知识源于沉淀 为了满足消费者对功能更丰富、性能更高的设备的需求，半导体制造业需要大量投资资本设备，这也导致竞争日益激烈。为了提高竞争力，芯片制造商正在采用工业4.0制造技术，以实现更高水平的卓越运营。在这篇文章中，我将解释工业4.0的含义，提供一个工业4.0在半导体fab环境中的应用示例，并解释应用材料公司如何推动这一发展。
在详谈之前，我们先来了解一下什么是工业4.0。工业4.0的概念最早由德国政府提出，用来描述人工智能(AI)、大数据、云计算、工业物联网(IIoT)等新技术带来的第四次工业革命。第一次、第二次和第三次工业革命的驱动因素是蒸汽和水力发电、电力使用和计算机技术(图1)。
图一。(来源:AllAboutLean.com网站Christoph Roser提供)
工业4.0概念的实现通常被称为“智能制造”，我们也经常称之为“智能工厂”。工业4.0的主要特征包括:
制造系统的垂直集成
o在工厂中，通过网络连接的生产系统称为信息物理生产系统(CPPS)。在工业4.0中，CPPS将垂直整合和连接，以便环境和价值链的任何变化都可以反映在制造过程中。
实现跨企业和价值链的横向整合
o将制造设备与合作伙伴、供应商、分包商等横向整合到价值链中。
通过云计算、大数据、移动和人工智能/分析等新一代技术实现并加速整合。
首先，我们来看看半导体晶圆厂的垂直整合。如下图2所示，这涉及到集成所有ISA-95级别。
2.(来源:应用材料公司)
ISA-95级别包括0级(适用于包含所有传感器和执行器的物理设备)到4级，涵盖各种企业业务系统。每一级的垂直整合都需要接口的标准化。在半导体行业，设备集成很久以前就在SECS/GEM接口上实现了标准化。建立了高速SECS信息服务(HS ),通过高速以太网支持SECS/GEM通信。随着传感器的使用越来越多，半导体器件现在可以传输大量的工程数据。
为了支持高速诊断数据采集，工程数据接口(现在称为接口A)已与控制接口分离，仅用于采集设备数据。这就满足了行业的需求，所有的数据都可以放在一个通用的平台上，实现一致性，方便整合/分析。因此，诸如批次(R2R)控制和故障检测和分类(FDC)分析的各种分析解决方案的效率得到了提高，这些解决方案可以用作应用材料公司的artFactory制造解决方案的一部分。
下一个集成级别是生产执行/控制、WIP(在制品)管理和物流。按照工业4.0的说法，产品(在fabs中被视为晶圆批次)就是CP(cyber-physical systems)，它们足够智能，知道自己是什么，会成为什么产品，需要去哪里。他们可以直接与同样聪明的CPPS交流。但在目前的半导体晶圆厂环境下，产品和设备的智能化还不够。
此外，在制造过程中，逻辑仍然在包含路径和操作等信息的MES(制造执行系统)中。在特定操作中处理一个批次后，下一个操作的名称将保留在MES中。通过智能分析解决方案(实时调度和计划解决方案)优化计划和调度。当产品/批次(CPS)和设备(CPPS)通过人工智能、制造执行系统(MES)实现智能化时，调度和计划解决方案在逻辑上将变得更加分散。MES、计划和调度解决方案是应用材料智能工厂组合的核心。
现在让我们看看半导体制造网络中的横向整合。
目前，半导体价值链在某种程度上遵循一定的顺序。来自工厂的批次/晶圆进入晶圆仓库进行组装、测试和封装，然后在运送到原始设备制造商之前进入仓库。这种情况正在改变:制造业越来越像一个网络，晶圆厂和封装设备成为网络中的节点(如图3)。
图3。(来源:应用材料公司)
按照工业4.0的原理，我们需要一个协同的、智能的网络。以消费者为中心、以需求为导向的制造业正在推动制造网络向分布和协作方向发展。实现这一目标的方法之一是建立一个制造企业平台，称为“虚拟工厂”，在这个平台上我们可以整合不同的工厂、合作伙伴和供应商。这可以通过云计算、IIoT、大数据等新兴技术来实现和推动。
材料公司在帮助半导体晶圆厂迈向工业4.0方面取得了很多进展，尤其是从垂直整合的角度。凭借我们多样化的制造解决方案，如智能MES和计划/调度/调度解决方案，晶圆厂的敏捷性和灵活性不断提高。
未来可以通过AI进一步改造晶圆厂的流程运作。通过直接的智能通信，晶圆厂将成为一个更适合CPPS设备的环境，以满足CPS批次的需求。制造软件(如MES)将在逻辑上分散，以确保操作符合规则/规定。在以后的博文中，我会继续分享和讨论工业4.0在半导体行业的优势和挑战，以及适用于工业4.0的MES (MES 4.0)。
要了解用于支持新一代制造业的Applied artFactory制造产品和解决方案套件，请查看应用材料公司的网站、博客和视频。
作者:Ganesh Hegde
Ganesh Hegde是应用材料公司的高级产品和营销经理，在北美和亚洲的高科技/半导体行业拥有超过20年的丰富经验。他拥有亚利桑那州立大学的计算机工程硕士学位。
