半导体产业眼中的工业4.0

朝向智能工厂转型的工业4.0及其所需的技术，为半导体制造商以及实现成功提供了庞大的潜力。

目前，经常被称为“工业4.0”(Industry 4.0)或是德国所称的‘Industrie 4.0’典范转移正在进行中。在国际间的使用习惯上，(工业)物联网(Industrial IoT)、智能工厂或是虚实整合(生产)系统等专有名词通常都可以互换用于代表同一件事情。工业4.0意指工业价值链及其产品朝向数位化与网路化发展的全球趋势。

工业4.0的高度发展(特别是在德国)，绝非仅仅发生在商业世界。工业4.0因为其对于经济带来的冲击，例如进一步地发展德国制造业的竞争力，因而也受到政治面的驱动。在这样的氛围之下，政府官员开始推动一项结合供应商与使用者公司观点的双重策略，主要着眼于工业自动化以及工厂设计。为此，对于制造商来说，重要的是将最新技术用于其生产制程中，以及将这些技术与产品推广到市场上。

从主导供应商的角度而言，资讯或通讯技术与典型高科技方案的整合，主要是用来扩展生产部门以及其技术。为了实现如此的扩展，必须满足由于市场动态与复杂度日益升高而出现的先决条件。从制造商的观点来看，设计出适合新市场并且在往后可以服务这些市场的智能技术与产品十分重要。因应供应商与制造商的需求，公司需要有能够因应这两种观点的策略。举例来说，半导体产业的公司就很擅长采用这些双重策略。

许多半导体制造商都能处理这种复杂的概念，将自家生产线转型为全自动化的智能工厂，例如Analog Devices (ADI)。此外，这些制造商也为同属制造领域的其他公司提供了创新的技术，协助将其制造设施转换成智能工厂。因此，中小型企业在此扮演了重要角色，因为他们是德国工业的主要组成(比重超过98%)。究竟，工业4.0实际的支援类型为何，半导体制造商面对的挑战，以及它将带来什么样的机会，这些问题都会在文中逐一探讨。

公司必须决定其制造设施是否要转型成智能工厂，而其所代表的则可能是无意义的努力，或者是以相应地成本降低实际提升生产力。

为了找到这些关键问题的答案，多家市场研究公司已经进行大量的研究了。他们都得到了相同的结论：工业4.0将会对中小型企业提供附加价值，而企业也应该抓住相关机会，借以巩固其公司的成功。特别是对于半导体制造商而言，其研究的结果可以分成三个部份：新技术、新产品的提供以及新事业模式。这三个方面结合起来就涵盖了生产及其产品的整体价值链——起始于传感器节点，透过云端，然后到达下游服务。

就转型至智能工厂而言，在智能化以及节能产品方面有着强制性的需求，或者甚至是可以透过简单的方法(例如即插即用)整合至现有生产架构的完全自动化系统。这些系统是由各种半导体元件与传感器，并结合类比与数位讯号处理IC而组成的。价值链从这些元件开始——首先，传感器负责收集来自于现实世界的数据，接着必须在数位领域内转换与处理数据(图1)。

图1：智能工厂的讯号链

新的需求是什么？

随着价值链的发展，市场需求也需要随之改变。这就是为何半导体制造商必须调整自家企业及其产品以因应智能工厂现实之故。技术的趋势正朝着智能化与节能产品，以及整合安全防护与能量采集等功能的方向发展。这样的元件，或是更完整的系统看起来就如图2所示，采用ADI以MEMS为基础的加速度计ADXL356。

ADXL356是一款低成本、低杂讯的三轴加速度计，具有高达±40g的量测范围(FSR)。此元件的关键特点在于具有极低的偏置漂移以及低功率耗损。由于ADXL356采用高度密闭的封装方式，因此特别适合在严苛环境中进行精密的倾斜量测、高解析度的振动量测，以及在低电流或是以电池运作的无线传感器网路中实现高性能(长时间)的测量，例如用于结构健康监测(SHM)、姿态航向参考系统(AHRS)或是其它各种猛然间受到过多力度的应用装置。

