半導(dǎo)體行業(yè)眼中的工業(yè)4.0

本文作者是 ADI公司現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師 Thomas Brand

目前，一場(chǎng)頻繁地被稱為工業(yè)4.0（德國稱為Industrie 4.0）的范式轉(zhuǎn)變正在發(fā)生。在國際使用中，像（工業(yè)）物聯(lián)網(wǎng)、智能工廠或信息物理（生產(chǎn)）系統(tǒng)這樣的術(shù)語都指代相同的東西，它們常?？梢曰Q使用。工業(yè)4.0指的是工業(yè)價(jià)值鏈及其產(chǎn)品轉(zhuǎn)向數(shù)字化與聯(lián)網(wǎng)的全球趨勢(shì)。

特別地，在德國工業(yè)4.0不僅僅在商業(yè)界具有高知名度，。由于其經(jīng)濟(jì)影響，工業(yè)4.0也受到政治推動(dòng)，例如進(jìn)一步發(fā)展德國制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。在這種情況下，政府官員正在推動(dòng)一種將供應(yīng)商視角和用戶公司視角結(jié)合起來的雙重戰(zhàn)略，主要領(lǐng)域是工業(yè)自動(dòng)化和工廠工程。為此，制造商必須將最新技術(shù)用于自己的生產(chǎn)過程，另一方面還要將這些技術(shù)和產(chǎn)品投向市場(chǎng)。

從主導(dǎo)供應(yīng)商的角度來看，信息或通信技術(shù)與傳統(tǒng)高科技方法的整合主要是為了擴(kuò)展生產(chǎn)部門及其技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這一擴(kuò)展，需要滿足不斷增強(qiáng)的市場(chǎng)動(dòng)能和市場(chǎng)復(fù)雜性所產(chǎn)生的先決條件。從制造企業(yè)的角度來看，重要的是為新市場(chǎng)設(shè)計(jì)智能技術(shù)和產(chǎn)品，并相應(yīng)地為這些市場(chǎng)服務(wù)。為了滿足供應(yīng)商和制造商的需求，企業(yè)需要兼顧這兩種視角的戰(zhàn)略。例如，半導(dǎo)體行業(yè)中的公司就很擅長(zhǎng)運(yùn)用此類雙重戰(zhàn)略。

如ADI公司等半導(dǎo)體制造商正在消化這個(gè)復(fù)雜的概念，將自己的生產(chǎn)線轉(zhuǎn)變成全自動(dòng)智能工廠。此外，這些制造商還向制造業(yè)中的其他公司提供創(chuàng)新技術(shù)，幫助他們將其制造設(shè)施改造成智能工廠。因此，中小企業(yè)便被賦予了一個(gè)重要角色，它們占德國工業(yè)企業(yè)絕大部分（超過98%）。可能獲得什么樣的支持，半導(dǎo)體制造商面臨哪些挑戰(zhàn)，以及工業(yè)4.0會(huì)帶來哪些機(jī)會(huì)——這些問題將在下文進(jìn)行探討。

企業(yè)需要判斷，將其生產(chǎn)設(shè)施轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芄S是徒勞無益的努力，還是會(huì)真正提高生產(chǎn)率并降低成本。

為了找到以下關(guān)鍵問題的答案，許多市場(chǎng)研究公司進(jìn)行了大量研究。他們都得出了同樣的結(jié)論：工業(yè)4.0將為中小企業(yè)提高附加值，它們應(yīng)該抓住相關(guān)機(jī)會(huì)以鞏固公司的成功。尤其是對(duì)半導(dǎo)體制造商來說，研究結(jié)果可分為三個(gè)方面：新技術(shù)、新產(chǎn)品和新商業(yè)模式。所有這三個(gè)方面一起涵蓋了生產(chǎn)及其產(chǎn)品的整個(gè)價(jià)值鏈——從傳感器節(jié)點(diǎn)開始經(jīng)云端再到下游服務(wù)。

Figure 1. Signal chain of a smart factory.

