工業4.0對電子產業的重要性

作者: Thomas Brand/ADI

產業當前以極快的腳步邁向數位化,幾乎每個人嘴邊所提及的,都是物聯網、智慧工廠、或虛實(生產)整合系統。而在德國這個全球頂尖工業國,則將之稱為工業4.0。

但工業4.0的真正意義,似乎沒人知曉 – 儘管有許多不同解釋,但至今仍沒有明確的定義。對於許多人而言,朝工業4.0的目標改革已成為日常生活的一部分,在不斷重複之下,新奇感也逐漸消逝,尤其是數位化與網路化被眾人經常掛在嘴邊,都快成了陳腔濫調了。

焦點回到工業4.0,尤其是在德國,產業主要由當局推行的政策形塑而成。其他國家則認知到工業4.0對其國家經濟與競爭力的正面影響,因此鼓勵國人進一步創新。在這種背景下,各國官員提倡雙軌策略,結合供應商與用戶廠商的觀點,主要包括工業自動化以及機械或工廠規劃方面。一方面,製造商的要務則是將新型高效率智能技術運用在其生產流程,另一方面還必須將這些技術與產品推入市場。

焦點回到工業4.0,尤其是在德國,產業主要由當局推行的政策形塑而成。其他國家則認知到工業4.0對其國家經濟與競爭力的正面影響,因此鼓勵國人進一步創新。在這種背景下,各國官員提倡雙軌策略,結合供應商與用戶廠商的觀點,主要包括工業自動化以及機械或工廠規劃方面。一方面,製造商的要務則是將新型高效率智能技術運用在其生產流程,另一方面還必須將這些技術與產品推入市場。

這對於半導體產業的企業尤其適用。例如Analog Devices之半導體製造商已開始因應這種複雜的概念,著手將自己的生產線轉型成完全自動化的智慧工廠。Analog Devices還為製造業的廠商提供了許多創新科技,協助他們將其製造設施轉型成智慧工廠。然而,想要開展此類轉型,企業必須體認到,附加價值亦意謂著更高的付出,方能提高生產力以及降低各方面的成本。

工業4.0不僅意謂著製造的革新以及技術的擴充,還涉及到日趨升高的需求,在背後推升業界創造著新的商業模式。工業4.0被各界廣泛探討,各方的解讀南轅北轍,結果大致可略分為三個領域 : 分別是新科技、新產品方案、以及新的商業模式。這三個領域轉化成製造與其產品的整個價值鏈 – 從感測器節點開始,經由雲端,一路涵蓋到下游的各種服務(如圖1所示)。

圖1. 現今的訊號鏈路.

 

通常其中會有一個節點配備具有某種形式的感測器或制動器,和實體世界之間建立溝通管道。進出這些裝置的訊號不僅強度極低,而且傳輸時會經過充斥雜訊的惡劣環境。這些訊號經過處理與轉換後,再轉送到訊號鏈的下個鏈路。

由於這種訊號鏈存在諸多問題,整個鏈路必須進行變動。最初未經處理的資料直接傳到雲端,但現今越來越多資料則是直接在節點進行處理,如圖2所示。

 

圖2. 未來的訊號鏈.

 

這種資料處理過程會在節點產出更多情資與知識 – 進而把資料轉化為資訊。這類情資感測智能技術不僅能降低耗電與頻寬的浪費,還能將被動反應的工業物聯網(IioT)轉型成主動預測與即時性的IIoT。

在這方面,相關科技便開始發揮其作用。許多半導體製造商早已將它們列為其核心技術,而且須不斷改進。

此外,能源效率也扮演吃重角色。許多半導體製造商運用其專業實力,除了開發自家產品,還發展出自己的設計與製程技術,連結到網路之後便形成工業物聯網整體解決方案的一個重要環結。不論有線或無線技術,在未來不僅都將面臨更高的需求,還會納入其產品線之中。

如果更深究到系統層級,並專注於垂直市場,你就能為客戶提供更加完整的系統,建構成完整硬體平台的節點,能搭配相對應的軟體套件一併提供給用戶。同時還可收錄相關演算法,以分析節點內已存在的資料,而最後只會將結果傳出去,藉以降低網路(雲端)資料過於密集的狀況。

儘管工業4.0是具吸引力且重要的議題,然而半導體製造商在選擇過程中仍須非常審慎。目前整體市場尚處於特別的階段,必須透過正確的途徑發揮自身的實力與技術,方能滿足客戶或應用真正的需求。

工業物聯網市場所面臨的新要求

考量工業價值鏈方面,市場需求在未來勢必會改變。再加上其他原因,都使得半導體製造商因此必須調整自己的企業以及產品,以因應智慧工廠的現實。當前技術趨勢朝向智能與極致效率產品邁進,如果可行的話,還會整合維安與對外防禦功能,以及各種能源採集能力。圖3顯示此類的裝置抑或一個完整系統的樣貌,此圖舉的例子是Analog Devices的微機電加速計ADXL356.

