半導(dǎo)體行業(yè)的智能制造基石與先行者

智能制造，本質(zhì)上是為了讓智能系統(tǒng)代替人類，進行高效的生產(chǎn)過程。智能制造的發(fā)展離不開工業(yè)機器人，同樣，工業(yè)機器人的發(fā)展也多是圍繞智能制造展開。本期與非主題月，請來了國內(nèi)外知名半導(dǎo)體領(lǐng)域廠商——意法半導(dǎo)體（ST）、國民技術(shù)以及長電科技，將結(jié)合各自的產(chǎn)品甚至產(chǎn)線，以工業(yè)機器人為切入點，圍繞芯片在智能制造領(lǐng)域的發(fā)展進行討論。

他們的產(chǎn)品組成了智能制造的基石，亦或自身也是智能制造的先行者。他們在不斷創(chuàng)新，不斷突破，為半導(dǎo)體行業(yè)、為智能制造注入新的活力。而這些，正是我們所需要的。

半導(dǎo)體產(chǎn)品與技術(shù)的應(yīng)用

在智能制造領(lǐng)域，各類工業(yè)機器人的開發(fā)與量產(chǎn)，使得機器人技術(shù)在搬運、焊接、噴涂、加工、裝配、檢測等領(lǐng)域得到了規(guī)模化的應(yīng)用，大幅提高了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品的穩(wěn)定性，同時又降低了生產(chǎn)成本。工業(yè)機器人作為智能制造的前沿，半導(dǎo)體器件及技術(shù)也嵌入其各個環(huán)節(jié)中。

電機驅(qū)動器和微控制器是構(gòu)成當(dāng)今工業(yè)機器人大腦的核心組件，ST在這方面富有經(jīng)驗，其工業(yè)自動化技術(shù)創(chuàng)新中心技術(shù)市場經(jīng)理姚春雷向與非網(wǎng)表達了這一觀點，尤其是在市場中被廣泛使用的STM32微控制器，以及集成了微控制器的一體化電機控制整體解決方案STSPIN32。此外，ST還有種類繁多的功率分立器件，以及用于控制反饋的業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的微傳感器，在這些產(chǎn)品的加持下，ST的整體解決方案可應(yīng)用于各種不同的高低壓工業(yè)機器人設(shè)計。

工藝方面，微控制器采用ST最新的 CMOS制造技術(shù)，模擬芯片和功率器件制造采用BCD 技術(shù)。另外，ST 還是前沿的寬禁帶技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，其GaN 和SiC產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于市場。

國民技術(shù)市場總監(jiān)劉杰文則認為，該公司主要通過四大產(chǎn)品系列來為工業(yè)機器人及智能制造領(lǐng)域提供相關(guān)服務(wù)，包括安全芯片、射頻芯片、通用MCU以及電池管理。

其中，高等級安全芯片可對客戶的重要資產(chǎn)進行加密，保證系統(tǒng)的信息安全。射頻芯片N32WB031和N32WB452系列，可用于工控系統(tǒng)中藍牙通訊模塊。

通用MCU分為基于Cortex-M0的N32G0，可用于工業(yè)模塊、傳感器等一般性控制；基于Cortex-M4的N32G4系列，主頻高達144MHz，配備大容量存儲及先進的模擬外設(shè)，可用于變頻、伺服、運動控制系統(tǒng)的主控；明年國民技術(shù)會基于Cortex-M4及Cortex-M7，推出一系列處理性能更強、模擬性能更強、控制精度更高的產(chǎn)品，滿足工業(yè)機器人對主控產(chǎn)品的新需求。國民技術(shù)采用業(yè)內(nèi)最為先進的40nm平臺，使得產(chǎn)品性能和集成度更高，未來也將向更先進的工藝平臺發(fā)展。

工業(yè)機器人市場的高度多樣化

對于芯片半導(dǎo)體廠商來說，市場方向通常按應(yīng)用會分為消費、工業(yè)、通信、汽車等。其中，工業(yè)機器人作為工業(yè)領(lǐng)域的一個分支，市場關(guān)注度似乎一直不太高，廠商對待的態(tài)度也有所區(qū)別。