圖1.智能工廠信號(hào)鏈

為實(shí)現(xiàn)智能工廠轉(zhuǎn)型，必須提供智能和節(jié)能產(chǎn)品，或者說完全自主的系統(tǒng)，它們可以很簡(jiǎn)單地集成到現(xiàn)有生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中（例如即插即用）。這些系統(tǒng)由各種半導(dǎo)體器件和傳感器組成，并與模擬和數(shù)字信號(hào)處理IC相結(jié)合。價(jià)值鏈從這些器件開始：首先，傳感器負(fù)責(zé)從真實(shí)的物理世界收集數(shù)據(jù)，之后將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再在數(shù)字領(lǐng)域中進(jìn)行處理（見圖1）。

新需求有哪些？

隨著價(jià)值鏈的發(fā)展，市場(chǎng)需求將需要改變。這就是為什么半導(dǎo)體制造商必須將自己的企業(yè)和產(chǎn)品適應(yīng)智能工廠的現(xiàn)實(shí)原因。技術(shù)趨勢(shì)正朝著智能節(jié)能產(chǎn)品以及集成安全安保功能和能源采集能力方向發(fā)展。在圖2中顯示了一個(gè)器件或者說一個(gè)完整的系統(tǒng)，其中以ADI公司基于MEMS的加速度計(jì)ADXL356為例。

ADXL356是一款低成本、低噪聲、3軸加速度計(jì)，測(cè)量范圍可達(dá)±40 g （FSR）。該器件的主要特性是超低失調(diào)漂移和低功耗。由于其密封封裝，ADXL356特別適合惡劣環(huán)境條件下的精確傾斜測(cè)量，高分辨率振動(dòng)測(cè)量，以及低電流或電池供電無線傳感器中的高性能（長(zhǎng)時(shí)間）測(cè)量，適用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）、姿態(tài)和航向參考系統(tǒng)（AHRS）或其他具有突然過大作用力的應(yīng)用等。ADXL356是構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并且可以通過其他功能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展：利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器以及各種模擬、數(shù)字（部分隔離）或無線接口集成信號(hào)處理，支持以太網(wǎng)、6LpoWPAN或ADRadioNet等通信標(biāo)準(zhǔn)。ADRadioNet是由ADI公司開發(fā)的通信標(biāo)準(zhǔn)，其特點(diǎn)是采用無線自愈式多跳頻的通信協(xié)議，具有高擴(kuò)展性，且內(nèi)存消耗低。此外，它還集成加密方法（例如AES-128和AES-256）可阻止可能的網(wǎng)絡(luò)攻擊，提高了安全性。最后但同樣重要的是，功能安全在這些系統(tǒng)的開發(fā)過程中起著重要作用，因?yàn)檫@對(duì)智能工廠而言也非常重要。

對(duì)于半導(dǎo)體制造商來說，未來僅擴(kuò)充傳感器和其他半導(dǎo)體器件的品種是不夠的。為了成為市場(chǎng)上的全球性玩家，以及充分發(fā)掘工業(yè)4.0的潛力，其現(xiàn)有產(chǎn)品范圍必須通過通信和低功耗微處理器技術(shù)加以擴(kuò)展?？紤]到這一點(diǎn)，ADI公司已經(jīng)在其產(chǎn)品組合中提供了相關(guān)解決方案。例如在通信領(lǐng)域，有多種采用HART?調(diào)制解調(diào)器的解決方案。通過使用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施來實(shí)現(xiàn)新的節(jié)能技術(shù)，這些HART解決方案能夠以相當(dāng)簡(jiǎn)單的方式改進(jìn)傳統(tǒng)擁擠不堪的通信網(wǎng)絡(luò)。

Figure 2. MEMS-based smart sensor solution.

