半導(dǎo)體制造業(yè)面臨可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，包括在精密制造過程中使用大量的水和電；幸運(yùn)的是，數(shù)字化轉(zhuǎn)型可以幫助半導(dǎo)體制造商。

艾默生機(jī)械自動(dòng)化解決方案全球行業(yè)經(jīng)理Manish Sharma 先生在接受美國(guó)CONTROL ENGINEERING 雜志采訪時(shí)談到：半導(dǎo)體制造業(yè)面臨可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，包括在精密制造過程中使用大量的水和電；幸運(yùn)的是，數(shù)字化轉(zhuǎn)型（DX）可以幫助半導(dǎo)體制造商。數(shù)字化轉(zhuǎn)型還有助于半導(dǎo)體制造以外的制造商實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

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您如何看待數(shù)字化轉(zhuǎn)型，

對(duì)半導(dǎo)體制造有何幫助？

數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為大熱門。簡(jiǎn)單地說，就是利用各種可用技術(shù)如自動(dòng)化和數(shù)據(jù)科學(xué)帶來的融合力量來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)，也就是KPI。我們?cè)搅私饪赡苄裕侥軐?shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。推進(jìn)DX 成熟度是一個(gè)漸進(jìn)的過程（見圖1），每個(gè)制造商都必須從適當(dāng)?shù)碾A段開始。這不僅僅是購買控制系統(tǒng)，然后進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換那么簡(jiǎn)單。除了過程控制設(shè)備之外，還必須具備DX思維模式，以及從高管到車間工人各級(jí)人員的配合。

▎圖1：DX旅程的不同階段分別是監(jiān)控、診斷、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和學(xué)習(xí)。由艾默生提供。

行業(yè)接受的路線圖包括通過智能傳感器向智能可編程邏輯控制器（PLC）提供數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)更好的數(shù)字化和數(shù)據(jù)收集。收集的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在云端，也可以使用企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)管理軟件如Emerson Plantweb DataLake 或快速訪問Historian，具體取決于應(yīng)用的規(guī)模。這些數(shù)據(jù)可以通過不同的自定義或現(xiàn)成的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）算法進(jìn)行處理，有助于獲得過程和設(shè)備的見解。邊緣技術(shù)在虛擬化PLC（邊緣控制）或工業(yè) PC（邊緣計(jì)算）上執(zhí)行算法過程，從而就近直接在設(shè)備邊緣提供控制干預(yù)和見解。這些見解可以是關(guān)于過程效率、設(shè)備故障，甚至通過數(shù)字雙胞胎實(shí)現(xiàn)更好的工廠設(shè)計(jì)，甚至可以在部署之前模擬過程。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型幫助高管解決的典型業(yè)務(wù)KPI 包括提高生產(chǎn)以更好地利用資本支出、減少浪費(fèi)以降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，以及不間斷運(yùn)營(yíng)以提高整體設(shè)備效率（OEE）。工廠經(jīng)理更感興趣的是預(yù)測(cè)故障，根據(jù)狀況安排設(shè)備的維護(hù)，而不是基于計(jì)劃的維護(hù)；對(duì)每班產(chǎn)量、庫存控制和其他制造參數(shù)進(jìn)行更確定的控制。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型允許制造系統(tǒng)與企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）集成，從而擁有一個(gè)整體集成的轉(zhuǎn)型系統(tǒng)，包括訂購、庫存管理、生產(chǎn)計(jì)劃和設(shè)備級(jí)別的見解。這允許對(duì)工廠的各個(gè)方面進(jìn)行持續(xù)的整體改進(jìn)，并能夠更好地監(jiān)控和協(xié)調(diào)生產(chǎn)以及其他工廠系統(tǒng)，以確保最佳的工廠性能。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型有助于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展

DX 的一個(gè)重要因素就是其對(duì)可持續(xù)發(fā)展的影響。這一點(diǎn)非常重要，尤其是對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。工廠變得越來越大，才能保持競(jìng)爭(zhēng)力。市場(chǎng)的胃口似乎永不滿足，工廠面臨履行合同義務(wù)、滿足新需求和搶占市場(chǎng)份額的巨大壓力。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的資本支出非常密集。芯片尺寸在納米級(jí)別上較勁。為了提供新一代芯片，設(shè)備變得越來越復(fù)雜。

