物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備已成為半導(dǎo)體收入的最大驅(qū)動力，無線通信、汽車和人工智能產(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。他們可以在人類有史以來為商業(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對最終產(chǎn)品造成無法彌補的損壞。幾十年來，該行業(yè)開創(chuàng)了許多開創(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。隨著越來越多的產(chǎn)品、設(shè)備和系統(tǒng)依賴于計算能力和復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)來運行，對這些薄晶圓的需求預(yù)計只會增長。

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止境的運營創(chuàng)新以實現(xiàn)更高投資回報的壓力點。過去幾十年中所做的許多改進(jìn)都非常有價值，但它們的成功造成了回報遞減的旅程。這些改進(jìn)通常是以更高產(chǎn)量的名義進(jìn)行的。毫無疑問，這是一個關(guān)鍵的指標(biāo)，但專注于單一的優(yōu)化因素可能會導(dǎo)致工程師將自己設(shè)計成一個角落。從這個立場來看，歷史上有兩種選擇;投資更小的節(jié)點或更大的晶圓。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，所有制造設(shè)施都有三個調(diào)節(jié)旋鈕可以轉(zhuǎn)動：成本、時間和質(zhì)量。智能制造所做的是改進(jìn)這三個旋鈕的微調(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)展的新時代

增長加速

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備已成為半導(dǎo)體收入的最大驅(qū)動力，無線通信、汽車和人工智能產(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)品的最佳時間表是什么？生產(chǎn)是否會被視為一個黑匣子，不知道實時發(fā)生了什么？如果需要對設(shè)計進(jìn)行更改，調(diào)整流程需要多長時間？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)用也在社會中承擔(dān)著更重要的安全關(guān)鍵角色，負(fù)責(zé)人類生活的福祉。為了應(yīng)對OEM面臨的這種新風(fēng)險，許多企業(yè)希望或需要嚴(yán)格的跟蹤和追溯協(xié)議。如果新車中的高級駕駛員輔助功能比預(yù)期更早發(fā)生故障，詳細(xì)的過程信息對于找到根本原因?qū)⒎浅氋F。安全和生物識別等其他應(yīng)用需要確保在制造過程中沒有任何設(shè)計被更改或篡改。消費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?？蛻羧绾沃浪麄兪盏降氖撬麄冑徺I的？

良率優(yōu)化越來越難

良率無疑是優(yōu)化盈利能力的關(guān)鍵指標(biāo)，但這一過程的大部分已經(jīng)實現(xiàn)了自動化和優(yōu)化，尤其是在最大的晶圓廠和最先進(jìn)的節(jié)點。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試其功效。

通往成功之路

智能制造的價值在于其靈活性，這是西門子Xcelerator軟件、服務(wù)和應(yīng)用開發(fā)平臺產(chǎn)品組合的核心組成部分，可為組織帶來新的見解、機遇和自動化。在大規(guī)模生產(chǎn)時，即使是對工藝的微小調(diào)整也可以節(jié)省大量成本。為了說明這種方法在推動創(chuàng)新方面的重要性，將討論兩個示例 - 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，實現(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。

假設(shè)正在建造一個新的制造設(shè)施，投資近140億美元。運行前 60 天會產(chǎn)生 100，000 個可行的 IC 單元。最重要的是，其中大約 25% 將直接移動到存儲中。這是一個房間里的大量投資，但這在整個行業(yè)中很常見。

140億美元中的25%是大量的儲蓄損失，特別是與收益率增加四分之一（2000萬至4000萬美元）的回報相比。為什么會這樣？因為許多公司對其制造設(shè)施的精確細(xì)節(jié)沒有足夠的可見性。

批量優(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封裝可能包括一個處理器芯片，該芯片派生自可容納10，000個芯片的初級晶圓。一個免費的存儲芯片晶圓可能有 15，000 個芯片。通常，將構(gòu)建10，000個多芯片模塊以匹配初級芯片數(shù)量，因為這是常態(tài)，而且它們是更昂貴的芯片。這留下了 5，000 個額外的內(nèi)存死亡。這種超額會怎樣？它們通常存放在設(shè)施的某個地方，在那里它們會萎靡不振，可能會過期或丟失在存儲中。最終，損失被視為收益損失。這可能導(dǎo)致價值數(shù)百萬美元的免費模具丟失或報廢。

這是一筆可觀的錢。但是，這并不是損失的全部價值。這些模具必須制造出來，占用制造能力。他們經(jīng)過組裝，使用更有價值的資源，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 - 每個初級晶圓10，000個芯片正好適合。訂單可能只有8，000個單位，但主模具價格昂貴，因此它們被過度構(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，這是一個保守的估計。許多晶圓廠經(jīng)常過度建造30%。是的，一些積壓庫存可以稍后出售，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：模具級可追溯性。跟蹤單個模具從生產(chǎn)到裝配再到現(xiàn)實世界，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，需要一個有限的調(diào)度系統(tǒng)。一個實時了解正在發(fā)生的一切的人。但這需要數(shù)字化轉(zhuǎn)型。隨時訪問有關(guān)生產(chǎn)車間每個流程的數(shù)據(jù)可以更深入地了解整體效率，但如果沒有從機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)傳感器需要在整個制造設(shè)施中積極部署。幸運的是，對于許多晶圓廠來說，他們的機器可能已經(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。它甚至可以包括機器內(nèi)伺服系統(tǒng)的速度或固定晶圓所需的力。

最后一個要求是需要準(zhǔn)確模擬整個工廠車間。理論處理時間與實際時間相比如何？流程中的各個步驟呢？切換工具需要多長時間？為了使這些答案收斂并實現(xiàn)優(yōu)化，需要將來自物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的真實數(shù)據(jù)反饋到仿真模型中。這將創(chuàng)建一個閉環(huán)模型，最終可以支持機器學(xué)習(xí)等高級 AI 功能。

這三個步驟使生產(chǎn)更快、更高效。但還有一個關(guān)鍵因素：批量優(yōu)化。如果在沒有此功能的情況下實施這四個步驟，存儲速率只會增長，因為生產(chǎn)將超過需求。

結(jié)論：

產(chǎn)量是一個很好的指標(biāo)，但它們并不是高效半導(dǎo)體晶圓廠的唯一指標(biāo)，特別是因為市場預(yù)計產(chǎn)能和復(fù)雜性只會增長。如果不考慮字面生產(chǎn)以外的其他流程，數(shù)百萬美元要么坐在儲藏室里，要么更糟，要么被扔在垃圾桶的底部。智能制造旨在擴大優(yōu)化工廠時的興趣范圍。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明天的生產(chǎn)效率。

審核編輯：郭婷