在劉杰文看來，工業(yè)機器人市場在不斷變化，對于性能和控制精度的要求不斷提升，這也導(dǎo)致了針對該市場的專用芯片難以跟上。目前主流還是使用通用產(chǎn)品來覆蓋該市場變化。市面上雖然那么多通用MCU，但每個系列又是針對特定的一個領(lǐng)域，例如國民技術(shù)的N32G4系列，配備5MSPS的ADC、運算放大器以及比較器等，都是針對工業(yè)控制所配備的先進外設(shè)。同時，也在持續(xù)關(guān)注該領(lǐng)域的技術(shù)革新，例如控制精度和響應(yīng)速度，人工智能，物聯(lián)網(wǎng)等，國民技術(shù)均在積極布局產(chǎn)品，以滿足市場需求。

ST同樣認可工業(yè)機器人行業(yè)面臨的高度多樣化挑戰(zhàn)，這源于機器人通常是為特定應(yīng)用專門設(shè)計。 因此，可以看到實時性能、高能效、可靠性和適用于惡劣工業(yè)環(huán)境的魯棒性是在設(shè)計工業(yè)機器人時選擇半導(dǎo)體器件所要考慮的重要因素。針對這些需求，意法半導(dǎo)體提供高集成度的智能功率模塊、系統(tǒng)級封裝、單片電機驅(qū)動器、快速高效的功率開關(guān)，有瞬變保護的三端雙向晶閘管，以及性能強大的微控制器和安全微控制器。

智能制造中其他半導(dǎo)體技術(shù)

除工業(yè)機器人以外，半導(dǎo)體在推進智能制造繼續(xù)前進的道路上，依然扮演著極為重要的角色。劉杰文認為，智能制造還包含了人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及整體的信息化系統(tǒng)。半導(dǎo)體是這些技術(shù)的嵌入式硬件平臺，里面包括了功率半導(dǎo)體材料的革新，提升效率與能耗；無線傳輸技術(shù)，包含BLE、工業(yè)通訊總線，NB-IOT，4G/5G通訊技術(shù)，LoRa無線協(xié)議，CAT-1，WIFI等，通過不斷更新迭代，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云接入更加高效而可靠；主控芯片越來越高的集成度，更高的處理性能以及更好的能效，以實現(xiàn)智能制造中從感知、決策到執(zhí)行的控制平臺。

姚春雷則認為，人工智能、邊緣計算和預(yù)測性維護是 ST 專注的新領(lǐng)域，這將幫助其客戶構(gòu)建智能制造生產(chǎn)流程。ST在人工智能產(chǎn)品和生態(tài)系統(tǒng)中不斷投資并提供系統(tǒng)級解決方案，從而推動智能制造技術(shù)發(fā)展。

所謂智能制造，也分為制造自動化和智能化兩塊。往前幾十年，大家都在關(guān)注制造自動化，關(guān)注設(shè)備對人力重復(fù)勞動的簡單替代；而目前，智能化得到了更多的關(guān)注，意味著智能制造在我國也進入了下半場。

“智能化”或更智能的系統(tǒng)將是智能制造行業(yè)主要關(guān)注的領(lǐng)域。例如，邊緣計算將提高制造流程效率，這是因為現(xiàn)場控制器（MCU）可快速做出與特定功能相關(guān)的決策，這避免了通過云端處理分析所帶來的延遲或安全問題，以及帶寬要求。 目前，ST 正在加快這一領(lǐng)域的投入，針對工廠自動化開發(fā)出了更智能的傳感器，以及用于本地分析和決策控制的高性能MPU（微處理器），以提高執(zhí)行速度和設(shè)備效率。

智能制造未來的機會點

通常，談到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及智能制造，環(huán)節(jié)上可以分為感知、決策、執(zhí)行。針對智能化工業(yè)時代，劉杰文認為機會點最多的是在感知與決策。要實現(xiàn)工業(yè)智能化，首要解決的是智能傳感，我們需要將眾多傳感器的數(shù)據(jù)，實時地通過有線，或更多的無線傳輸方式連接到工業(yè)云平臺。其次，因為工業(yè)過程中數(shù)據(jù)是變化的，通過某一段數(shù)據(jù)訓(xùn)練的模型無法用到整個生產(chǎn)過程中，因而必須要做一個自適應(yīng)的機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，也就是智能化工業(yè)中的決策層。對于這個系統(tǒng)而言，必須要考慮工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)安全，這是有特殊的安全要求的。這樣，這個系統(tǒng)就實現(xiàn)了制造流程的全局化、個性制造流程化。為此，國民技術(shù)提供了豐富的SoC平臺，高等級的安全芯片，無線射頻等多系列產(chǎn)品，為智能化制造提供硬件實現(xiàn)平臺。

