工業4.0重塑半導體產業

工業4.0對世界的影響絕不僅限于帶動了制造業的轉型升級，其全新市場需求必將推動各種微電子產品在技術層面的改變，進而驅動半導體企業在產業層面做出調整。對提供底層技術的半導體產業來說，由于涉及自動機器人、仿真器、云計算、物聯網以及大數據分析技術等，對工業的生產制造、庫儲、物流，甚至產品設計流程進行改造，需要廣泛采用微電子產品，如處理器、傳感器和微控制器等。工業4.0在為半導體業提供市場機會的同時，也重塑著半導體產業。

工業4.0是一個閉環

在先進制造業代表德國提出工業4.0概念后，工業4.0已經成為當今熱詞，只要論及產業升級、制造業轉型，幾乎無人不談工業4.0。近日《中國電子報》記者采訪了德國最大的半導體廠商，也是德國工業4.0創始會成員之一英飛凌，其工業和多元化電子市場業務部微控制器業務高級總監MaurizioSkerlj表示：“對于工業4.0，我們可以將其理解為通過聯網將相關要素連接起來，不僅生產線和生產設備將更加智能化，同時被生產和加工的產品本身也將變得智能，并積極參與到被生產和制造的流程中來。”

也就是說，工業4.0應當是一個閉環的過程。它推動的是工業的智能化升級，而非僅僅自動化，更重要的是推動信息化升級，即通過傳感、機器視覺等系統的應用，形成大數據的采集、反應和對未來的預測，在產品的開發和制造、產品的設計和制造、產品的質量和管理體系三方面形成有效閉環。

“提到工業4.0，人們往往都會注意到工廠的智能化，卻忽視了智能產品。”MaurizioSkerlj強調，“事實上，工業4.0包括兩大要素：智能工廠和智能產品。智能產品有利于多個領域的改變，包括公司的生產物流管理、人機交互、未來工業生產過程管理等。

產品變得更加智能，可以在任何時候被定位、識別和溝通。在智能產品的生產流程中，我們可以在每個產品中，通過植入電子標簽或外部傳感的方式，在信息物理系統架構下，讓產品告訴制造系統自己應該被怎樣制造，并且知道它已經做到什么步驟、下一步應該做什么，并控制下一步應該去哪個工廠。”

芯片扮演重要角色

那么，具備如此先進理念的工業4.0應當如何落實呢？無疑，工業4.0是一個愿景，特別是在中國的制造業發展水平差異巨大，很多企業自動化階段尚沒有完成的時候。但是，它又是一個正在實施的漸進過程。“這將是一個漸進的過程，改造大致應經歷四個階段，分別是自動化升級、信息化升級、工廠內的互聯網化、產業鏈整體互聯網化。”華泰證券研究員章誠表示。“實施過程中要注意幾大要素：更多地實現工廠自動化，各行業間橫向和縱向更深地互相融合，集中控制向分布式智能控制轉變，以及大數據的分析。”MaurizioSkerlj表示。

“具體來說，工業4.0的整體架構將大致由云、網、端三大部分組成。‘云’是指工業大數據及工業云。對數據進行采集、反應和預測，形成可行為的大數據。‘網’是指工廠內物聯網及覆蓋產業鏈整體的工業互聯網。‘端’是指智能機床、機器人、傳感器、機器視覺等智能生產設備，AGV、服務機器人等智能物流設備。其中智能生產終端是核心。”章誠表示。

就半導體技術在其中扮演的角色，MaurizioSkerlj指出：“芯片是整個工業4.0架構的基礎，它解決的是上述架構中的聯、感、知等基礎問題和執行問題。具體到產品，則涉及工業傳感器、微控制器、電子標簽和高效的功率器件等。具體來說，高精度的工業傳感器是捕捉工業4.0環境下有效數據的關鍵，收集到有意義的數據后，高性能的微控制產品進行數據的分析和計算，從而發出指令對生產進行智能控制，微控制器再將指令傳達給功率半導體，保障高能效地生產。此外，在整個生產流程中，數據的安全，設備的防偽貫穿始終，安全芯片可為智能生產的數據和信息安全提供保障。”

新趨勢迎合新需求

工業4.0環境下的這樣一種“云、網、端”系統結構的搭建，無疑會對底層的半導體技術形成新的要求。總結起來，大致包括幾個重要趨勢。首先，工業以太網的建設需要支持多協議的通信芯片。“工業以太網，互聯互通、實時控制，進而實現安全、節能將是智能工廠的核心技術。”瑞薩電子通用解決方案中心綜合營銷部副部長王均峰在接受《中國電子報》記者采訪時表示。具體而言，包括生產設備聯網實現自律協調作業的M2M，通過網絡獲取大數據的應用，開發、銷售、ERP、PLM、SCM等業務管理系統與實際生產過程之間的協同。因為現代智能工廠有四大關鍵點：一是要連接所有網絡以拿到數據；二是要有智能機器；三是大數據，將所有設備、所有人連接后，所有數據都大批量傳送到智能終端上；四是分析，得到數據后從中抓取出相應的趨勢來，提高設備狀態的檢測和預測水平。要確保上述要點的實現，王均峰認為：“高速傳輸、大數據、保證實時性安全性和節能均十分關鍵，而這正是工業以太網構建的要旨。”然而，不同廠商支持的工業以太網標準各不相同，包括PROFINET（RT/IRT）、EtherCAT、CC-LinkIE、DeviceNet、、EtherNet/IP、ModbusTCP、CANopen等。“這就需要開發同時支持多協議的通信芯片，當然開發過程中需要考慮以太網協議的實現、應用開發、硬件開發、一致性測試等，從開發到量產需要很長時間。”王均峰說。

