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1、DIGITAL INDUSTRIES SOFTWARE半導體智能制造的數字化轉型 應對技術和數字化解決方案帶來的機遇和挑戰 機遇 3半導體 挑戰 5數字化轉型 7全面數字孿生、數字主線和左移 8為何從制造開始？9規劃、調度和仿真 11執行 12執行 第二部分 14要點總結 15參考文獻 172對于有一定經驗的人而言，已經學會了如何平穩渡過 半導體行業的供需周期。目前半導體處于需求過剩的 狀態，我們面臨的一個主要問題是：“情況何時會好轉？”我們并沒有說這一次不會發生，但一些關鍵因素有所 不同。需求的多樣性電子產品正在進入從個人電腦(PC)和智能手機到汽 車和物聯網(IoT)的所有領域。近期的一項

2、預測稱，到 2030 年，50%的汽車成本將基于電子產品。1而物 聯網市場的規模已經超過 1000 億美元，到 2027 年 將超過 5000 億美元。2半導體在這些設備的物料清單 (BOM)中的比例越來越高。3這為半導體的需求提供了 全新的廣泛基礎?；A設施建設需求的多樣性還包括醫療器械、智能城市、國防、5G 和數據中心等重要應用。半導體不僅僅是消費品的配 件，而是日益成為經濟支柱的一部分。持續創新創新是永恒不變的追求 半導體行業可以說是最具 創新力的行業之一。通過不斷優化處理器、內存和連 接性能，人們開發出了個人電腦和智能手機等標志性 設備?；谔峁┤斯ぶ悄?AI)、擴展現實、6G 等功

3、能的芯片的新系統將紛至沓來。40 多年來，摩爾定律 幫助推動了技術的擴展。未來，我們將繼續看到 3D 和全環繞柵極(GAA)晶體管以及先進封裝技術的性能 和密度得到不斷提高。4 半導體 機遇34當然，在尋求發展機遇時，難免會遇到一些挑戰。經 過與業內許多高管的溝通往來，我們反復聽到兩個主 題。復雜性第一個挑戰是復雜性激增。您會面臨市場復雜性 客戶的要求越來越高，更加 期待個性化和定制化的產品和服務。需求和應用的多 樣性意味著必須管理一套多樣化的需求。您會面臨產品復雜性 電子、機械和軟件等設計領 域不應再被視為獨立的孤島?，F代產品需要多領域解 決方案，使設計能夠以整合的方式開始，并在完成后 保持

4、整合。不同的客戶推動不同的需求，不同的需求 推動多種制造工藝。我們看到半導體技術出現了分化：處理器和存儲器繼續推動前沿技術（7 nm 以下），而 系統的其他部分則使用后沿技術?，F在，系統集成不 僅需要片上系統(SoC)，還需要系統級封裝(SiP)。您會面臨供應鏈復雜性 半導體行業日益走向國際 化，原材料幾乎來自全球的每個角落。您不僅要擔心 原材料和晶圓廠制造，還必須考慮接下來的問題 如何以及在哪里將產品交付到客戶的電路板和系統構 建地點。政治環境將半導體行業置于前沿和中心位置，進一步加劇了地理上交通運輸的難度。一位業界同仁 對此做了很好的總結：“供應鏈已經從 80%的計劃/20%的意外轉為 2

5、0%的計劃/80%的意外?！鄙鲜袝r間高管們心目中的第二個主要挑戰是上市時間。他們面 臨著全新的產品投放壓力。產品生命周期正在縮短，這意味必須加快產品更新換代的速度。產品生命周期 的很大一部分盈利能力是在早期實現的，這意味著必 須按時導入新產品。半導體 挑戰現代產品需要多領域解決方案，使設計能 夠以整合的方式開始，并在完成后保持整 合。5數字化轉型的關鍵在于加速業務活動和流程，戰略性地利用技術帶來的機遇及影響。6生存需要數字化轉型是當今許多行業的一個熱門話題，半導體 行業也不例外。思科和其他公司的首席執行官(CEO)已經談到，為什么說數字化轉型不僅僅是錦上添花的 選擇，更是一種生存需要。5像過去