圖2.基于MEMS的智能傳感器解決方案

市場(chǎng)研究還顯示，中小型企業(yè)希望得到制造商和供應(yīng)商的大力支持，以便更快更有效地將新產(chǎn)品集成到其系統(tǒng)中。通過這種方式，企業(yè)可以減少額外的工作量，繼續(xù)聚焦于其核心業(yè)務(wù)。具體說來，供應(yīng)商和企業(yè)之間的合作或協(xié)同努力便屬于支持類型。

雖然工業(yè)4.0有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是現(xiàn)在的問題是為什么許多企業(yè)尚未投資于智能工廠？

猶豫的原因

投資的主要障礙之一是企業(yè)還沒有認(rèn)識(shí)到智能工廠會(huì)帶來利益，故不愿付出相關(guān)成本。例如，由于缺乏貨幣化評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，目前要計(jì)算投資率仍然相當(dāng)困難。因此，半導(dǎo)體制造商必須提高客戶的意識(shí)，提供教育資料以說明智能工廠的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)指出投資智能工廠會(huì)獲得的價(jià)值。

但是，不僅僅是有興趣將自己的設(shè)施變成智能工廠的中小企業(yè)需要進(jìn)行投資，像半導(dǎo)體制造商之類的智能解決方案提供商也必須投資于自己的產(chǎn)品，可能的話還需要重組其各個(gè)業(yè)務(wù)部門。這些投資對(duì)于新技術(shù)和商業(yè)模式，以及開發(fā)和拓展?fàn)I銷活動(dòng)、資格認(rèn)定措施、銷售管理都是必要的。

隨著生產(chǎn)部門的轉(zhuǎn)型，數(shù)據(jù)和IT安全等領(lǐng)域會(huì)一再發(fā)揮重要作用。這些方面不僅僅是成功引入工業(yè)4.0的重要需求，而且還應(yīng)該作為關(guān)鍵的成功要素持續(xù)地貫徹到數(shù)字系統(tǒng)中。

對(duì)于企業(yè)來說，重要的是要在開始實(shí)施工業(yè)4.0的早期階段制定基本戰(zhàn)略路線，收集相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。然而，這個(gè)過程需要耐心，因?yàn)樵S多相關(guān)技術(shù)可能要經(jīng)過5年、10年甚至更長(zhǎng)時(shí)間才能充分展現(xiàn)其潛力。因此，工業(yè)4.0的實(shí)施過程將需要很長(zhǎng)時(shí)間。而且，由于缺乏明確的定義，工業(yè)4.0將于何時(shí)完全實(shí)現(xiàn)并沒有一個(gè)確切日期。與其談?wù)摗肮I(yè)革命”，不如使用“工業(yè)演進(jìn)”可能更有意義。

隨著生產(chǎn)環(huán)境的改變，新的參與者和競(jìng)爭(zhēng)者也將出現(xiàn)或影響市場(chǎng)。聯(lián)盟即將出現(xiàn)，并會(huì)對(duì)塑造生產(chǎn)形象產(chǎn)生重大影響。在未來的工業(yè)或企業(yè)廠房中，人會(huì)越來越少。軟件和服務(wù)業(yè)也將發(fā)揮重要作用，因?yàn)橹挥袑⑻摂M與現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)系并融合起來才能提供巨大的生產(chǎn)潛力。

很明顯，對(duì)于企業(yè)來說，正在加速當(dāng)前的發(fā)展步伐，如果錯(cuò)失機(jī)會(huì)，他們將很難趕上。

因此，企業(yè)不再相信工業(yè)4.0是暫時(shí)的炒作。與此同時(shí)，目前的市場(chǎng)清楚地顯示出工業(yè)4.0和智能工廠不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。而對(duì)于缺少標(biāo)準(zhǔn)、缺乏安全性、知識(shí)不足等方面的最大問題正在變得越來越小。此外，關(guān)于未來生產(chǎn)環(huán)境的困惑也在減少。

總之，工業(yè)4.0智能工廠的轉(zhuǎn)型以及其所需的技術(shù)，為半導(dǎo)體制造商創(chuàng)造了巨大的可能和成功。