半导体行业视角下的工业4．0

作者：Thomas Brand 

目前，一种范式转变正在发生，通常被称为工业4.0，或德国的工业4.0。在国际使用中，（工业）物联网、智能工厂或网络物理（生产）系统等术语通常可互换使用来指代同一事物。工业4.0是指工业价值链及其产品数字化和网络化的全球趋势。

工业4.0的高调，特别是在德国，不仅在商业领域。工业4.0也受到政治的推动，因为它的经济影响，例如进一步发展德国制造业的竞争力。在这种情况下，政治官员正在推动一种双重战略，将供应商的观点与用户公司的观点相结合，主要是在工业自动化和工厂工程方面。在此过程中，制造商必须将最新技术用于自己的生产过程，另一方面，将这些技术和产品推向市场。

从主要供应商的角度来看，信息或通信技术与传统高科技方法之间的整合主要有助于扩大生产部门及其技术。为了实现这种扩展，需要满足由于市场动态和市场复杂性日益增加而需要满足的先决条件。从制造公司的角度来看，为新市场设计智能技术和产品并随后服务于这些市场非常重要。为了满足供应商和制造商的需求，公司将需要同时从这两个角度采取行动的战略。例如，半导体行业的公司擅长采用这些双重策略。

像ADI公司这样的半导体制造商正在处理这个复杂的概念，将自己的生产线转变为全自动智能工厂。此外，这些制造商还为制造业的其他公司提供创新技术，帮助他们将制造设施转变为智能工厂。因此，中小企业扮演着重要的角色，因为它们占德国工业企业的大多数（超过98%）。支持类型究竟是什么样子，半导体制造商面临的挑战，以及工业4.0带来的机遇——这些问题将在下面进行研究。

公司需要决定将其制造设施转变为智能工厂是否意味着毫无意义的努力，还是意味着实际提高生产力并相应降低成本。

为了找到以下关键问题的答案，许多市场研究公司进行了大量研究。他们都得出了相同的结论：工业4.0将为中小企业提供附加值，他们应该抓住相关机会巩固公司的成功。特别是对于半导体制造商来说，研究结果可以分为三个领域：新技术、新产品和新商业模式。这三个领域共同涵盖了生产及其产品的整个价值链——从传感器节点开始，通过云，一直到下游服务。

为了向智能工厂转型，必须需要智能和节能产品，或者更确切地说是完全自主的系统，可以通过简单的方式（如即插即用）集成到现有的生产结构中。这些系统由各种半导体器件和传感器组成，它们与模拟和数字信号处理IC相结合。价值链从这些设备开始——首先，传感器负责从真实的物理世界收集数据，然后它们必须在数字领域内转换和处理数据（见图 1）。

图1.智能工厂的信号链。

有哪些新要求？

随着价值链的发展，市场需求需要发生变化。这就是为什么半导体制造商必须使自己的企业和产品适应智能工厂的现实。技术趋势正朝着智能和节能产品以及集成的安全和安保功能以及能量收集能力的方向发展。图2以ADI公司基于MEMS的加速度计ADXL356为例，显示了这种器件或完整系统的外观。

图2.基于MEMS的智能传感器解决方案。

ADXL356是一款低成本、低噪声、3轴加速度计，测量范围高达±40 g（FSR）。该器件的主要特性是极低的失调漂移和低功耗。由于采用密封封装，ADXL356特别适合恶劣环境条件下的精确倾斜测量、高分辨率振动测量以及低电流或电池供电无线传感器网络中的高性能（长时间）测量，例如用于结构健康监测（SHM）、姿态航向参考系统（AHRS）或各种其他突然过大力的应用。ADXL356构成了系统的基础，该系统还通过其他功能进行了扩展：通过模数转换器、微控制器以及支持以太网、6LpoWPAN或ADRadioNet等通信标准的各种模拟和数字、部分隔离或无线接口进行集成信号处理。后一项是ADI公司开发的通信标准，其特点是无线、自愈多跳通信协议，以及高可扩展性和低内存消耗。此外，AES-128 和 AES-256 等集成加密方法提高了抵御可能网络攻击的安全性。最后但并非最不重要的一点是，功能安全在这些系统的开发过程中起着重要作用，因为这在智能工厂的背景下也很重要。

对于半导体制造商来说，未来仅仅扩大其传感器和其他半导体器件的范围是不够的。为了在市场上被视为全球参与者，为了充分发挥工业4.0的潜力，他们现有的产品范围必须通过通信和低功耗微处理器技术进行扩展。考虑到这一点，ADI公司已经在其产品组合中提供了相关解决方案。例如，在通信领域，HART®调制解调器有多种解决方案。这些HART解决方案能够通过使用现有的基础设施来实现新的节能技术，以非常简单的方式改善传统拥堵的通信网络。

市场研究还显示，中小型企业希望得到制造商和供应商的大力支持，以便更快、更有效地将新产品集成到他们的系统中。通过这种方式，可以减少企业的额外工作量，他们可以继续专注于其核心业务。特别是，供应商与企业之间的伙伴关系或合作努力被视为支持类型。

由于工业4.0的众多优势，问题出现了，为什么许多企业现在还没有投资自己的智能工厂？

犹豫的原因

投资的主要障碍之一是智能工厂及其相关成本的无益。例如，由于缺乏货币评估标准，目前计算投资率仍然相当困难。因此，半导体制造商必须提高客户的意识，并提供教育材料，展示智能工厂的优势，并指出投资智能工厂可以获得的价值。

然而，投资不仅必须由有兴趣将自己的设施转变为智能工厂的中小型企业进行。半导体制造商等智能解决方案提供商必须投资于自己的产品供应，并可能投资于其各个业务部门所需的重组。这些投资对于新技术和商业模式以及营销活动、资格认证措施和销售管理的开发和扩展是必要的。

随着生产部门的转型，数据和IT安全等领域一次又一次地发挥重要作用。这些主题不仅是成功引入工业4.0的重要要求。因此，它们必须作为关键的接受和成功因素持续实施到数字系统中。

对于企业来说，重要的是在实施工业4.0的早期阶段制定其基本战略路线，以积累相应技术的经验。然而，这个过程需要耐心，因为许多相关技术在5到10年甚至更长时间内不可能充分发挥其潜力。因此，工业4.0的实施过程将需要很长时间。此外，由于缺乏明确的定义，工业4.0完全实施的确切日期没有。与其谈论工业革命，不如使用“工业进化”一词更有意义。

随着生产环境的变化，新的参与者和竞争对手也将出现或影响市场。联盟将会出现，这将在很大程度上塑造生产形象。行业或企业的未来将由工厂车间内越来越少的人决定。软件和服务部门也将发挥重要作用，因为只有将虚拟世界与现实世界联系起来并融合在一起，才能确保巨大的生产潜力。

很明显，对于企业来说，当前的发展步伐正在加快，如果错过了这条船，他们很难赶上。

因此，企业不再认为工业4.0是暂时的炒作。与此同时，当前的市场发展清楚地显示出工业4.0和智能工厂不可逆转的趋势。关于缺少标准、缺少安全性、知识贫乏等的最大问题正在变得越来越小。此外，对生产环境未来的困惑也在减少。

总之，工业4.0、向智能工厂的转型及其所需的技术为半导体制造商及其成功提供了巨大的潜力。