6、的變革一樣，最終會有贏家和輸家。但在這個 數字時代，贏家將獲得巨大的回報，而輸家將頃刻間 破產消失！概念界定讓我們先來了解一下數字化轉型的概念界定。正如下 面阿爾伯特 愛因斯坦的這句話所表明的那樣，我們 需要從不同的角度看待數字化轉型。數字化轉型的關鍵在于加速業務活動和流程，戰略性 地利用技術帶來的機遇及影響。6數字化轉型不僅僅是用數字化流程取代手動流程。它 讓企業員工通過數字化工作流充分提升技術投資的價 值?？蛻魧τ跀底只D型，一個經常被忽視的關鍵因素是客戶?？蛻舻姆答伜晚憫苯佑绊懙匠掷m改進循環中的改進 和調整。數字化轉型我們不能用制造問題時的同一水平 思維來解決問題?！卑柌?愛因斯坦

7、7讓我們來看看數字化轉型中的幾個重要概念。數字孿生首先是數字孿生。數字孿生是發生在現實世界中的實 際過程、產品或服務的虛擬模型。7在半導體設計領域，數字孿生已被用于仿真和驗證芯片設計幾十年有余，旨在摘下“皇冠上的明珠”第一次即生產出正確 的產品。這包括正確的工藝能力，因為一個晶圓廠的 工藝設計套件(PDK)可能在另一個晶圓廠無法使用。而且，數字孿生不是靜態的 它不斷被現實世界的 數據所更新。數字主線當將一個以上的數字孿生編織在一起時，就得到了整 個企業的數字主線。借助產品生命周期的數字主線，企業能夠隨時隨地大規模地設計和構建，同時釋放對 快速產品和流程優化的洞察。它有助于連接產品整個 生命周期

8、的所有階段設計、制造、測試、鑒定和 向客戶交付產品后的管理。左移大家都聽說過，時間就是金錢。這就是左移概念背后 的前提。越早驗證產品，越早驗證制造工藝，成果就 越好。在產品生命周期中，早期的更改和投資成本通 常比后期的要低，更改起來也較為容易。全面數字孿生、數字主線和左移8數字化轉型需要在整個組織內實施，但必須從某個階 段開始。為什么制造是一個很好的切入點？缺乏資源和組織阻力在捷普公司近期關于數字化轉型相關挑戰的調查中，出現了一些共同的主題：缺乏資源（包括資金和技能）以及組織對更改的阻力。8大家都喜歡點球成金中 的一幕，當時奧克蘭運動家隊的總經理(GM)正試圖 說服他的員工，根據分析，他們需要

9、關注那些擁有良 好上壘率的球員。這是一個關于組織阻力的有力例證。凝聚團隊克服這些資源和阻力挑戰的其中一個最佳方法就是解 決重大問題生產線上經常存在的問題。比如操作 員錯誤多、周期時間競爭力不足、產量提高速度慢或 利用率低。如果高管們看到有潛力解決公司痛點，就 會積極尋找資源和團隊來擁抱數字化解決方案。交付底線成果制造環境中的另一個好的切入點是交付底線成果的能 力。一位業界同仁表示，晶圓廠加工通常占半導體成 本的 80%以上。每個項目都必須提供投資回報(ROI)。制造項目的優勢在于能夠更輕松地量化成果，并發揮 杠桿效應解決一個重大制造問題之后，可能會在 多個產品上看到結果，而隨著時間的推移，結果

10、將保 持一致。所有這些都意味著更高的投資回報。為何從制造開始？910內容、時間、地點、方式和規模讓我們深入探討半導體制造，首先來看規劃和調度。規劃和調度的一個核心要素是回答關鍵問題，比如構 建的內容、時間、地點、方式和規模。如今，許多晶 圓廠仍然使用靜態模型甚至電子表格進行產能規劃。特別是當晶圓廠的技術數量增加時，可能會導致數據 不準確，進而造成延誤、收入下降，并錯失機遇。但數字孿生可實現高保真仿真，優化吞吐量，助力企 業實現長足發展。半導體晶圓廠盈利能力的其中一個 最大驅動力是利用率。9利用率與需求（保持晶圓廠 滿負荷生產）和效率（減少安裝、設置和其他停機時 間）有關。數字孿生模型能夠讓您加

