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半导体

英飞凌:工业4.0的底层架构师

有着20多年半导体从业经历的苏华博士加入英飞凌公司的第二个月,就在德国遇见了参加汉诺威消费电子展的中国国务院副总理马凯和工信部部长苗圩,马凯副总理希望这家德国最大的半导体公司能为中国制造业多做些事情。

7月1日,苏华博士被任命为英飞凌中国有限公司总裁兼执行董事,负责公司在中国市场的整体业务运营和战略规划。两个多月后,在英飞凌上海总部,苏华接受《中国电子报》记者采访时提到与马凯副总理相见之事仍难掩兴奋。

“英飞凌作为一家德国公司,说实话,我不觉得支持‘中国制造2025’对我们的生意有多大影响。当然了我们可以多卖点芯片,但这是微不足道的,最主要的是中国领导人希望我们不要只是在中国卖芯片,要帮助中国企业,这是使命。”

9月22日的采访主题定为半导体与“中国制造2025”。在采访中,苏华博士更习惯用德国的工业4.0来描述半导体技术和产业在其中的作用。他认为,“中国制造2025”和德国工业4.0都是信息技术与制造技术的深度融合所带来的。制造业数字化、网络化和智能化,都是国家长期发展战略。

英飞凌作为德国工业4.0执行和指导委员会初创成员,不仅仅是一家卖芯片的企业,而且在工业4.0相关规则和标准的制定中发挥着极其关键的作用,提供领先的半导体产品和解决方案。

半导体在现实世界和虚拟世界的互联中扮演着重要角色,保证了数据的安全交换,英飞凌作为一家半导体芯片公司,在工业4.0理念中起着底层架构师的作用。

英飞凌已经把工业4.0的概念付诸了实践,其在德国德累斯顿晶圆工厂已经实现了无纸化、自动化,所有零部件全程可追溯以及拥有高效的工厂间物流。这种工业4.0所带来的零缺陷、高效率的价值在中国无锡工厂也开始实践。

在接受《中国电子报》记者采访3天后,苏华博士领取了无锡市政府颁发的“物联网十大应用示范”匾额——英飞凌安全芯片后道工序智能制造,无锡工厂可能就是英飞凌帮助中国制造业转型升级的一个切入点。

无锡工厂,实践中的工业4.0

在无锡新区,一座装饰古朴的办公楼外及附近数座厂房,就是英飞凌无锡工厂所在地。20年前,当时仍隶属于西门子公司的英飞凌即在投资建设了这座芯片后道加工厂,20条自动化封装生产线向全球市场供应包括电子护照、安全智能卡芯片在内的产品。

英飞凌无锡智能卡后道封装测试工厂于2014年9月进行了数字化、网络化、智能化改造,目前正朝着工业4.0迈进。

10月8日,无锡工厂车间内的人员很少,一排排整齐排列的设备之间,只有少数几名工作人员在来回走动,监视着各种仪表内显示的数字。

这是《中国电子报》记者采访时最深的印象。这里没有其他工厂必不可少的、大摞的交接单据,所有的设备都已经联网,所有的信息都已实现数字化传输,电子化处理。

在现场演示中,记者见到一名操作员来到机器前,系统自动确认该操作员是否经过了适当的培训认证,从而决定其可否操作机台。

针对机器是否可以生产当前产品,以及机器的关键参数和部件是否适用于当前产品,系统将进行自动确认并对关键参数进行实时监控和管理。

通过对生产材料自带的二维码进行扫描,系统将自动控制材料的储存、领用、使用、过期控制、报废和确认材料是否在正确的时间和正确的机器上被用于生产正确的产品。

在工艺流程方面,系统将自动根据当前产品和机器型号下载相关程序和参数,使流程系统实现自动化。

在先进的智能自动化生产环境下,英飞凌无锡后道工厂实现了100%%的材料和产品制造可追踪性,生产周期缩短了近一半,通过生产自动化和人机料法的自动验证,减少制程出错和人为失误50%%。

在无锡工厂,英飞凌采取的是标准化的工作组织模式:产品制造流程的简化可以管理和控制复杂系统的装配和测试;大数据分析和控制技术可以实现过程控制;产品质量异常预警可以提高设备维护性,使生产周期缩短50%%。

“整个制造流程可以实现无纸化,所有制造因素和产品工艺参数实现100%%可追溯,生产排单效率可以提高25%%,设备综合利用率将提高11%%。”崔松是英飞凌无锡工厂的一位车间主管,向记者介绍了工业4.0的意义他可以触摸到的实践。

“英飞凌已经在工厂的智能化建造以及运作上积累了很多的经验,不仅可以为工业4.0以及工业智能化的应用提供相应的产品和解决方案,也可以提供许多经验以供参考,无锡工厂将是一个很好的示范案例。”苏华说。