ADXL356形成了系统的基础，然后再以更多的功能加以延伸：透过类比数位转换器(ADC)、微控制器，以及各种类比与数位元件，部份绝缘或是支援乙太网路(Ethernet)、6LpoWPAN或ADRadioNet等通讯标准的无线介面，实现整合型讯号处理功能。ADI开发的ADRadioNet通讯标准是一种无线的自愈多点跳跃通讯协定，具有高可扩展性与低记忆体消耗等特性。此外，整合的加密方式像是AES-128与AES-256改善了安全性，以避免可能的网路攻击。最后，功能安全在这些系统的开发过程中扮演了重要的角色，因为这一点在智能工厂架构下也具有相等的重要性。

对于半导体制造商而言，未来若只是延伸其传感器与其它半导体元件的范围是不够的。为了要在市场上被认可为一家全球厂商，以及深入开发工业4.0的完整潜力，现有产品的范围必须要以通讯和低功率微处理器技术予以扩展。例如，ADI为通讯领域提供多个使用HART数据机的解决方案，可利用既有的基础架构，以相当简单的方式改善传统的汇聚型通讯网路，实现其新的节能技术。

图2：以MEMS为基础的智能传感器解决方案

根据市场研究显示，中小企业希望得到制造商与供应商的大力支持，以便更快且更具效率地将新产品整合于其系统中。透过这种方式，企业就可以减少额外的工作，且能持续地专注于其核心事业上。尤其是供应商企业之间的合伙或合作计划，都可以被视为是支援的类型。

因为工业4.0有着许多的优点，许多相关的问题也随之而起，像是为何有许多的企业至今仍未投资打造自家智能工厂？

犹豫的原因

投资的主要障碍之一就是对于智能工厂感受到的非利益因素及其有关的成本。举例来说，由于缺乏货币评估的标准，因此目前想要计算投资率仍然是相当困难的。所以半导体制造商必须提升其客户的认知，并提供能够展现智能工厂优点的教育材料，同时也要指出在投资时所能获得的价值。

然而，投资的进行不能只限于有意愿要将自家设施转型为智能工厂的中小企业。智能化解决方案的供应来源，例如半导体制造商，必须要投资于其产品上，甚至可能要投资于各种事业部门所需的重新建构方面。对于新的技术与事业模式，以及行销活动、资格评估以及销售管理的开发与扩展而言，投资是必要的。

随着生产领域的转型，数据与IT安全等领域的重要性不断地受到重视。这些主题不只是成功导入工业4.0的重要需求而已，还必须持续地实施于数位系统当中，做为关键的接纳与成功的因素。

对于许多公司而言，重要的是在实施工业4.0的早期阶段即设定基本策略课程，以相关技术汇整经验。然而，这个过程需要相当的耐性，因为许多相应技术在5至10年或更长的时间内都还不太可能充份地发挥潜力。因此，工业4.0的实施过程将会需要很长的时间。此外，由于缺乏一套清楚的定义，因此哪一种工业4.0将被完整执行并没有确切的日期。与其讨论工业革命，改用“工业演进”这样的说法还更具意义。

随着生产环境的改变，新的厂商与竞争者也会出现或是影响市场。各种联盟也会随之出现，并将以一种更有意义的方式塑造生产的形象。工业或是企业的未来将越来越不必在工厂内决定。软体与服务领域也将会扮演重要角色，因为只有将虚拟与现实的世界加以连结与合并，才能确保有更强大的生产潜力。

对于企业而言，目前的发展步调显然正加速中，假如错过了这一波大势，往后将很难以再跟上脚步。

因此，企业不再只是把工业4.0当作是一个短暂炒作的话题。同时，目前的市场发展也清楚地显示出业界朝向工业4.0与智能工厂前进之势不可挡。至于缺少标准、缺少安全性、缺乏知识等大问题，显然也就相对地变成小问题了。此外，对于未来生产环境的疑虑也随之减少了。

总而言之，朝向智能工厂转型的工业4.0及其所需的技术，为半导体制造商与其成功提供了庞大的潜力。