這些過程使用大量的腐蝕性氣體和超純水的各種混合物，必須滿足進(jìn)行制造的潔凈室的極高標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)電和水的需求非常高。優(yōu)化功耗和再循環(huán)超純水的需求必須滿足。用于潔凈室環(huán)境的HVAC 系統(tǒng)必須非常可靠，以確保潔凈的環(huán)境，并且不會(huì)因雜質(zhì)混入和溫度波動(dòng)而對(duì)在制品造成損害。連接不同子系統(tǒng)并支持廣泛協(xié)議以提供工廠中央視圖的集成監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)也非常重要。

任何規(guī)模的工廠的數(shù)字化轉(zhuǎn)型都有助于應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)和業(yè)務(wù)K P I。艾默生擁有一系列出色的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型解決方案，包括傳感器、閥門、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器、邊緣控制器和運(yùn)行艾默生PACEdge的工業(yè)PC，以及Emerson PlantwebDataLake。EmersonMovicon.NExT SCADA 支持廣泛的協(xié)議和用戶開發(fā)的第三方驅(qū)動(dòng)程序，以提供完全集成的中央監(jiān)控。

▎圖2 ：邊緣計(jì)算可實(shí)現(xiàn)更好的可見性、邏輯、操作和分析。

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半導(dǎo)體工廠的可持續(xù)發(fā)展包括哪些方面？

與其他行業(yè)相比，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的表現(xiàn)如何？

制造一平方英寸的微芯片需要大約46 升超純水。一平方英寸微芯片的用電量約為7.5 kWh。除了水和電之外，該過程還使用到大量的腐蝕性氣體。半導(dǎo)體制造對(duì)電和水的需求如此之高，以至于季節(jié)性干旱會(huì)危及工廠產(chǎn)量。半導(dǎo)體工廠通常消耗相當(dāng)于一個(gè)中等城市每天的用水量。

半導(dǎo)體工廠的可持續(xù)發(fā)展舉措不僅涉及降低成本，還涉及運(yùn)營(yíng)連續(xù)性。隨著技術(shù)變得越來越復(fù)雜，該過程中的電、水和氣的消耗量也在增加。

由于這種運(yùn)營(yíng)連續(xù)性因素，我認(rèn)為與汽車制造、農(nóng)業(yè)等其他資源消耗型傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相比，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在可持續(xù)發(fā)展方面更加積極主動(dòng)。在跟蹤設(shè)備級(jí)別的能耗指標(biāo)、減少原材料浪費(fèi)和其他運(yùn)營(yíng)效率參數(shù)方面大有可為。工廠的數(shù)字化轉(zhuǎn)型程度越高，對(duì)效率的了解就越多。

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半導(dǎo)體制造廠如何跟蹤和降低能耗，

與其他行業(yè)有什么差異？

工廠的能源管理是一個(gè)日益受到關(guān)注的領(lǐng)域。一些制造商真正采用了能源管理原則，而另一些制造商則在他們感到舒適的資源消耗范圍內(nèi)。這在很大程度上與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力有關(guān)。雖然整個(gè)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，但部分產(chǎn)品線表現(xiàn)出寡頭壟斷模式[ 即幾家市場(chǎng)參與者主導(dǎo)市場(chǎng)]。有的可能在內(nèi)存芯片領(lǐng)域擁有強(qiáng)大的市場(chǎng)份額；有的可能在核心處理器領(lǐng)域擁有強(qiáng)大的控制權(quán)，等等。細(xì)分市場(chǎng)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的減少會(huì)減緩變革的速度。

作為一個(gè)資本支出極其密集的行業(yè)，半導(dǎo)體制造商往往不會(huì)“積極創(chuàng)新”，因?yàn)閾?dān)心破壞原有的平衡可能會(huì)遭受重大損失。這類行業(yè)的技術(shù)采用曲線非常謹(jǐn)慎，各種因素促成了發(fā)展。發(fā)展的驅(qū)動(dòng)因素包括政府政策、提高競(jìng)爭(zhēng)力和盈利的壓力，以及設(shè)備原始設(shè)備制造商（OEM）在設(shè)備層面采用新技術(shù)。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)由于消耗的資源規(guī)模巨大，除了擁抱變革和發(fā)展之外，并沒有太多的選擇余地。市場(chǎng)引領(lǐng)者指明了方向。

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增加制造正常運(yùn)行時(shí)間和可用性的策略有哪些，

與全廠OEE 有何關(guān)系？

一切都會(huì)影響制造廠的工廠正常運(yùn)行時(shí)間，包括原材料庫存可用性、設(shè)備級(jí)別的可用性和內(nèi)置系統(tǒng)冗余。

