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1、DIGITAL INDUSTRIES SOFTWARE半导体智能制造的数字化转型 应对技术和数字化解决方案带来的机遇和挑战 机遇 3半导体 挑战 5数字化转型 7全面数字孪生、数字主线和左移 8为何从制造开始?9规划、调度和仿真 11执行 12执行 第二部分 14要点总结 15参考文献 172对于有一定经验的人而言,已经学会了如何平稳渡过 半导体行业的供需周期。目前半导体处于需求过剩的 状态,我们面临的一个主要问题是:“情况何时会好转?”我们并没有说这一次不会发生,但一些关键因素有所 不同。需求的多样性电子产品正在进入从个人电脑(PC)和智能手机到汽 车和物联网(IoT)的所有领域。近期的一项
2、预测称,到 2030 年,50%的汽车成本将基于电子产品。1而物 联网市场的规模已经超过 1000 亿美元,到 2027 年 将超过 5000 亿美元。2半导体在这些设备的物料清单 (BOM)中的比例越来越高。3这为半导体的需求提供了 全新的广泛基础。基础设施建设需求的多样性还包括医疗器械、智能城市、国防、5G 和数据中心等重要应用。半导体不仅仅是消费品的配 件,而是日益成为经济支柱的一部分。持续创新创新是永恒不变的追求 半导体行业可以说是最具 创新力的行业之一。通过不断优化处理器、内存和连 接性能,人们开发出了个人电脑和智能手机等标志性 设备。基于提供人工智能(AI)、扩展现实、6G 等功
3、能的芯片的新系统将纷至沓来。40 多年来,摩尔定律 帮助推动了技术的扩展。未来,我们将继续看到 3D 和全环绕栅极(GAA)晶体管以及先进封装技术的性能 和密度得到不断提高。4 半导体 机遇34当然,在寻求发展机遇时,难免会遇到一些挑战。经 过与业内许多高管的沟通往来,我们反复听到两个主 题。复杂性第一个挑战是复杂性激增。您会面临市场复杂性 客户的要求越来越高,更加 期待个性化和定制化的产品和服务。需求和应用的多 样性意味着必须管理一套多样化的需求。您会面临产品复杂性 电子、机械和软件等设计领 域不应再被视为独立的孤岛。现代产品需要多领域解 决方案,使设计能够以整合的方式开始,并在完成后 保持
4、整合。不同的客户推动不同的需求,不同的需求 推动多种制造工艺。我们看到半导体技术出现了分化:处理器和存储器继续推动前沿技术(7 nm 以下),而 系统的其他部分则使用后沿技术。现在,系统集成不 仅需要片上系统(SoC),还需要系统级封装(SiP)。您会面临供应链复杂性 半导体行业日益走向国际 化,原材料几乎来自全球的每个角落。您不仅要担心 原材料和晶圆厂制造,还必须考虑接下来的问题 如何以及在哪里将产品交付到客户的电路板和系统构 建地点。政治环境将半导体行业置于前沿和中心位置,进一步加剧了地理上交通运输的难度。一位业界同仁 对此做了很好的总结:“供应链已经从 80%的计划/20%的意外转为 2
5、0%的计划/80%的意外。”上市时间高管们心目中的第二个主要挑战是上市时间。他们面 临着全新的产品投放压力。产品生命周期正在缩短,这意味必须加快产品更新换代的速度。产品生命周期 的很大一部分盈利能力是在早期实现的,这意味着必 须按时导入新产品。半导体 挑战现代产品需要多领域解决方案,使设计能 够以整合的方式开始,并在完成后保持整 合。5数字化转型的关键在于加速业务活动和流程,战略性地利用技术带来的机遇及影响。6生存需要数字化转型是当今许多行业的一个热门话题,半导体 行业也不例外。思科和其他公司的首席执行官(CEO)已经谈到,为什么说数字化转型不仅仅是锦上添花的 选择,更是一种生存需要。5像过去
6、的变革一样,最终会有赢家和输家。但在这个 数字时代,赢家将获得巨大的回报,而输家将顷刻间 破产消失!概念界定让我们先来了解一下数字化转型的概念界定。正如下 面阿尔伯特 爱因斯坦的这句话所表明的那样,我们 需要从不同的角度看待数字化转型。数字化转型的关键在于加速业务活动和流程,战略性 地利用技术带来的机遇及影响。6数字化转型不仅仅是用数字化流程取代手动流程。它 让企业员工通过数字化工作流充分提升技术投资的价 值。客户对于数字化转型,一个经常被忽视的关键因素是客户。客户的反馈和响应直接影响到持续改进循环中的改进 和调整。数字化转型我们不能用制造问题时的同一水平 思维来解决问题。”阿尔伯特 爱因斯坦