实际上,英飞凌有自己的半导体前道和后道工厂,已经实现了不同国家工厂间的无缝水平价值链集成,并集成了部分供应商和客户。无锡工厂践行了零缺陷理念制造的核心理念,统筹优化“人机料法”,不仅提高质量也减少了浪费。

智能制造中的三角联盟

无锡工厂的工业4.0示范意义对英飞凌非常重大,苏华认为无锡工厂智能制造模式完全可以在中国其他工厂进行复制,但这些工作并不是英飞凌来做。

英飞凌作为一家半导体芯片设计、生产制造商,把半导体芯片分成了前道工艺和后道的封装测试,就前道工序来看,几乎所有的半导体芯片工厂达到了高度的自动化、智能化,几乎接近工业4.0的标准,比如英飞凌在德国德累斯顿的300毫米和200毫米的晶圆工厂,100%%实现了自动化,完全依靠机器人操作。

“无锡工厂作为半导体芯片生产的后道工序,实现智能化制造具有强烈的首创意义。”苏华说,“无锡工厂的智能制造模式,与其他制造行业比较类似,既然是国家政府认定的示范项目,当然我们希望其他企业来参观,把我们经验、实施方案让他们看。”

但是,当参观学习的企业希望英飞凌帮助其进行工厂智能化改造时,苏华则拒绝了。

“因为这不是我们的核心竞争力,也不是英飞凌的生意模式。我们希望能够找一些合作伙伴,其经营模式是专注于帮助工厂实现自动化、智能化,我们只是知道在半导体生产前道、后道怎么去实现工业4.0,而对诸如重工业如何实现就不太熟悉了,但无锡智能工厂的实施方案则可以复制。”苏华说。

英飞凌无意成为服务提供商,后者是为制造企业提供智能工厂系统解决方案的公司,或者侧重了IT技术支撑,或者侧重于自动化设备。

苏华把系统集成公司看作为联盟关系——制造企业、系统集成公司、半导体公司三方组成了智能制造稳定的三角联盟,前两者应该都是英飞凌的客户。

在智能制造三角联盟概念里,英飞凌没有想靠这个赚钱,讲的俗点,并不把它作为赢利方式。但它们会以顾问的形式与三角联盟中的其他两个伙伴合作,最后由它们去实施执行。

“在无锡智能工厂的实践中我们总结出,当三角联盟的关系确定后,英飞凌可以做两件事情:一是帮助中国制造企业尽快走向智能制造;二是可以帮助中国培养很多合作伙伴,在各个行业培养出在自动化、智能化系统管理上真正有特长的公司。”苏华说。

智能工厂的“4M法则”

高速运转的工业云端服务器将一条条载有不同需求的订货信息进行汇总、筛选、分类、转送;流水线上各种各样的原材料、零部件被发往不同机台,机器人凭借二维码或电子标签进行准确的抓取与加工,然后再送往下一道工序;传感器则采集各种信息,通过工业以太网进行传输,不同节点的处理器对数字化信息进行分析处理,判断生产进度和设备运行状况……

这里描绘的是一幅未来制造工厂的图景。在这里机器可以自己预估正常维护所需的材料,可以适应客户需求调整生产计划,机器与机器之间可以相互沟通配合,无需工作人员进行过多干预。这种生产模式完全适应了个性化制造与按需生产的要求,并与大规模、批量化制造完美结合,将进一步提升生产效率,降低无效工作。

上面描述的是工业4.0的美好愿景,但工业4.0本身也是一个渐进过程:更多地实现工厂自动化,各行业横向和纵向更深入地互相融合,中央控制向分散智能控制的转变,以及大数据的分析应用。

英飞凌把工业4.0定义成四个层次的管理系统:现场管理、控制层、管理层和企业层。

“英飞凌主要在现场控制层提供半导体产品和解决方案,包括像传感器、微控制器、功率半导体、安全半导体芯片等。在外围也提供一些方案,包括自己做的和跟合作伙伴一起做的,主要是为了满足标准化。”苏华说。

那么,英飞凌又是如何在自己的工厂里实现工业4.0的呢?