設(shè)備級(jí)別的冗余，每一臺(tái)都要花費(fèi)數(shù)百萬美元，這不是一個(gè)實(shí)用的策略。最好的辦法是提高工廠各個(gè)流程和設(shè)備的累積可用性。從控制系統(tǒng)的角度來看，可以轉(zhuǎn)化為：

1) 高度可用的PLC如EmersonPACSystems，即使在固件和硬件升級(jí)期間也能提供過程連續(xù)性；

2) 邊緣計(jì)算功能， 如支持邊緣的PACSystems PLC 和IPC ；

3) 作為行業(yè)黃金標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)安全PLC，如PACSystems PLC（Archilles 2 級(jí)認(rèn)證，加密通信）；

4) 能源管理解決方案如Emerson MoviconPro.Energy，有助于監(jiān)控資源利用率；

5) Movicon Pro.Lean 用于工廠分析、精益制造、減少浪費(fèi)；

6) MoviconSCADA系統(tǒng)有助于提供中央監(jiān)控、隨時(shí)隨地的警報(bào)調(diào)度，以及高級(jí)報(bào)告生成。

當(dāng)這些控制策略在單個(gè)設(shè)備和過程級(jí)別被采用時(shí)，作為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一部分，有助于提高工廠利用率和OEE。可以開發(fā)自定義邊緣分析應(yīng)用程序如設(shè)備洞察、能源消耗、頻繁故障以及浪費(fèi)和資源利用趨勢(shì)。得出的見解可以進(jìn)一步微調(diào)。正如以前說過，數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一個(gè)過程。

▎圖3 ：簡(jiǎn)化圖展示了一家半導(dǎo)體制造廠的典型解決方案。

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哪些類型的客戶對(duì)這些產(chǎn)品最感興趣？

半導(dǎo)體設(shè)備OEM 會(huì)發(fā)現(xiàn)配備艾默生PACEdge 的IPC 在運(yùn)行相關(guān)核心過程和在設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)邊緣連接方面得心應(yīng)手。這使單個(gè)設(shè)備能夠連接到云端并與其他設(shè)備和過程進(jìn)行交互以獲得更好的結(jié)果。此外，為工廠提供解決方案的電、氣、水OEM 會(huì)對(duì)PACSystems 邊緣解決方案感興趣，以提高生產(chǎn)力，獲得對(duì)設(shè)備和過程的見解。水撬裝設(shè)備O E M 可以使用邊緣控制器和Movicon WebHMI 遠(yuǎn)程管理星羅棋布的車隊(duì)。系統(tǒng)集成商可以在他們提供的系統(tǒng)中包含PACSystems 控制解決方案。

此外，工廠所有者會(huì)發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)一應(yīng)俱全，任君挑選，包括PACSystems、邊緣計(jì)算、變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD）、能源監(jiān)控和SCADA 解決方案，都可以用來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。這些產(chǎn)品是數(shù)字化轉(zhuǎn)型必不可少的，能提供性能、可用性、網(wǎng)絡(luò)安全、向后集成，還有一個(gè)跨解決方案的配置工具包，可以實(shí)現(xiàn)快速切換。

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您認(rèn)為還有哪些方面需要注意？

這需要一個(gè)過程。從建立基礎(chǔ)設(shè)施開始。一定要清楚KPI。將根據(jù)您想要的業(yè)務(wù)見解來開發(fā)應(yīng)用程序。

務(wù)必明智地選擇您的平臺(tái)。您不會(huì)希望最終得到一個(gè)不向后兼容或者說不兼容未來的系統(tǒng)，并為后續(xù)昂貴的升級(jí)買單。

選擇易于配置和易于學(xué)習(xí)的控制系統(tǒng)。隨著事情的進(jìn)展，您的工程師將開發(fā)自定義應(yīng)用程序。您不會(huì)希望系統(tǒng)中采用不同的軟件套件來配置不同的組件。艾默生為所有產(chǎn)品提供了單一的工具鏈，也就是PAC Machine Edition。

系統(tǒng)應(yīng)該是高度可用的，能夠在不停機(jī)的情況下輕松進(jìn)行硬件或軟件遷移。

關(guān)注網(wǎng)絡(luò)安全。隨著萬物互聯(lián)，控制系統(tǒng)應(yīng)該足以阻止任何網(wǎng)絡(luò)攻擊。

與您的OEM 交流以獲得更好的見解，優(yōu)化解決方案的開發(fā)。利用OEM 對(duì)產(chǎn)品利用率的見解來強(qiáng)化控制過程。

審核編輯：劉清