隨著AI數(shù)位科技提供前瞻技術(shù)，加上工業(yè)4.0的趨勢帶動，全球半導(dǎo)體廠房已經(jīng)從「自動化」轉(zhuǎn)向「智動化」，面對嚴(yán)苛的製程挑戰(zhàn)，工廠智動化後可以依靠大數(shù)據(jù)分析，找出提升製程良率的關(guān)鍵點(diǎn)。

1993年臺灣半導(dǎo)體產(chǎn)值首次超越電腦產(chǎn)業(yè)，成為科技龍頭。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈大分上中下游：上游為IP設(shè)計(jì)及IC設(shè)計(jì)業(yè)；中游為IC製造、晶圓製造、生產(chǎn)製程檢測設(shè)備、光罩、化學(xué)品等業(yè)；下游為IC封裝測試、生產(chǎn)製程檢測設(shè)備、零組件、IC模組、IC通路等業(yè)。其中又以晶圓廠為大宗，如臺積電便是全球規(guī)模最大的晶圓代工廠。

半導(dǎo)體廠從自動化走向智動化！

然而，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨嚴(yán)重人才短缺問題，臺積電處長張孟凡及聯(lián)發(fā)科資深副總經(jīng)理陸國宏均指出，臺灣理工人才供給逐年減少，尤其IC設(shè)計(jì)面對的衝擊最大。建議臺灣應(yīng)從改善教育資源分配著手，加強(qiáng)培養(yǎng)人才，同時引進(jìn)外籍人才，避免廠商惡意挖腳，此外，宜審酌外商補(bǔ)貼策略，避免優(yōu)秀人才流失。

相較於人才培育，廠房自動化及數(shù)位轉(zhuǎn)型應(yīng)該是更快達(dá)到成效的解決方案。事實(shí)上，早在工業(yè)4.0提出之前，全球半導(dǎo)體廠房早已朝自動化靠攏。工廠自動化主要是利用電腦輔助設(shè)計(jì)(CAD)和電腦輔助製造(CAM)系統(tǒng)，在中央電腦系統(tǒng)的管理下進(jìn)行各項(xiàng)工作。透過網(wǎng)路整合電腦技術(shù)、感測技術(shù)、自動化設(shè)備、機(jī)器人等環(huán)節(jié)，達(dá)到降低人力需求的目的。管理階層只要利用最少人力就能掌握即時數(shù)據(jù)，管控現(xiàn)場設(shè)備及生產(chǎn)線，從物料管理、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工製造、銷售及售後服務(wù)都能透過自動化達(dá)到提高產(chǎn)品效能與良率的多贏綜效。

後來，隨著AI數(shù)位科技提供前瞻技術(shù)，加上工業(yè)4.0的趨勢帶動，全球半導(dǎo)體廠房已經(jīng)從「自動化」轉(zhuǎn)向「智動化」，面對嚴(yán)苛的製程挑戰(zhàn)，工廠智動化後可以依靠大數(shù)據(jù)分析，找出提升製程良率的關(guān)鍵點(diǎn)，每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)與設(shè)備可以獨(dú)立運(yùn)作，透過互聯(lián)網(wǎng)、感測監(jiān)控、人機(jī)協(xié)作彼此串聯(lián)，操作人員可以隨時監(jiān)控周遭環(huán)境、增加生產(chǎn)線靈活度，也能即時排除問題。以臺積電廠房為例，已經(jīng)可以做到晶圓下線到出貨的所有流程都由機(jī)臺處理，完全自動化。

圖1 : 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈。(source：產(chǎn)業(yè)價值鏈資訊平臺)

半導(dǎo)體廠房進(jìn)化論：臺積電的三階段數(shù)位轉(zhuǎn)型

臺積電創(chuàng)辦人張忠謀特別強(qiáng)調(diào)「動員」精神，除了落實(shí)全面資源管理，也強(qiáng)調(diào)動態(tài)優(yōu)化資源配置，在臺積電數(shù)位轉(zhuǎn)型的三階段中，這樣的精神也充分融入其中。