其次，端一級的智能機床、機器人等，需要高性能、低功耗、安全性的芯片產品支持。“這一直是半導體廠商致力的方向。”英飛凌工業與多元化市場資深經理王亦菁表示，“在工業4.0中，高度智能化環境下的系統安全和信息安全是物聯網發展的基本底線，特別是物聯網環境下敏感數據量越大，風險就越大，比如數據、ID、IP被盜用，數據被偽造或篡改，設備、服務器和網絡被惡意操縱。因此，安全在工業4.0實施中起到了關鍵作用。”

最后，高集成度也是應對工業4.0時代的必備條件，比如越來越多的半導體供應商開始將MCU與傳感器加以整合。在工業自動控制系統中，傳感器當處系統之首。類似于感官系統的傳感器能快速、精確地獲取信息并經受嚴酷環境的考驗，是自動控制系統達到高水平的保證。可以說，沒有眾多質優價廉的工業傳感器，就沒有現代化工業的生產體系，更別談工業4.0體系的構建。此外，具有低能耗、低成本、易使用和泛在感知等特性的無線傳感器網絡正在快速崛起，使傳統實踐中因成本等因素未能實現在線檢測的某些重要工業過程參數的測量成為可能。“傳感器網絡是物聯網的重要組成部分，MCU作為系統控制的核心器件需要采集加速度計、陀螺儀、磁力計、溫濕度計等傳感器的數據并進行分析處理，傳感器使用的MEMS工藝和MCU制程有差異，兩者的SOC整合在半導體技術上存在一定的挑戰，但并不妨礙兩者作為獨立模塊在物聯網的廣泛應用。”兆易創新產品經理金光一指出。

產業創新變革加快

應對上述技術趨勢，半導體企業勢必要在企業架構上做出一系列新調整，以適應新的市場形勢。英飛凌便提出了從產品到系統的經營理念。“半導體公司的傳統理念是把晶片越做越小，讓性能越來越好，并確保成本越來越低。這一直以來都是半導體企業所追求的創新。然而，我們的目標市場正發生一場新的變化，我們需要深入了解我們客戶的產品、應用和市場，然后基于這種理解，向客戶提供最高性價比的產品和解決方案，以幫助我們的客戶取得更大的成功。同時針對市場目前和未來的需求進行更多產品研發。這樣的構想和行動，我們稱之為‘從產品到系統’。這種行動步驟的目的是要確保我們也能持續不斷地創新，藉此拉開自身領先同業的差距，并且穩固市場領導者的地位。”MaurizioSkerlj表示。

第二個重要變化是隨著技術的不斷發展與融合市場需求的快速變化和各廠商產品的日趨同質化，單憑產品本身已難以贏得競爭優勢，而必須針對不同應用提供高附加值的整體解決方案。滿足不同客戶需求的整體解決方案，成為各半導體廠商的主要競爭手段，包括在工業領域的競爭。今年上半年以來，國際半導體行業出現并購熱潮，英特爾斥資167億美元收購ALTERA，博通公司宣布同意安華高科技的收購報價，恩智浦收購飛思卡爾，這背后的重要目的都包括豐富產品線、為客戶提供更完整解決方案。

第三個變化是生態系統的建設成為競爭焦點。目前半導體行業已經步入多元化且全面的商業競爭時代，從單純的產品競爭擴大到產業生態系統間的競爭。半導體業的競爭也不只在于技術，而在于誰能構建完整的產業生態系統。

相對國際半導體業的發展趨勢，我國的集成電路產業存在著企業規模小、持續創新能力薄弱、核心技術缺失等問題。然而，工業4.0概念的提出以及國家推進實施《中國制造2025》規劃，在給中國半導體企業提出挑戰的同時，也展現出了巨大的機遇。中國半導體企業應當順應市場需求和產業發展趨勢，做出相應的調整。“《中國制造2025》中將集成電路放在發展新一代信息技術產業的首位。隨著中國半導體產業發展的黃金時期的到來，重點企業規模保持快速增長，中國半導體產業一定要抓住這個時間窗口。”中國半導體行業協會執行副理事長兼秘書長徐小田表示。（本報記者陳炳欣）

來源：中國電子報

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