7、7让我们来看看数字化转型中的几个重要概念。数字孪生首先是数字孪生。数字孪生是发生在现实世界中的实 际过程、产品或服务的虚拟模型。7在半导体设计领域,数字孪生已被用于仿真和验证芯片设计几十年有余,旨在摘下“皇冠上的明珠”第一次即生产出正确 的产品。这包括正确的工艺能力,因为一个晶圆厂的 工艺设计套件(PDK)可能在另一个晶圆厂无法使用。而且,数字孪生不是静态的 它不断被现实世界的 数据所更新。数字主线当将一个以上的数字孪生编织在一起时,就得到了整 个企业的数字主线。借助产品生命周期的数字主线,企业能够随时随地大规模地设计和构建,同时释放对 快速产品和流程优化的洞察。它有助于连接产品整个 生命周期
8、的所有阶段设计、制造、测试、鉴定和 向客户交付产品后的管理。左移大家都听说过,时间就是金钱。这就是左移概念背后 的前提。越早验证产品,越早验证制造工艺,成果就 越好。在产品生命周期中,早期的更改和投资成本通 常比后期的要低,更改起来也较为容易。全面数字孪生、数字主线和左移8数字化转型需要在整个组织内实施,但必须从某个阶 段开始。为什么制造是一个很好的切入点?缺乏资源和组织阻力在捷普公司近期关于数字化转型相关挑战的调查中,出现了一些共同的主题:缺乏资源(包括资金和技能)以及组织对更改的阻力。8大家都喜欢点球成金中 的一幕,当时奥克兰运动家队的总经理(GM)正试图 说服他的员工,根据分析,他们需要
9、关注那些拥有良 好上垒率的球员。这是一个关于组织阻力的有力例证。凝聚团队克服这些资源和阻力挑战的其中一个最佳方法就是解 决重大问题生产线上经常存在的问题。比如操作 员错误多、周期时间竞争力不足、产量提高速度慢或 利用率低。如果高管们看到有潜力解决公司痛点,就 会积极寻找资源和团队来拥抱数字化解决方案。交付底线成果制造环境中的另一个好的切入点是交付底线成果的能 力。一位业界同仁表示,晶圆厂加工通常占半导体成 本的 80%以上。每个项目都必须提供投资回报(ROI)。制造项目的优势在于能够更轻松地量化成果,并发挥 杠杆效应解决一个重大制造问题之后,可能会在 多个产品上看到结果,而随着时间的推移,结果
10、将保 持一致。所有这些都意味着更高的投资回报。为何从制造开始?910内容、时间、地点、方式和规模让我们深入探讨半导体制造,首先来看规划和调度。规划和调度的一个核心要素是回答关键问题,比如构 建的内容、时间、地点、方式和规模。如今,许多晶 圆厂仍然使用静态模型甚至电子表格进行产能规划。特别是当晶圆厂的技术数量增加时,可能会导致数据 不准确,进而造成延误、收入下降,并错失机遇。但数字孪生可实现高保真仿真,优化吞吐量,助力企 业实现长足发展。半导体晶圆厂盈利能力的其中一个 最大驱动力是利用率。9利用率与需求(保持晶圆厂 满负荷生产)和效率(减少安装、设置和其他停机时 间)有关。数字孪生模型能够让您加
11、载预测数据,确 保签订近期和长期订单的能力,并利用历史和预测数 据做出资本支出决策。请记住,不同的客户可推动多个制造流程,反之亦然。如果您能管理多个流程和多种复杂性,就能增强自身 能力,吸引和留住更多客户。管理更改管理更改的复杂性意味着能够不断优化物料和资源。这意味着要处理受限环境中的实际操作所带来的优 先事项和冲突。当然,如果不能在车间快速、准确和 可靠地执行,所有这些规划和调度都将徒劳无功。规划、调度和仿真规划和调度的一个核心要素是回答关键问 题,比如构建的内容、时间、地点、方式和规模。11接下来就到了执行阶段。在执行阶段,我们希望实现 规划和调度阶段所设想的收益。自动化实现这一收益的关键
12、是自动化。一家半导体晶圆厂可 能有多达 1400 个工艺步骤。10自动化是工业 4.0 的 关键基石,有助于推动实现极高的利用率、效率和灵 活性。11 在晶圆厂中实施自动化,有时感觉像是对资源和时间 的无休止消耗。像任何数字化项目一样,重要的是确 保制定一个明确的实施愿景您想实现哪些开箱即 用的应用、您的路线图是什么样子的?同样,管理更改也很重要半导体晶圆厂的生产场 所经常发生变动,其中的设备也在不断地添加或删除。当务之急是拥有合适的自动化系统,能够提供这种水 平的晶圆厂和设备灵活性。质量与可靠性汽车、医疗、航空航天和国防等行业的多样化应用推 动了对质量与可靠性的日益关注。由于人类安全可能 取