臺積電的數(shù)位轉(zhuǎn)型歷經(jīng)三階段：2000-2012年期間的「擬人化階段」讓電腦及設(shè)備學(xué)習(xí)人類做法，推動企業(yè)流程再造並且提升組織效率；2012-2015年期間的「無人化階段」則是透過自動化系統(tǒng)取代人力，同時整合電子化企業(yè)與供應(yīng)鏈，善用大數(shù)據(jù)蒐集與分析數(shù)據(jù)，成為虛擬晶圓廠；2016年之後的「超人化階段」則是整合大數(shù)據(jù)、人工智慧等新興技術(shù)，提升決策智慧、知識管理的品質(zhì)與生產(chǎn)效率。以臺積電12吋晶圓廠來說，第一階段導(dǎo)入全自動化後的生產(chǎn)力較8吋晶圓廠提升約3倍之多，第二階段提升逾60%，第三階段再提升近20%。

臺積電從「自動化」到「智動化」的過程並非一步到位，光是三階段數(shù)位轉(zhuǎn)型就歷經(jīng)十餘年時間，遑論其中牽扯的企業(yè)組織與管理思維調(diào)整與再造。事實(shí)上，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的數(shù)位轉(zhuǎn)型不僅是將資料或作業(yè)數(shù)位化，還需導(dǎo)入AI與各種數(shù)位科技，比方透過AI概念下的機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning；ML），根據(jù)蒐集而來的大量數(shù)據(jù)建模推測，找出最佳解以改善效能。

以大數(shù)據(jù)分析為例，臺積電自2000年起即投入資料分析，應(yīng)用於機(jī)臺控制、機(jī)臺健康、機(jī)臺生產(chǎn)力、品管及人員生產(chǎn)力等範(fàn)疇，有效提高晶圓良率，節(jié)省機(jī)臺匹配放行時間至少50%。

自動化或智動化廠房也少不了感測器、5G傳輸、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、機(jī)器人協(xié)作，甚至數(shù)位分身（Digital Twin）等技術(shù)相互支援。5G的高速傳輸與低延遲性可以使機(jī)器之間的溝通與協(xié)作更為順暢，有效完成各種指令操作；ML系統(tǒng)可以透過自我學(xué)習(xí)，自動調(diào)整製作流程甚至排除異狀，無需人力介入。

AI及ML的運(yùn)算可以使業(yè)務(wù)部門、供應(yīng)鏈管理與工廠生產(chǎn)部門的設(shè)備控制與品管等流程迅速且緊密配合，有助規(guī)劃合適的生產(chǎn)計(jì)畫；數(shù)位分身可以在資訊化平臺或系統(tǒng)的虛擬空間中打造類比實(shí)物，還可以提供實(shí)體產(chǎn)品上無法測試計(jì)算的數(shù)據(jù)。

新一代智慧製造指標(biāo)工廠：燈塔工廠

導(dǎo)入AI、ML、物聯(lián)網(wǎng)、感測器、大數(shù)據(jù)分析搭配人機(jī)協(xié)作是半導(dǎo)體智慧製造的必然趨勢，不僅能解決人力短缺問題，產(chǎn)能吃緊時也能透過自動化與智動化的力量維持競爭優(yōu)勢。近年來，隨著AI、雲(yún)端與自動化技術(shù)不斷演進(jìn)，智慧製造正走向下一個關(guān)鍵階段：永續(xù)與節(jié)能減碳，新一代智慧製造指標(biāo)工廠—燈塔工廠為半導(dǎo)體廠房的自動化、智動化或數(shù)位轉(zhuǎn)型帶來另一項(xiàng)挑戰(zhàn)，也帶來新的維運(yùn)模式。

「全球燈塔工廠（Global Lighthouse Network）」評選標(biāo)準(zhǔn)包含自動化、數(shù)位化、大數(shù)據(jù)分析、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5G等數(shù)位科技建置以及運(yùn)用成熟度，燈塔工廠利用AI人工智慧、3D列印等工業(yè)4.0技術(shù)，大規(guī)模提升效率與競爭力，保護(hù)環(huán)境，轉(zhuǎn)變商業(yè)模式，同時增強(qiáng)勞動力能力。截至2023年1月，全球已有132家「燈塔工廠」。臺灣的日月光半導(dǎo)體高雄先進(jìn)晶圓級封裝廠也入選燈塔工廠，目前共有18座廠入選。相較於傳統(tǒng)IC晶片封裝，晶圓級先進(jìn)封裝製程超過100道，為簡化製造流程並優(yōu)化生產(chǎn)，日月光在整個運(yùn)營過程規(guī)劃佈署工業(yè)4.0技術(shù)，將AI人工智慧技術(shù)應(yīng)用於製程，提升良率與生產(chǎn)排程的正確性，產(chǎn)能因此增加67%，訂單交期縮短39%。

