產(chǎn)線智慧化有譜，制造業(yè)數(shù)位轉(zhuǎn)型全力向前

半導(dǎo)體與電子制造業(yè)面對疫情與中美貿(mào)易戰(zhàn)沖擊，透過數(shù)位轉(zhuǎn)型提升韌性，採用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺與微型控制元件等方案，強(qiáng)化設(shè)備的感知與聯(lián)網(wǎng)能力，再以完整數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)解決產(chǎn)線瓶頸，朝向智慧工廠的藍(lán)圖邁進(jìn)。

工業(yè)自動化、數(shù)位化的議題延燒已久，近年終端產(chǎn)品的晶片需求量大幅成長，同時供應(yīng)鏈?zhǔn)艿揭咔榕c中美貿(mào)易戰(zhàn)的衝擊，包含晶片短缺、關(guān)鍵零組件供貨延遲、工廠缺工或因封城停工，造成手機(jī)與車用等晶片嚴(yán)重缺貨，終端產(chǎn)品減產(chǎn)。供應(yīng)鏈波動帶來的挑戰(zhàn)與機(jī)會，催化半導(dǎo)體與電子製造業(yè)廠商加快智慧化與自動化的腳步，試圖透過智慧化工具提升產(chǎn)業(yè)韌性。

傳統(tǒng)電子廠由提升設(shè)備的感知與通訊能力著手，收集完整的數(shù)據(jù)，用以解決生產(chǎn)問題并進(jìn)一步應(yīng)用建立人工智慧(AI)模型，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端控制、即時修正錯誤等功能，解決原先高度仰賴人力的困境。而半導(dǎo)體製造業(yè)的製程已高度自動化，近期則將周邊支援系統(tǒng)納入數(shù)位化范圍，期望藉此控管成本、建立完整的碳足跡追蹤機(jī)制，以符合國際品牌廠的綠能標(biāo)準(zhǔn)。洛克威爾與恩智浦半導(dǎo)體(NXP)等廠商，便透過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺與微型控制元件等形式，協(xié)助業(yè)界升級數(shù)位化程度，強(qiáng)化工廠面對外部衝擊的應(yīng)變能力。

晶片缺貨2023年趨緩

TrendForce半導(dǎo)體研究處分析師喬安指出，2020~2021年的晶片缺貨潮主要來自于市場上對晶片的蓬勃需求，但是晶圓廠的產(chǎn)能受限，因此供需失衡。2019下半年5G手機(jī)帶動大量的晶片需求，卻在2020年遭遇疫情跟地緣政治的影響，引發(fā)晶片缺貨的現(xiàn)況，使得晶圓廠持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)，以求填補(bǔ)晶片缺口。但是晶圓代工廠擴(kuò)產(chǎn)成熟製程，比較不具備成本效益，因此成熟製程擴(kuò)產(chǎn)計畫受限，直到明確看到市場需求成長，晶圓代工廠才開始規(guī)畫擴(kuò)產(chǎn)，因此可以看到2021擴(kuò)產(chǎn)的計畫集中在中國的華虹跟合肥晶合的90nm跟55nm製程，但是該製程的產(chǎn)品應(yīng)用范圍較少，因此對晶片缺貨幫助有限。

晶片缺貨的緩解，仰賴臺積電、聯(lián)電的成熟製程擴(kuò)產(chǎn)計畫，2022年的擴(kuò)廠計畫集中在臺積電跟聯(lián)電的40nm及28nm製程，對緩解晶片缺貨潮較為有效，不過產(chǎn)線實(shí)際運(yùn)作需要等到在2022下半年到年底，真正產(chǎn)出晶圓須等到2023年，所以2022下半年可能會看到晶片缺貨潮緩解的跡象，但是2023年才能實(shí)際緩解缺貨潮。

從轉(zhuǎn)型方案供應(yīng)商的角度分析，洛克威爾中國臺灣區(qū)半導(dǎo)體/食品飲料/生技工業(yè)自動化業(yè)務(wù)部經(jīng)理李懿庭(圖1)認(rèn)為，2021年全球遇到的供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)，包括晶片及被動元件缺貨、貨運(yùn)不正常等，預(yù)估到2022上半年仍會如此。因?yàn)殡m然中國臺灣地區(qū)疫情趨緩，其他國家的防疫措施也逐漸解封，但是業(yè)界仍處于恐慌搶貨的階段，所以晶片供貨需要等到2022下半年，才會逐步回歸秩序。當(dāng)晶片缺貨潮在2022下半年開始緩解，市場會出現(xiàn)新的供需平衡，建立新的供應(yīng)常態(tài)。