11、載預測數據，確 保簽訂近期和長期訂單的能力，并利用歷史和預測數 據做出資本支出決策。請記住，不同的客戶可推動多個制造流程，反之亦然。如果您能管理多個流程和多種復雜性，就能增強自身 能力，吸引和留住更多客戶。管理更改管理更改的復雜性意味著能夠不斷優化物料和資源。這意味著要處理受限環境中的實際操作所帶來的優 先事項和沖突。當然，如果不能在車間快速、準確和 可靠地執行，所有這些規劃和調度都將徒勞無功。規劃、調度和仿真規劃和調度的一個核心要素是回答關鍵問 題，比如構建的內容、時間、地點、方式和規模。11接下來就到了執行階段。在執行階段，我們希望實現 規劃和調度階段所設想的收益。自動化實現這一收益的關鍵

12、是自動化。一家半導體晶圓廠可 能有多達 1400 個工藝步驟。10自動化是工業 4.0 的 關鍵基石，有助于推動實現極高的利用率、效率和靈 活性。11 在晶圓廠中實施自動化，有時感覺像是對資源和時間 的無休止消耗。像任何數字化項目一樣，重要的是確 保制定一個明確的實施愿景您想實現哪些開箱即 用的應用、您的路線圖是什么樣子的？同樣，管理更改也很重要半導體晶圓廠的生產場 所經常發生變動，其中的設備也在不斷地添加或刪除。當務之急是擁有合適的自動化系統，能夠提供這種水 平的晶圓廠和設備靈活性。質量與可靠性汽車、醫療、航空航天和國防等行業的多樣化應用推 動了對質量與可靠性的日益關注。由于人類安全可能 取

13、決于單個芯片的性能，因此我們必須了解關于該芯 片的所有信息，從它的制造地點和它來自晶圓的哪一 部分，到它在晶圓廠中進行的中間測試結果。國際標 準化組織(ISO)的標準，如關于功能安全的 26262，要求從需求定義到驗證和確認一直到最后的測試和鑒 定都要有可追溯性。12硅光子學是一個快速增長的領域，應用于高性能計算、傳感器和數據中心。它利用了大量半導體制造技術，可從半導體數字化解決方案的靈活性、自動化、質量 與可靠性中獲得巨大優勢。執行在晶圓廠中實施自動化，有時感覺像是對 資源和時間的無休止消耗。像任何數字化 項目一樣，重要的是確保制定一個明確的 實施愿景。1213后端集成這一切遠不止于晶圓廠。

14、晶圓廠加工和后端封裝之間 的界限正在模糊。晶圓廠正在采用硅通孔(TSV)和晶 圓級扇出等工藝步驟。半導體封裝測試服務(SAT)正 在投資一些簡單版本的晶圓加工步驟，如蝕刻和沉積，并進行混合鍵合晶圓的面對面連接。高級分析功能數字化轉型催生了一個新說法：數據就是新石油。但是，只有當知道如何提取知識和洞察以幫助推動行動時，數據才能真正發揮價值。半導體晶圓廠，特別是通過 工業物聯網(IIoT)技術連接的晶圓廠，會產生大量 的數據。關鍵是要明確如何收集、存儲、處理并最終 分析數據，以提取描述性信息（發生了什么）、預測性 信息（將發生什么）和規范性信息（我應該做什么）？執行 第二部分14后沿晶圓廠我們看到

