半導體制造設施與其他任何設施都不同。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，以至于一點灰塵會對最終產(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、設備和系統(tǒng)依賴計算能力和復雜的納米結構來運行，對這些薄晶圓的需求預計只會增長。

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營創(chuàng)新的壓力點，以實現(xiàn)更高的投資回報。過去幾十年來所做的許多改進都非常有價值，但它們的成功創(chuàng)造了一個收益遞減的旅程。這些改進通常是以更高的產(chǎn)量的名義進行的。毫無疑問，這是一個關鍵指標，但專注于單一的優(yōu)化因素可能會導致工程師將自己設計得無影無蹤。從這個角度來看，歷史上有兩種選擇;投資更小的節(jié)點或更大的晶圓。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調(diào)節(jié)旋鈕：成本、時間和質(zhì)量。智能制造所做的是改善這三個旋鈕的微調(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歡迎途徑。

集成電路發(fā)展的新時代

增長增加

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備已成為半導體收入的最大驅(qū)動力，無線通信，汽車和人工智能產(chǎn)品在短時間內(nèi)緊隨其后1.這些廣泛的設備將為行業(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)是否會被視為一個不知道實時情況的黑匣子？如果需要對設計進行更改，需要多長時間來調(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

許多半導體應用在社會中也扮演著更重要的安全關鍵角色，對人類生活的福祉負責。為了應對OEM面臨的這一新風險，許多企業(yè)希望或要求嚴格的跟蹤和追溯協(xié)議。如果新車中的高級駕駛員輔助功能比預期的更早發(fā)生故障，則詳細的過程信息對于查找根本原因?qū)⒎浅氋F。其他應用，如安全和生物識別技術，需要確保設計在制造過程中沒有改變或篡改。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浪麄兪盏降木褪撬麄冑徺I的？

良率優(yōu)化越來越難

產(chǎn)量無疑是優(yōu)化盈利能力的關鍵指標，但這個過程的大部分已經(jīng)自動化和優(yōu)化，特別是在最大的晶圓廠和最先進的節(jié)點上。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，并在制造設施中更換傳感器之前測試其功效。

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、服務和應用開發(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，即使對流程進行微小的調(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。西門子 Xcelerator 產(chǎn)品組合涵蓋數(shù)字孿生體的設計、實現(xiàn)和優(yōu)化，“西門子數(shù)字工業(yè)軟件公司電子與半導體行業(yè)副總裁 Alan D. Porter 表示。

假設正在建設一個新的制造設施，投資近140億美元。運行的前60天產(chǎn)生了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。這是一個很大的投資，留在一個房間里，但這是整個行業(yè)的常見情況。

140億美元中的25%是一筆巨大的儲蓄損失，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。為什么會發(fā)生這種情況？因為許多公司對其制造設施的精確細節(jié)沒有足夠的可見性。

手數(shù)大小優(yōu)化

像許多其他學科一樣，半導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。但手數(shù)大小優(yōu)化與這些指標無關。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，該芯片來自容納10，000個芯片的初級晶圓。一個免費的存儲器芯片晶圓可能有15，000個芯片。通常，將構建10，000個多芯片模塊以匹配主芯片數(shù)量，因為這是常態(tài)，并且它們是更昂貴的芯片。這留下了5，000個額外的內(nèi)存模具。這種超額部分會發(fā)生什么？通常，它們被儲存在設施中的某個地方，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，這并不是失去的全部價值。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。該訂單可能只有8，000個單位，但初級模具價格昂貴，因此它們被過度建造了20%。

根據(jù)我們與世界各地半導體制造商合作的經(jīng)驗，這是一個保守的估計。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。跟蹤單個模具的整個生產(chǎn)過程，進入裝配，再到現(xiàn)實世界，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，但是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)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)伺服器的速度或固定晶圓所需的力。

最后一個要求是需要精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)基礎設施的真實數(shù)據(jù)反饋到仿真模型中。這創(chuàng)建了一個閉環(huán)模型，可以最終支持機器學習等高級AI功能。

這三個步驟使生產(chǎn)更快，更高效。但還有一個更關鍵的因素：手數(shù)大小優(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)速度將比以前更快。

結論：

產(chǎn)量是一個很好的指標，但它們并不是高效半導體晶圓廠的唯一指標，特別是因為市場預計只會在產(chǎn)能和復雜性方面增長。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藏室里，要么更糟的是，放在垃圾桶的底部。智能制造旨在擴大優(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