圖1　洛克威爾中國臺灣區(qū)半導(dǎo)體/食品飲料/生技工業(yè)自動化業(yè)務(wù)部經(jīng)理李懿庭

數(shù)位化以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)

當(dāng)供應(yīng)鏈?zhǔn)艿叫n擊，半導(dǎo)體與電子製造業(yè)共同面對人力及供貨的挑戰(zhàn)，亟需透過提升數(shù)位化程度解決。經(jīng)歷疫情下，工廠被迫停工與缺工的窘境，半導(dǎo)體/電子製造業(yè)意識到以人力作業(yè)為主的產(chǎn)線風(fēng)險較高，需要透過機(jī)器人與人力協(xié)同作業(yè)、AR/遠(yuǎn)端控制，盡可能減少現(xiàn)場人力，并且須在人力減少的狀況下，還是要確保能解決產(chǎn)線問題，維持工廠基本的運(yùn)作。而缺料則是供應(yīng)鏈多次遇到的挑戰(zhàn)，若能透過物聯(lián)網(wǎng)平臺整合供應(yīng)商與企業(yè)生態(tài)系，有望緩解缺料的衝擊。

此外，為了提升製造業(yè)面對人力與物料衝擊的韌性，數(shù)位轉(zhuǎn)型是有效的解決方案，然而實(shí)際導(dǎo)入仍須克服數(shù)據(jù)收集及OT資安的議題。部分中國臺灣地區(qū)的電子製造業(yè)工廠完工已久，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)及感測的功能不一，因此資料不易收集，難以透過數(shù)據(jù)分析升級既有的產(chǎn)線。而半導(dǎo)體製造業(yè)雖然產(chǎn)線的自動化設(shè)備完善，製程端的數(shù)據(jù)完整性高，且通訊功能成熟，但是周邊的水氣、電力等支援系統(tǒng)仍使用傳統(tǒng)設(shè)備，在追蹤碳足跡及強(qiáng)化成本管理的需求下，半導(dǎo)體製造業(yè)需要為支援系統(tǒng)建立完整的通訊架構(gòu)。

面對尚未建立完整數(shù)據(jù)的情況，洛克威爾成立智慧製造創(chuàng)造小組，透過概念驗(yàn)證(POC)協(xié)助電子製造業(yè)聚焦，找到數(shù)位轉(zhuǎn)型初期可切入的角度，接著快速建立小型系統(tǒng)并上線測試，藉由來回快速測試與修正，確保小系統(tǒng)符合使用需求，最后將專案擴(kuò)大并應(yīng)用在整體的產(chǎn)線上。此外，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺FactoryTalk InnovationSuite可以跨控制系統(tǒng)與資料庫收集數(shù)據(jù)，整合不同的數(shù)據(jù)來源，為數(shù)位轉(zhuǎn)型建立穩(wěn)固基礎(chǔ)。

微型控制元件實(shí)現(xiàn)即時修正

NXP大中華區(qū)市場行銷經(jīng)理李宜儒(圖2)表示，依照生產(chǎn)流程自動化的進(jìn)程，從純?nèi)肆M(jìn)展到機(jī)器輔助生產(chǎn)，機(jī)器仍須由人工設(shè)定并確認(rèn)成品，但是隨著大量生產(chǎn)的需求不斷成長，人工逐一檢視生產(chǎn)品質(zhì)、確認(rèn)產(chǎn)線問題的情況可能越來越無法符合實(shí)際效益，促使工廠採用產(chǎn)線自動化確保生產(chǎn)品質(zhì)。例如大量生產(chǎn)手機(jī)關(guān)鍵零組件的產(chǎn)線，如果由人力檢查生產(chǎn)品質(zhì)，人力成本高昂，即便抽檢也會因?yàn)樯a(chǎn)數(shù)量增加，而提高檢驗(yàn)成本，因此若能在生產(chǎn)過程中自動把關(guān)品質(zhì)，在產(chǎn)線上發(fā)現(xiàn)異常便自動修正，不但能提高產(chǎn)線效率，也能確保生產(chǎn)品質(zhì)。

圖2　NXP大中華區(qū)市場行銷經(jīng)理李宜儒

在檢查產(chǎn)品的數(shù)量增加且期望控制成本的需求之下，新一代產(chǎn)線必須導(dǎo)入更多技術(shù)，例如透過各類感測元件、影像辨識設(shè)備等，協(xié)助監(jiān)測生產(chǎn)流程是否發(fā)生異常、產(chǎn)品的生產(chǎn)結(jié)果是否正常，而這些感測元件、識別設(shè)備所用的控制元件也因此更加重要，必須滿足前端擷取數(shù)據(jù)傳遞、演算分析，并且將結(jié)果傳遞回產(chǎn)線前端的需求，一旦系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)線異常即可自動排除，藉此確保產(chǎn)線自動化流暢。