13、决于单个芯片的性能,因此我们必须了解关于该芯 片的所有信息,从它的制造地点和它来自晶圆的哪一 部分,到它在晶圆厂中进行的中间测试结果。国际标 准化组织(ISO)的标准,如关于功能安全的 26262,要求从需求定义到验证和确认一直到最后的测试和鉴 定都要有可追溯性。12硅光子学是一个快速增长的领域,应用于高性能计算、传感器和数据中心。它利用了大量半导体制造技术,可从半导体数字化解决方案的灵活性、自动化、质量 与可靠性中获得巨大优势。执行在晶圆厂中实施自动化,有时感觉像是对 资源和时间的无休止消耗。像任何数字化 项目一样,重要的是确保制定一个明确的 实施愿景。1213后端集成这一切远不止于晶圆厂。
14、晶圆厂加工和后端封装之间 的界限正在模糊。晶圆厂正在采用硅通孔(TSV)和晶 圆级扇出等工艺步骤。半导体封装测试服务(SAT)正 在投资一些简单版本的晶圆加工步骤,如蚀刻和沉积,并进行混合键合晶圆的面对面连接。高级分析功能数字化转型催生了一个新说法:数据就是新石油。但是,只有当知道如何提取知识和洞察以帮助推动行动时,数据才能真正发挥价值。半导体晶圆厂,特别是通过 工业物联网(IIoT)技术连接的晶圆厂,会产生大量 的数据。关键是要明确如何收集、存储、处理并最终 分析数据,以提取描述性信息(发生了什么)、预测性 信息(将发生什么)和规范性信息(我应该做什么)?执行 第二部分14后沿晶圆厂我们看到
15、半导体行业开始出现分化现象。前沿 300 mm 晶圆厂已经投资于高级规划和调度(APS)以及制造执 行系统(MES)。但是,许多 200 mm 和更小的后沿晶 圆厂仍有很大的机会可以利用数字化解决方案。在过 去,老牌晶圆厂因为无法确定投资回报,不愿意进行 基础设施投资,仅针对具体的需求信号进行战术性和 增量资本投资。需求的多样性和推动早期技术发展的 长期前景,例如互联设备的射频(RF)解决方案、自 动驾驶车辆的激光雷达传感器、基站的电源设备等,现在正为投资面向制造的高级规划、调度、MES 和质 量数字化解决方案提供动力。基于与业界同仁的讨论,我们得知许多 200 mm 晶圆厂缺乏相应的自动化设
16、备 来增强其制造执行系统。老牌晶圆厂应抓住这一重要 机遇,消除操作员输入错误,并获取整体设备效率 (OEE)数据。我们看到新的后沿晶圆厂如雨后春笋般 出现,这当然意味着他们可以进行投资,而无需考虑 老旧系统。封装与测试另一个数字化升级时机成熟的领域是封装与测试。我 们提到了封装复杂性正在增长,特别是当公司希望将 前沿和后沿芯片集成在单一封装中。与后沿晶圆厂一 样,SAT 也不愿意投资,但为了谋求生存发展,必须 要转变观念。先进封装正在推动封装测试场所中新的 可追溯性要求。要点总结15整个企业和供应链的互联互通为了充分利用在老牌晶圆厂和 SAT 中实施智能半导体 制造的优势,您需要将上游和下游解
17、决方案相结合。这正是 PLM 系统的用武之地。全面的 PLM 系统在半 导体公司中还没有过使用记录,但这种情况正在发生 转变。PLM 系统有能力打破孤岛,并集成端到端数据。例如,一些客户可能拥有许多封装测试场所,它们使 用相同的设备,但可能都不具备运行相同产品的资格。PLM 系统能够支持开发,并向所有场所分发合格的工 艺过程清单(BOP)。另一个驱动力与需求的多样性有关。汽车、航空航天 和国防等行业很早就开始使用 PLM 系统。半导体制造 商因与之互动更加密切,也开始注意到 PLM 系统的所 有优势和功能从作为一个单一数据源到在数据管 理、修订控制、质量等方面开发的所有功能和能力。13总而言之
18、,现在是半导体行业发展的大好时代!PLMERPMaterial and ResourceManagement SimulationAdvanced Planning and SchedulingManufacturing AnalyticsBill of ProcessMES 16参考文献1.Placek,Martin,“Automotive electronics cost as a percentage of total car cost worldwide from 1970 to 2030,”Statista,February 2022.2.Wegner,Philipp;“Global