15、半導體行業開始出現分化現象。前沿 300 mm 晶圓廠已經投資于高級規劃和調度(APS)以及制造執 行系統(MES)。但是，許多 200 mm 和更小的后沿晶 圓廠仍有很大的機會可以利用數字化解決方案。在過 去，老牌晶圓廠因為無法確定投資回報，不愿意進行 基礎設施投資，僅針對具體的需求信號進行戰術性和 增量資本投資。需求的多樣性和推動早期技術發展的 長期前景，例如互聯設備的射頻(RF)解決方案、自 動駕駛車輛的激光雷達傳感器、基站的電源設備等，現在正為投資面向制造的高級規劃、調度、MES 和質 量數字化解決方案提供動力?；谂c業界同仁的討論，我們得知許多 200 mm 晶圓廠缺乏相應的自動化設

16、備 來增強其制造執行系統。老牌晶圓廠應抓住這一重要 機遇，消除操作員輸入錯誤，并獲取整體設備效率 (OEE)數據。我們看到新的后沿晶圓廠如雨后春筍般 出現，這當然意味著他們可以進行投資，而無需考慮 老舊系統。封裝與測試另一個數字化升級時機成熟的領域是封裝與測試。我 們提到了封裝復雜性正在增長，特別是當公司希望將 前沿和后沿芯片集成在單一封裝中。與后沿晶圓廠一 樣，SAT 也不愿意投資，但為了謀求生存發展，必須 要轉變觀念。先進封裝正在推動封裝測試場所中新的 可追溯性要求。要點總結15整個企業和供應鏈的互聯互通為了充分利用在老牌晶圓廠和 SAT 中實施智能半導體 制造的優勢，您需要將上游和下游解

17、決方案相結合。這正是 PLM 系統的用武之地。全面的 PLM 系統在半 導體公司中還沒有過使用記錄，但這種情況正在發生 轉變。PLM 系統有能力打破孤島，并集成端到端數據。例如，一些客戶可能擁有許多封裝測試場所，它們使 用相同的設備，但可能都不具備運行相同產品的資格。PLM 系統能夠支持開發，并向所有場所分發合格的工 藝過程清單(BOP)。另一個驅動力與需求的多樣性有關。汽車、航空航天 和國防等行業很早就開始使用 PLM 系統。半導體制造 商因與之互動更加密切，也開始注意到 PLM 系統的所 有優勢和功能從作為一個單一數據源到在數據管 理、修訂控制、質量等方面開發的所有功能和能力。13總而言之

18、，現在是半導體行業發展的大好時代！PLMERPMaterial and ResourceManagement SimulationAdvanced Planning and SchedulingManufacturing AnalyticsBill of ProcessMES 16參考文獻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.作者簡介：弗拉姆 阿基基(Fram Akiki)是 Joun Technologies 總裁，該公司是一家專 注于數字化轉型和智能互聯戰略的咨詢集團。他在電子和半導體行業擁有 超過 35 年的經驗，在西門子、高通和 IBM 擔任過高管職務。弗拉姆擁有 克拉克森大學的電子和計算機工程學士學位，以及佛蒙特大學的電子工程 碩士學位和

23、國際商務碩士學位。他撰寫了多篇白皮書，持有用于物聯網市場 的 RFID/蜂窩連接專利，而且在克拉克森大學和加州大學兼任講師。17關于 Siemens Digital Industries SoftwareSiemens Digital Industries Software 不斷推動數字化企業轉型，讓工 程、制造業和電子設計遇見未來。西門子數字化工業軟件的軟硬件 和服務全面集成式產品系列，可助力各種規模的企業打造全面數字 孿生，帶來新的洞察、新的改進機遇和新的自動化水平，讓技術創 新如虎添翼。如需了解有關 Siemens Digital Industries Software 產品 和服務的詳細信息，請訪問 或關注我們的領英、推特、臉書和照片墻帳號。美洲：1 800 498 5351歐洲、中東及非洲地區：00 800 70002222亞太地區：001 800 03061910如需其他地區電話號碼，請單擊此處。2022 Siemens.可在此處查看相關西門子商標列表。其他商標屬于其各自 持有方。84758-D5-ZH 11/22 LOC