苏华把它总结为“4M法则”:人(Man)、机(Machine)、料(Material)、法(Method),即4M。人,即通过自动检查培训和认证确保合格人员操作机器并追踪;机,是通过设备状态的自动监控和基于产品的参数自动调整,确保利用率和柔性;料,是100%%物料使用追踪和高效利用;法,是基于产品的制程程序的自动下载和参数调整,减少人为失误。

“人机料法”四大要素通过后台系统实现人与机器、机器与机器对话,从而实现智能生产控制。在过去分别由单一的系统进行管控,整个执行过程全部依靠纸张和人员进行人为手动进行控制,往往一个小小的人为操作失误就会引起大量的物料或产品报废和客户投诉。

无锡工厂将“人机料法”有机地结合在了一起,通过内部后台系统集成取代了纸张和人为参与,系统自动记录了产品的整个生产过程并自动地生成报告,工程师只要通过报告就可以清楚地了解到在整个过程中谁在哪个机台,哪个工序,什么时间使用什么材料和工具生产了当前产品,从而实现了生产过程的可追踪性、可控制性,生产制程的自动化、智能化,以及产品质量的实时在线管控。

“人机料法是在工业生产过程中的核心要素,整个生产制造都是围绕着它们展开的。英飞凌无锡厂的智能化改造就是围绕着它们进行的。事实上,所谓工业4.0的要点之一正是对操作员、机器、生产材料和工艺制程这四大要素进行资源优化和合理利用。无锡工厂将是一个很好的示范案例。”苏华说。

工业4.0的底层架构师

英飞凌的前身是德国西门子半导体业务,后单独成立新公司。在过去10年中,英飞凌先卖掉了做存储业务的奇梦达,然后把无线业务也卖给了英特尔,更加专注做功率半导体业务,服务于汽车电子、工业控制和电源管理。今年年初,英飞凌收购了美国国际整流器公司,现以高达19.2%%的市场份额成为市场领袖。

一家芯片公司为何忽然跑到工业4.0里?苏华解释说:“英飞凌芯片服务的领域很广泛,随着太阳能、风能等新能源应用推广,自然用到很多逆变器,你也可以本身就已经在服务很多的工业,其实蛮广的,从汽车到很多能源相关的,全球很多的电网,靠风力发电,太阳能发电,用的都是我们的逆变器,这是一直公司的定位。”

英飞凌的发展战略与自身的发展理念、市场定位,对市场的洞察力和自身的创新力密不可分。英飞凌之所以多年来在所专注的领域一直居于全球领先的地位,主要得益于发展战略与社会可持续发展的需求息息相关。半导体技术在现实世界和虚拟世界的互联中扮演着重要角色,保证了数据的安全交换,并创造附加价值、开辟新的业务模式,英飞凌的发展战略具有前瞻性,且顺应了这一趋势。

同时,英飞凌始终致力于解决当今社会的三大挑战:高能效、移动性和安全性,核心业务和发展理念就是创造更环保、更便利、更安全的人类生活,这可能是英飞凌与包括中国在内的许多国家的发展战略高度吻合的根本原因。

半导体芯片处于整个工业4.0架构的基础,解决了联、感、知的基础问题和执行问题。作为一家芯片厂商,英飞凌有高精度的工业传感器、执行器、微控制器、电子标签和高效的功率器件,同时,其安全解决方案是基于硬件的全球领先技术。

英飞凌作为一家半导体芯片公司,在工业4.0理念中起着底层架构师的作用。

苏华告诉《中国电子报》记者,高精度的工业传感器是捕捉工业4.0环境下有效数据的关键;收集到有意义的数据后,英飞凌高性能的微控制器产品进行数据的分析和计算,从而发出指令对生产进行智能控制;微控制器再将指令传达给功率半导体,保障高能效地生产。

此外,在整个生产流程中,数据的安全,设备的防伪是贯穿始终的关键,英飞凌的安全芯片能为智能生产的数据和信息安全提供最高等级的安全保障。如何使设备和设备之间能够进行信息交换和通讯,及时地发现问题,使机器能够自主管理,也是包括英飞凌在内的半导体公司需要进行前瞻性研究的课题。

今年5月,中国对外公布了“中国制造2025”长期规划,提出了“坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展”的理念,其中智能制造是主攻方向,并确定重点发展新一代信息技术、高档数控机床和机器人、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、新材料、农业机械装备等十大领域。

苏华认为,英飞凌的半导体业务在上述领域起着不可或缺的作用,一是通过功率半导体高效率地生产,二是通过高性能微控制器进行智能地控制,三是通过安全芯片保障智能生产中的数据和信息安全。这些正是英飞凌在中国制造业转型升级中重点关注的合作机会。

10月8日,英飞凌宣布投资近3亿美元在无锡建设第二个智能工厂,为中国合作伙伴厂商和生产系统集成商提供示范和咨询服务,以便更好地支持国内制造业向智能生产的转型。新厂将利用公司在传感、安全、能源和微控制的公认专长,提高物联网与制造业的联系。

英飞凌CEO莱恩哈德·普洛斯博士表示,英飞凌进一步扩张,突出了对中国市场机遇的信心、大量投资中国的承诺与支持中国的决心。从上年财报看,英飞凌来自中国市场的收入已经占全球营收的20%%,超过了德国本土。

责任编辑:赵强


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