圖2 : 日月光將AI人工智慧技術(shù)應(yīng)用於工廠製程，提升良率與生產(chǎn)排程的正確性。（Source：日月光）

全球半導(dǎo)體龍頭英飛凌（Infineon）亞太地區(qū)的第一座燈塔工廠位於新加坡，廠內(nèi)大幅應(yīng)用AI人工智慧、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，即時的OT數(shù)據(jù)監(jiān)控可以清楚掌握機(jī)臺效率與生產(chǎn)狀況，而且廠內(nèi)大量運(yùn)用AGV與機(jī)器人材料管理系統(tǒng)，實(shí)踐物料搬運(yùn)自動化，生產(chǎn)班次得以連續(xù)運(yùn)行30天以上，每秒晶片產(chǎn)量逾3萬片。除了減少能源與資源浪費(fèi)，如此運(yùn)作還有助英飛凌因應(yīng)市場需求，快速調(diào)整產(chǎn)線，達(dá)到少量、多樣化的生產(chǎn)目的，廠房的直接人工成本降低約30%，資本效率則提高約15%。此外，英飛凌也大量運(yùn)用數(shù)位孿生技術(shù)打造全球虛擬工廠，提升跨國多站點(diǎn)的數(shù)據(jù)連接管理效率，能以更靈活的方式回應(yīng)客戶需求。

英飛凌執(zhí)行長Jochen Hanebeck表示，英飛凌在全球大規(guī)模減碳與數(shù)位化的趨勢下，正透過擴(kuò)大產(chǎn)能加速發(fā)展，並將半導(dǎo)體產(chǎn)能應(yīng)用於可再生能源、資料中心和電動車等領(lǐng)域。英飛凌未來將強(qiáng)化推動減碳和數(shù)位化半導(dǎo)體製程及產(chǎn)品，如節(jié)能充電系統(tǒng)、小型汽車電機(jī)控制單元、資料中心和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，至於功率半導(dǎo)體對於節(jié)能和智慧系統(tǒng)解決方案也將有所助益。

2023年初，英飛凌已於德國德勒斯登建造新的智慧化12吋晶圓廠，這座晶圓廠也將大量使用包含人工智慧、物聯(lián)網(wǎng)等最新環(huán)保技術(shù)，可望成為同類型中對環(huán)境最友善的製造廠房之一，預(yù)計(jì)2026年完工。

圖3 : 英飛凌於德勒斯登興建智慧功率半導(dǎo)體廠。（Source：英飛凌）

自動化與數(shù)位轉(zhuǎn)型 造福協(xié)作型機(jī)器人

市調(diào)公司Reportlinker預(yù)估，全球工業(yè)控制與工廠自動化市場規(guī)模將從2018年的1,600億美元增長至2024年的2,695億美元，年複合成長率達(dá)9.08%。不論半導(dǎo)體廠房如何智動化或數(shù)位轉(zhuǎn)型，未來可與人類互動的協(xié)作型機(jī)器人的使用率必然大幅增加。富士經(jīng)濟(jì)（Fuji Keizai）報(bào)告預(yù)估，至2025年，全球協(xié)作型機(jī)器人的市場規(guī)模將達(dá)2,150億日圓，是2020年的3倍之多。

德州儀器(TI)行銷資深副總裁Keith Ogboenyiya指出，透過機(jī)器學(xué)習(xí)及先進(jìn)感測技術(shù)，可以讓協(xié)作型機(jī)器人安全地與人類並肩工作，承擔(dān)危險(xiǎn)、重複性高和漸趨複雜的任務(wù)。這些協(xié)作型機(jī)器人正在改變組裝產(chǎn)線的風(fēng)景，甚至可能帶動工業(yè)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型，未來，結(jié)合人類與協(xié)作型機(jī)器人的勞動力新組合將會大幅提升營運(yùn)效率。以半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，該產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)將持續(xù)帶動馬達(dá)控制、感測與工業(yè)通訊技術(shù)等方面的進(jìn)步，也都有協(xié)作型機(jī)器人可以發(fā)揮之處，可以在工廠廠區(qū)與人類近距離合作。