隨著影像辨識、人工智慧判斷異常等新技術(shù)導(dǎo)入，微型控制元件仍成為產(chǎn)線自動化發(fā)展重要關(guān)鍵。而面對多元的產(chǎn)線需求，微型控制元件客製化日趨複雜，例如不同產(chǎn)線電路、控制系統(tǒng)均有差異，同時網(wǎng)路連接、安全控制等設(shè)計也有所不同，加上產(chǎn)線自動化與精準(zhǔn)的原物料管理密不可分，因此如何協(xié)助大量的自動化生產(chǎn)降低成本，成為微型控制元件客製設(shè)計的需求之一。

其中NXP應(yīng)用在數(shù)位轉(zhuǎn)型相關(guān)的微型控制元件，包含MPU與MCU的產(chǎn)品組合，例如i.MX8及i.MX RT系列以Arm架構(gòu)處理器設(shè)計更低能耗，以及良好的數(shù)據(jù)連接能力，在自動化對數(shù)據(jù)深度感知、製作流程自動優(yōu)化判斷，或是精準(zhǔn)判斷執(zhí)行能力，藉此免除人工逐一設(shè)定控制，以及排除問題等花費(fèi)時間與人力成本，滿足大量製造的需求。

數(shù)位化朝向AI前進(jìn)

當(dāng)工廠設(shè)備的感知與通訊能力逐漸成熟，搭配微型控制元件串連數(shù)據(jù)，且即時優(yōu)化產(chǎn)線上的生產(chǎn)流程，半導(dǎo)體與電子製造業(yè)數(shù)位化的下一步，是實(shí)現(xiàn)全方位導(dǎo)入AI。立基于完整的數(shù)據(jù)庫，製造業(yè)便能訓(xùn)練AI模型，并將模型用于提升工廠管理效益，增加生產(chǎn)效率與產(chǎn)品品質(zhì)，并且由AI取代部分的人力工作，期望實(shí)現(xiàn)智慧工廠的藍(lán)圖。李懿庭指出，雖然製造業(yè)智慧化仍需要長時間的累積與試錯，但是數(shù)位轉(zhuǎn)型方案供應(yīng)商同樣看好未來AI應(yīng)用在智慧製造的潛能，如洛克威爾已經(jīng)在側(cè)重數(shù)據(jù)收集的前提下，將AI應(yīng)用所需的演算法等基本工具納入物聯(lián)網(wǎng)平臺，可望在協(xié)助半導(dǎo)體與電子製造業(yè)收集數(shù)據(jù)后，進(jìn)一步利用數(shù)據(jù)為產(chǎn)線升級。

產(chǎn)線升級應(yīng)對外部衝擊

整體而言，疫情與中美貿(mào)易戰(zhàn)衝擊電子/半導(dǎo)體製造業(yè)，導(dǎo)致缺料、停工與缺工等問題，混亂的供貨情況需要等到2022下半年至2023年，隨著臺積電與聯(lián)電擴(kuò)充的產(chǎn)能啟動，以及廠商不再恐慌囤貨，缺貨潮才能明顯緩解。雖然疫情逐漸緩解，供應(yīng)鏈仍因恐慌囤貨，導(dǎo)致晶片供不應(yīng)求。同時臺積電與聯(lián)電已有針對成熟製程的擴(kuò)產(chǎn)計畫，但是新增晶圓產(chǎn)出須待2023年才能實(shí)際貢獻(xiàn)產(chǎn)能，因此預(yù)期2023年供應(yīng)鏈將會恢復(fù)穩(wěn)定，并達(dá)到新的供需平衡。

而在供應(yīng)鏈回歸穩(wěn)定前，面對嚴(yán)重的外部因素衝擊，業(yè)界對數(shù)位轉(zhuǎn)型的需求提升，期望藉此增加工廠營運(yùn)的韌性，具備抵抗風(fēng)險的能力。導(dǎo)入數(shù)位化方案并減少對人力的依賴，都有助于提升工廠的生產(chǎn)效率與穩(wěn)定性。

其中洛克威爾以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎(chǔ)，為電子與半導(dǎo)體製造業(yè)跨平臺、控制系統(tǒng)大量收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，再規(guī)畫以完整的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析并解決現(xiàn)有的生產(chǎn)瓶頸。NXP則由微型控制元件切入，試圖滿足多元產(chǎn)業(yè)所需的客製化方案，以低功耗架構(gòu)與通訊能力，優(yōu)化生產(chǎn)流程及排除產(chǎn)線問題。