姚春雷認為，智能制造發(fā)展的趨勢是高能效、高智能化和高集成度。SiC 和 GaN 驅(qū)動器的廣泛使用將會提高系統(tǒng)能效，分別涉及STGAP2SiC 系列 和STDRIVEG 系列。智能傳感器和IO Link等現(xiàn)場通信技術(shù)將在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域中越來越普及，這將有助于提升生產(chǎn)線的智能化程度。高度集成的電機驅(qū)動控制整體解決方案（STSPIN32F0系列）將在協(xié)作機器人和小型物流運輸設(shè)備市場廣泛應(yīng)用。在這些領(lǐng)域，ST有著豐富的經(jīng)驗和領(lǐng)先的技術(shù)。

智能制造先行者

長電科技作為國內(nèi)半導(dǎo)體封測領(lǐng)域的頭部企業(yè)，對開展智能制造而言，可以說是“以身作則”，不斷推進“制造”邁向“智造”的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并制定了全面智能化方針策略。

具體表現(xiàn)在設(shè)備全面聯(lián)網(wǎng)、實現(xiàn)人機互聯(lián)、機機互聯(lián)，人機協(xié)調(diào)；質(zhì)量數(shù)據(jù)實時采集，SPC、FDC系統(tǒng)導(dǎo)入，加快發(fā)現(xiàn)異常的速度，提高反應(yīng)的效率；降低人工作業(yè)難度，提高人效；運用JIT物料調(diào)度，提高物料運轉(zhuǎn)效率，降低停機率；全面進入大數(shù)據(jù)時代，建立全生產(chǎn)要素的數(shù)字化工廠。

步驟上，長電科技將智能制造分為五個階段進行：

1.?? ?構(gòu)建整體基礎(chǔ)生態(tài)，實現(xiàn)基礎(chǔ)的生產(chǎn)自動化、生產(chǎn)信息化；
2.?? ?智能倉儲/智能物流，打造生產(chǎn)物流系統(tǒng)，將產(chǎn)品數(shù)字化、位置信息數(shù)字化；
3.?? ?數(shù)字工廠：在實現(xiàn)第一、第二步的基礎(chǔ)上，運用生產(chǎn)大數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)字化工廠，讓數(shù)據(jù)充分發(fā)揮作用；
4.?? ?無人化制造：實現(xiàn)整體工廠的無人化，豐富生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用；
5.?? ?實現(xiàn)全面的智能制造：虛擬生產(chǎn)演算，智能化工廠規(guī)劃。

目前，長電科技已建成車間級工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，達到設(shè)備之間互聯(lián)互通，并利用智能系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控和指揮調(diào)度。

“智改數(shù)轉(zhuǎn)”也不僅僅是軟硬件的組合重置，更是對企業(yè)全方位、全角度、全鏈條、全生命周期的重塑與再造。為“智改數(shù)轉(zhuǎn)”再加一把力，長電科技在研發(fā)設(shè)計上，積極運用個性化定制，縮短研發(fā)設(shè)計周期，降低研發(fā)設(shè)計成本，提高研發(fā)成功率；在生產(chǎn)制造上，加快標(biāo)準(zhǔn)再造、流程再造、工藝再造，提高產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力；在市場服務(wù)上，開展平臺化、定制化、輕量化服務(wù)模式創(chuàng)新，以數(shù)字化的技術(shù)和應(yīng)用拓展服務(wù)渠道、延伸服務(wù)觸角、提升服務(wù)質(zhì)量。

長電科技智能工廠建成以來，主要生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)水平達到國際先進水平。車間設(shè)備互聯(lián)互通，所有數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)平臺進行交互，推動生產(chǎn)效率顯著提升，助力企業(yè)生產(chǎn)效率不斷提升。

寫在最后

企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型是對企業(yè)戰(zhàn)略、業(yè)務(wù)創(chuàng)新、核心業(yè)務(wù)能力、管理體系和數(shù)字化支撐系統(tǒng)的全面數(shù)字化。在眾多企業(yè)智能制造的改造過程中，國民技術(shù)、意法半導(dǎo)體這樣的廠商提供了底層的相關(guān)產(chǎn)品，而長電科技則基于自己的需求，率先加入改造的浪潮，自身不斷蛻變和突破。這一切都是智能制造勢不可擋的縮影。