Keith Ogboenyiya認(rèn)為，半導(dǎo)體?業(yè)正帶動次世代機(jī)器人轉(zhuǎn)型，走向自主性高、體積小、敏捷度與學(xué)習(xí)效率更高、電源能力管理更佳的發(fā)展方向，而且更能靈活運(yùn)用於廠房或產(chǎn)線上。當(dāng)機(jī)器人外型尺寸改良後，更多電子零件可以置入越來越小的設(shè)計(jì)單元裡，無須犧牲電源效率或精準(zhǔn)度；更好的電子技術(shù)允許產(chǎn)品整合更多處理及智慧功能，使機(jī)器人可以自主運(yùn)作，無須透過雲(yún)端或中央處理器（CPU）下達(dá)指令或者進(jìn)行操控；先進(jìn)的感測技術(shù)能協(xié)助協(xié)作型機(jī)器人偵測人員及其動作，如德儀的工業(yè)毫米波（mmWave）創(chuàng)新技術(shù)就能透過攝影機(jī)搭配毫米波技術(shù)，協(xié)助機(jī)器人完成安全協(xié)同工作的任務(wù)。希望攝影機(jī)、感測器與機(jī)器人本機(jī)處理引擎之間達(dá)到前述通訊效果，半導(dǎo)體的高速連網(wǎng)與處理功能是關(guān)鍵。

此外，機(jī)器學(xué)習(xí)有助協(xié)作型機(jī)器人「教導(dǎo)」其他機(jī)器人，透過本機(jī)連線或直接連結(jié)雲(yún)端的方式分享學(xué)習(xí)資訊。不過，前述應(yīng)用與改變得以順利運(yùn)作，前提是工廠必須確保電源管理維持高效率，效率越高，協(xié)作型機(jī)器人的靈活度就越高，這部分也是需要克服的挑戰(zhàn)。

結(jié)語

半導(dǎo)體廠房的智慧製造之路還在持續(xù)進(jìn)行中，由於製程特性，須留意各項(xiàng)細(xì)節(jié)。工業(yè)電腦大廠研華科技指出，由於黃光、蝕刻、擴(kuò)散等半導(dǎo)體製程對環(huán)境變化相當(dāng)敏感，需要透過完整的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)才能加速推動智慧製造，因此，半導(dǎo)體廠內(nèi)的傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施需要加裝感應(yīng)器、伺服器等智慧裝置，才能即時監(jiān)控與管理。

圖4 : 研華EI-52採用英特爾第11代邊緣智慧系統(tǒng)，配備邊緣X API和WISE-Device On。(source:研華)

此外，半導(dǎo)體廠也須整合周邊裝置資料才能導(dǎo)入更多智慧應(yīng)用，而各項(xiàng)周邊裝置搜集到的資料必須符合半導(dǎo)體廠標(biāo)準(zhǔn)資料通訊格式SECS/GEM。至於推動AI相關(guān)數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用則是半導(dǎo)體廠智慧化最重要的環(huán)節(jié)，強(qiáng)大運(yùn)算能力至關(guān)重要。

當(dāng)AI、大數(shù)據(jù)、聯(lián)網(wǎng)、雲(yún)端及運(yùn)算功能讓半導(dǎo)體廠房變得更智慧，資安風(fēng)險(xiǎn)也相對變高，軟硬體的效能與防毒性同樣不可忽視。研華微型邊緣智能系統(tǒng)「Ei-52」即具備多I/O埠，內(nèi)建WISE-DeviceOn軟體具備遠(yuǎn)端控制與維護(hù)功能，而且整合系統(tǒng)備份Acronis與防毒軟體McAfee，可以快速還原及阻擋惡意程式攻擊，大幅減少設(shè)備當(dāng)機(jī)可能導(dǎo)致的產(chǎn)線停擺風(fēng)險(xiǎn)，穩(wěn)定度高，能滿足半導(dǎo)體對產(chǎn)線資料採集的要求，還能將不同設(shè)備機(jī)臺所產(chǎn)生的資料都轉(zhuǎn)換為SECS/GEM，再由Ei-52將資料傳送到半導(dǎo)體廠資料庫。

美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會（SIA）調(diào)查：若臺灣一整年無法製造晶片，全球電子產(chǎn)業(yè)的營收將損失近5,000億美元。雖然是2年前的調(diào)查，突顯的是臺灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要性，不論是自動化、智動化還是燈塔工廠，臺灣半導(dǎo)體廠房的數(shù)位化進(jìn)程唯有加速向前，才能繼續(xù)保持全球領(lǐng)先地位。