負(fù)責(zé)人類(lèi)生活的福祉。為了應(yīng)對(duì)OEM面臨的這種新風(fēng)險(xiǎn)，許多企業(yè)希望或需要嚴(yán)格的跟蹤和追溯協(xié)議。如果新車(chē)中的高級(jí)駕駛員輔助功能比預(yù)期更早發(fā)生故障，詳細(xì)的過(guò)程信息對(duì)于找到根本原因?qū)⒎浅氋F。安全和生物識(shí)別等其他應(yīng)用需要確保在制造過(guò)程中沒(méi)有任何設(shè)計(jì)被更改或篡改。消費(fèi)電子市場(chǎng)中越來(lái)越多的人對(duì)他們購(gòu)買(mǎi)的產(chǎn)品的可持續(xù)性感興趣。客戶如何知道他們收到的是他們購(gòu)買(mǎi)的？

良率優(yōu)化越來(lái)越難

良率無(wú)疑是優(yōu)化盈利能力的關(guān)鍵指標(biāo)，但這一過(guò)程的大部分已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和優(yōu)化，尤其是在最大的晶圓廠和最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)。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，并在更換制造設(shè)施中的傳感器之前測(cè)試其功效。

通往成功之路

智能制造的價(jià)值在于其靈活性，這是西門(mén)子Xcelerator軟件、服務(wù)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)產(chǎn)品組合的核心組成部分，可為組織帶來(lái)新的見(jiàn)解、機(jī)遇和自動(dòng)化。在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，即使是對(duì)工藝的微小調(diào)整也可以節(jié)省大量成本。為了說(shuō)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)字孿生可以是產(chǎn)品、生產(chǎn)或性能。理想情況下，這些數(shù)字孿生相互提供見(jiàn)解和持續(xù)改進(jìn)。Siemens Xcelerator產(chǎn)品組合涵蓋了數(shù)字孿生的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化，“Siemens Digital Industries Software電子與半導(dǎo)體行業(yè)副總裁Alan D. Porter說(shuō)。

假設(shè)正在建造一個(gè)新的制造設(shè)施，投資近140億美元。運(yùn)行前 60 天會(huì)產(chǎn)生 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)房間里的大量投資，但這在整個(gè)行業(yè)中很常見(jiàn)。

140億美元中的25%是大量的儲(chǔ)蓄損失，特別是與收益率增加四分之一（2000萬(wàn)至4000萬(wàn)美元）的回報(bào)相比。為什么會(huì)這樣？因?yàn)樵S多公司對(duì)其制造設(shè)施的精確細(xì)節(jié)沒(méi)有足夠的可見(jiàn)性。

批量?jī)?yōu)化

像許多其他學(xué)科一樣，半導(dǎo)體制造也可能成為傳統(tǒng)的犧牲品。大多數(shù)生產(chǎn)小于300mm晶圓的晶圓廠的批量約為25個(gè)晶圓，但在某些情況下，較小的批量可能更有效。但批量大小優(yōu)化并不關(guān)心這些指標(biāo)。相反，它專(zhuān)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，該芯片派生自可容納10，000個(gè)芯片的初級(jí)晶圓。一個(gè)免費(fèi)的存儲(chǔ)芯片晶圓可能有 15，000 個(gè)芯片。通常，將構(gòu)建10，000個(gè)多芯片模塊以匹配初級(jí)芯片數(shù)量，因?yàn)檫@是常態(tài)，而且它們是更昂貴的芯片。這留下了 5，000 個(gè)額外的內(nèi)存死亡。這種超額會(huì)怎樣？它們通常存放在設(shè)施的某個(gè)地方，在那里它們會(huì)萎靡不振，可能會(huì)過(guò)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(wàn)美元的免費(fèi)模具丟失或報(bào)廢。

這是一筆可觀的錢(qián)。但是，這并不是損失的全部?jī)r(jià)值。這些模具必須制造出來(lái)，占用制造能力。他們經(jīng)過(guò)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(guò)，還有更多的損失 - 每個(gè)初級(jí)晶圓10，000個(gè)芯片正好適合。訂單可能只有8，000個(gè)單位，但主模具價(jià)格昂貴，因此它們被過(guò)度構(gòu)建了20%。

根據(jù)我們與世界各地半導(dǎo)體制造商的經(jīng)驗(yàn)，這是一個(gè)保守的估計(jì)。許多晶圓廠經(jīng)常過(guò)度建造30%。是的，一些積壓庫(kù)存可以稍后出售，但如果有周期中期修訂怎么辦？這留下了大約15%的總收入損失。

芯片級(jí)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)進(jìn)行生產(chǎn)，條件是什么，或者該批次的故障率是否更高。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(jí)可追溯性。跟蹤單個(gè)模具從生產(chǎn)到裝配再到現(xiàn)實(shí)世界，消除了高效和盈利生產(chǎn)的許多障礙。

調(diào)度優(yōu)化

為了提高操作清晰度，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(wèn)有關(guān)生產(chǎn)車(chē)間每個(gè)流程的數(shù)據(jù)可以更深入地了解整體效率，但如果沒(méi)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(wú)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(duì)于許多晶圓廠來(lái)說(shuō)，他們的機(jī)器可能已經(jīng)在生成大量數(shù)據(jù)。這包括高度準(zhǔn)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)伺服系統(tǒng)的速度或固定晶圓所需的力。

最后一個(gè)要求是需要準(zhǔn)確模擬整個(gè)工廠車(chē)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(zhǎng)時(shí)間？為了使這些答案收斂并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，需要將來(lái)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。這將創(chuàng)建一個(gè)閉環(huán)模型，最終可以支持機(jī)器學(xué)習(xí)等高級(jí) AI 功能。

這三個(gè)步驟使生產(chǎn)更快、更高效。但還有一個(gè)關(guān)鍵因素：批量?jī)?yōu)化。如果在沒(méi)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(zhǎng)，因?yàn)樯a(chǎn)將超過(guò)需求。

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?chǎng)預(yù)計(jì)產(chǎn)能和復(fù)雜性只會(huì)增長(zhǎng)。如果不考慮字面生產(chǎn)以外的其他流程，數(shù)百萬(wàn)美元要么坐在儲(chǔ)藏室里，要么更糟，要么被扔在垃圾桶的底部。智能制造旨在擴(kuò)大優(yōu)化工廠時(shí)的興趣范圍。作為西門(mén)子X(jué)celerator產(chǎn)品組合的一部分，用于半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的工具正在為今天的工廠帶來(lái)明天的生產(chǎn)效率。

審核編輯：郭婷