工业4.0将如何重塑半导体产业?

标签:工业4.0半导体

访客:47702  发表于:2015-07-17 11:01:07

工业4.0对世界的影响绝不仅限于带动了制造业的转型升级,对提供底层技术的半导体产业来说,由于涉及自动机器人、仿真器、云计算、物联网以及大数据分析技术等,对工业的生产制造、仓储、物流,甚至产品设计流程进行改造,需要广泛采用微电子产品,如处理器、传感器和微控制器等。而全新市场需求必将推动各种微电子产品在技术层面的改变,进而驱动半导体企业在产业层面做出调整。在为半导体业提供市场机会的同时,也重塑着半导体产业。

在国务院印发《中国制造2025》发展规划之后,一场中国的工业4.0变革也在酝酿启动。这是一个巨大的而且难得的市场机遇。尽管中国集成电路产业起步较晚,与国际先进水平有显著差异——2014年集成电路进口额虽然略有收窄,依然达到2176亿美元,中国半导体企业仍应当抓住这个难得的时间窗口,在技术与企业运营层面做出相应调整,而不应错失发展机遇。

从英飞凌眼中的工业4.0说起

在先进制造业代表德国提出工业4.0概念后,工业4.0已经成为当今热词,只要论及产业升级、制造业转型,几乎无人不谈工业4.0。近日《中国电子报》在采访德国工业4.0理事会成员、半导体大厂英飞凌时,其工业和多元化电子市场业务部微控制器业务高级总监MaurizioSkerl表示:“对于工业4.0,我们可以将其理解为通过互联网将相关要素连接起来,使得不仅生产线和生产设备更加智能化,同时被生产和加工的产品本身也将变得智能,并参与到被生产和制造的流程中来。”

也就是说,工业4.0应当是一个闭环的过程。它推动的是工业的智能化升级,而非仅仅自动化,更重要的是推动信息化升级,即通过传感、机器视觉等系统的应用,形成大数据的采集、反应和对未来的预测,在产品的开发和制造、产品的设计和制造、产品的质量和管理体系三方面形成有效闭环。

“提到工业4.0,人们往往都会注意到工厂的智能化,却往往忽视了智能产品。”MaurizioSkerl强调,“事实上,工业4.0包括两大要素:智能工厂和智能产品。智能产品有利于多个领域的改变,包括公司的生产物流管理、人机交互、未来工业生产过程管理等。产品变得更加智能,可以在任何时候被定位、识别和沟通。在智能产品的生产流程中,我们可以在每个产品中,通过植入电子标签或外部传感的方式,在信息物理系统架构下,产品能告诉制造流程自己应该被怎样制造,自己知道它已经做到什么步骤、下一步应该做什么,并控制下一步骤应该去哪个工厂。”

芯片是整个工业4.0架构的基础

那么,具备如此先进理念的工业4.0应当如何落实呢?无疑,工业4.0是一个愿景,特别是在中国的制造业发展水平差异巨大,很多企业自动化阶段尚没有完成的时候。但是,它又是一个正在实施的渐进过程。“这将是一个渐进的过程,改造大致应经历四个阶段,分别是自动化升级、信息化升级、工厂内的互联网化、产业链整体互联网化。”华泰证券研究员章诚表示。

“实施过程中要注意几大要素:更多地实现工厂自动化、各行业间横向和纵向更深地互相融合,中国控制向分散智能控制转变,以及大数据的分析。”MaurizioSkerl表示。

“具体来说,工业4.0的整体架构将大致由‘云、网、端’三大部分组成。‘云’是指工业大数据及工业云。对数据进行采集、反应和预测,形成可行为的大数据。‘网’是指工厂内物联网及覆盖产业链整体的工业互联网。‘端’是指智能机床、机器人、传感器、机器视觉等智能生产设备,AGV、服务机器人等智能物流设备。智能生产终端是核心。”章诚表示。

就半导体技术在其中扮演的角色,MaurizioSkerl指出:“芯片处于整个工业4.0架构的基础,它解决的是上述架构中的联、感、知等基础问题和执行问题。具体到产品,则涉及工业传感器、微控制器、电子标签、和高效的功率器件等。具体来说,高精度的工业传感器是捕捉工业4.0环境下有效数握的关键,收集到有意义的数据后,高性能的微控制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,设备的防伪贯穿始终,安全芯片可为智能生产的数据和信息安全提供保障。”

工业4.0对半导体技术有哪些要求?

工业4.0环境下的这样一种“云网端”系统结构的搭建,无疑会对底层的半导体技术形成更高的要求。总结起来,大致包括几个重要趋势。首先,工业以太网的建设需要支持多协议的通信芯片。“工业以太网,互联互通、实时控制,进而实现安全、节能将是智能工厂的核心技术。”瑞萨电子通用解决方案中心综合营销部副部长王均峰在接受《中国电子报》记者采访时表示。

具体而言,包括生产设备联网实现自律协调作业的M2M,通过网络获取大数据的应用,开发、销售、ERP、PLM、SCM等业务管理系统与实际生产过程之间的协同。因为现代智能工厂有四大关键点:一是要连接所有网络以拿到数据;二是要有智能机器;三是大数据,将所有设备、所有人连接后,所有数据都大批量传送到智能终端上;四是分析,得到数据后从中抓取出相应的趋势来,提高设备状态的检测和预测。

要确保上述要点的实现,王均峰认为:“高速传输、大数据、保证实时性安全性和节能均十分关键。而这正是工业以太网构建的要旨。”然而,不同厂商支持的工业以太网标准各不相同,包括PROFINET(RT/IRT)、EtherCAT、CC-LinkIE、DeviceNet、EtherNet/IP、ModbusTCP、CANopen等。