19、 IoT market size grew 22%in 2021 these 16 factors affect the growth trajectory to 2027,”IOT Analytics,March 2022.3.DAC 2021 Joe Sawicki Keynote Siemens,2021.4.“Fueling innovation we love and depend on,”Intel Corporation,2022.5.Chambers,John;“40%of companies will be dead in ten years,”McKinsey,Novemb
20、er 2019.6.Digital Transformation Siemens,2022.7.Digital Twin,Siemens 2022.8.“Biggest barriers to digital transformation and how to overcome them,”Jabil,2022.9.Bauer,Harald;Burkacky,Ondrej;Lingemann,Stephanie;Pototzky,Klaus;Kenevan,Peter;Wiseman,Bill;“Semiconductor design and manufacturing:Achieving
21、leading-edge capabilities,”McKinsley,August 2020.10.“Chipmakers Are Ramping Up Production to Address Semiconductor Shortage.Here s Why that Takes Time,”Semiconductor Industry Association,February 2021.11.Johnson,Clint;“A guide to modern factory automation and Industry 4.0 in manufacturing,”August 20
22、20.12.Murphy,Bernard;“Traceability and ISO 26262,”November 2021.13.CIM Data;“Modernization of PLMAccelerating Innovation,”November 2020.作者简介:弗拉姆 阿基基(Fram Akiki)是 Joun Technologies 总裁,该公司是一家专 注于数字化转型和智能互联战略的咨询集团。他在电子和半导体行业拥有 超过 35 年的经验,在西门子、高通和 IBM 担任过高管职务。弗拉姆拥有 克拉克森大学的电子和计算机工程学士学位,以及佛蒙特大学的电子工程 硕士学位和
23、国际商务硕士学位。他撰写了多篇白皮书,持有用于物联网市场 的 RFID/蜂窝连接专利,而且在克拉克森大学和加州大学兼任讲师。17关于 Siemens Digital Industries SoftwareSiemens Digital Industries Software 不断推动数字化企业转型,让工 程、制造业和电子设计遇见未来。西门子数字化工业软件的软硬件 和服务全面集成式产品系列,可助力各种规模的企业打造全面数字 孪生,带来新的洞察、新的改进机遇和新的自动化水平,让技术创 新如虎添翼。如需了解有关 Siemens Digital Industries Software 产品 和服务的详细信息,请访问 或关注我们的领英、推特、脸书和照片墙帐号。美洲:1 800 498 5351欧洲、中东及非洲地区:00 800 70002222亚太地区:001 800 03061910如需其他地区电话号码,请单击此处。2022 Siemens.可在此处查看相关西门子商标列表。其他商标属于其各自 持有方。84758-D5-ZH 11/22 LOC