“这就需要开发同时支持多协议的通信芯片,当然开发过程中需要考虑以太网协议的实现、应用开发、硬件开发、一致性测试等,从开发到量产需要很长时间。”王均峰说。

其次,端一级的智能机床、机器人等,需要高性能、低功耗、安全性的芯片产品支持。“其实,这一直是半导体厂商致力的方向。”英飞凌工来与多元化市场资深经理王亦菁表示,“在工业4.0中,连接到网络的设备无所不在。一方面,巨大的网络和大量的联网设备必然产生巨大的能耗;另一方面,高度智能化环境下的数据和信息安全是物联网发展的基本底线,物联网环境下敏感数据量越大,风险就越大,比如数据、ID、IP被盗用,数据被伪造或篡改,设备、服务器和网络被恶意操纵。因此,能效和安全是决定工业4.0实施能否成功的关键因素。”

最后,高集成度也是应对工业4.0时代的必备条件,比如越来越多的半导体供应商开始将MCU与传感器加以整合。在工业自动控制系统中,传感器当处系统之首。类似于感官系统的传感器能快速、精确地获取信息并经受严酷环境的考验,是自动控制系统达到高水平的保证。可以说,没有众多质优价廉的工业传感器,就没有现代化工业的生产体系,更别谈工业4.0体系的构建。

此外,具有低能耗、低成本、易使用和泛在感知等特性的无线传感器网络正在快速崛起,使传统实践中因成本等因素未能实现在线检测的某些重要工业过程参数的测量成为可能。“传感器网络是物联网的重要组成部分,MCU作为系统控制的核心器件需要采集加速度计、陀螺仪、磁力计、温湿度计等传感器的数据并进行分析处理,传感器使用的MEMS工艺和MCU制程有差异,两者的SOC整合在半导体技术上存在一定的挑战,但并不妨碍两者做为独立模块在物联网的广泛应用。”兆易创新产品经理金光一指出。

中国半导体产业如何抓住工业4.0的时间窗口?

应对上述技术趋势,半导体企业势必在企业架构上做出一系列新调整,以适应新的市场形势。英飞凌便提出了从产品到系统的经营理念。“半导体公司的传统根本概念是把晶片越做越小,好让性能越来越好,并确保成本越来越低,这一直以来都是半导体企业所追求的创新。然而,我们的目标市场正展开一场新的变化,我们必须改良半导体本身,还要针对市场目前和未来的需求进行更多研发,然后才能满足市场及客户的需求。我们不再只是制造一种特殊功能的芯片,还要能针对拥有主动和被动元件的客户设计出一套完整且复杂的系统架构。

如此一来,也会同时牵涉越来越多的系统软体开发工作。在理想的情况下,我们不接受客户订单制造客制化的个别元件,而是为客户提供协助他们在终端市场里拉开竞争差距的优质产品。这样的构想和行动,我们称之为‘从产品到系统’。这种行动步骤的目的是要确保我们也能持续不断的创新,藉此拉开自身领先同业的差距,并且稳固市场领导者的地位。”MaurizioSkerl表示。

第二个重要变化是随着技术的不断发展与融合市场需求的快速变化和各厂商产品的日趋同质化单凭产品本身已难以赢得竞争优势而必须针对不同应用提供高附加值的整体解决方案。满足不同客户需求的整体解决方案,成为各半导体厂商的主要竞争手段,包括在工业领域的竞争。今年上半年以来,国际半导体行业出现并购热潮,英特尔斥资167亿美元现金收购ALTERA、博通公司宣布同意安华高科技的收购报价、恩智浦收购飞思卡尔,背后重要目的之一都有丰富产品线,为客户提供更完整解决方案。

第三个变化是生态系统的建设成为竞争焦点。目前半导体行业已经步入多元化且全面的商业竞争时代,从单纯的产品竞争扩大到产业生态系统间的竞争。半导体业的竞争也已不仅是技术,而在于看谁能建构完整的产业生态系统。

这些变化趋势都不是小规模半导体企业能够完成的,半导体产业正变得越来越成熟,越来越集中。“大者恒大”变得越来越通行。

相对国际半导体业的发展趋势,我国的集成电路产业起步晚,存在着企业规模小、持续创新能力薄弱,核心技术缺失等问题。然而,工业4.0概念的提出以及国家推进实施《中国制造2025》规划,在给中国半导体企业提出挑战的同时,也展现出了巨大的机遇。中国半导体企业应当顺应市场需求和产业发展趋势,做出相应的调整。

“从国家安全角度来看,只有实现了底层集成电路的国产化,我国的信息安全才能得以有效保证。因此在国务院印发《中国制造2025》中将集成电路放在发展新一代信息技术产业的首位。随着中国半导体产业的发展黄金时期的到来,重点企业规模保持快速增长。这将是一个巨大的而且是难得的市场,中国半导体产业应当抓住这个时间窗口,不应错失。”中国半导体行业协会执行副理事长兼秘书长徐小田表示。

中国半导体行业协会集成电路分会副理事长兼秘书长于燮康认为:“当前全球集成电路产业已经进入了寡头竞争时代,国内外集成电路企业兼并重组风起云涌。国内集成电路企业要做大做强跟上步伐,靠闭门研发是不行的。要跟上市场需求趋势,兼并重组是重要手段。”

工信部软件与集成电路促进中心主任卢山则认为应当加强在平台和生态体系方面的建设,通过融合应用工业软件、移动互联、云计算、大数据等新一代信息技术,加速工业企业互联网化、产品智能化、产业生态化,进而重构传统制造业。

来源:中国电子报

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