圖3. 微機電系統型態的智慧感測器解決方案

 

ADXL356是一款低功耗、低雜訊的3軸加速計,其偏置漂移已可達到極低的水準。由於ADXL356採用密封型封裝,因此特別適合在各種嚴苛條件下量測傾斜度,以及在低功耗或使用電池供電的無線感測器網路中執行高效能(長時間)量測。這時候,預測式維護與狀況監視就派上用場了,兩者都和工業4.0密切相關。在這些程序中,必須判斷驅動元件損害的程度,例如進行永久性或定期的震動診斷。

對於如圖2所示的此類智慧感測器解決方案而言,加速計形成了整個系統的基礎。它藉由幾項功能進行延伸: 整合訊號處理功能,透過包括類比至數位轉換器、微控制器、以及部分隔離或無線式的類比與數位介面進行整合。無線介面支援各種通訊標準,包括乙太網路、6LoWPAN、或WirelessHART,可靠度也達到最高的水平。對於後面兩種標準,例如SmartMesh IP™ 以及SmartMesh® WirelessHart這類無線通訊網路會是非常好的解決方案。前者遵循6LoWPAN標準,並能為每個節點提供原生IPv6定址能力,能從雲端輕易存取感測器資料。後者則依循WirelessHART標準(IEC 62591),這個專為工業應用設計的標準,讓它能和其他廠商的WirelessHART裝置互通,而兩者都提供極高的可靠度與安全無虞的資料傳輸,其採用AES 128位元端對端加密機制,並能擴充到5萬個節點。

最後,在研發這些系統的過程中,決不能忽略功能安全性。為了能為客戶提供安全性,讓安全成為完整系統解決方案的一部分,許多半導體製造商紛紛投資開發相關技術,像是網路安全解決方案(CSS)與加密。

像圖3所示的這類系統,其結果就是晶片層級的標準產品數量較少,因為在未來,它們都能整合到機板上。標準產品的整合已直接體現於晶片上,或是發展成SiP。這意謂著製造商未來必須深入掌握晶片層級的知識,或至少機板層級,並瞭解相對應的產業體系。因此,客戶得以更專注在自己的應用上,進而凸顯自身方案與競爭者之間的差異。

諸如Analog Devices的供應商必須考慮採用或整合其他市場的成熟技術。這樣的策略有助於降低昂貴的成本並增加產品的生命週期。將技術成功建置在其他產品的一個例子就是微機電系統(MEMS)。MEMS技術原本不該用來製造加速計以外的零件,但如今卻用來製造像 ADGM1304這類超高速開關。這款單刀四擲(SP4T)式開關內含整合式驅動器,操作範圍從0 Hz/dc 涵蓋到14 GHz,使它成為各種射頻應用或中繼器替代方案的理想開關。

如此的技術組合不僅鎖定單一應用,還能同時支援多種應用,甚至協助製造商開拓出新市場。在許多情況中,各種技術可輕易透過這種模式進行組合,而創造出高效率的新應用。

然而半導體製造商光是延伸其感測器與其他半導體元件的範疇還不夠,想要在市場扮演全球化廠商的角色,以及充分發揮工業4.0的潛力,其產品線還須拓展至通訊技術領域。舉例來說,在工業自動化方面,業界的趨勢明顯朝向乙太網路或確定性乙太網路(Deterministic Ethernet)。因此ADI最近收購專為確定性乙太網路開發半導體與軟體解決方案的供應商Innovasic。ADI藉由這項併購案增添專業人才,以專門針對高度同步網路開發強固穩定的即時連線功能,進而將各種獨特軟體解決方案納入旗下產品線。在全面邁向數位化的趨勢下,許多半導體製造商從類比技術轉移至垂直系統領域的目的,是想提供完整的系統解決方案,在實體與數位世界之間提供銜接介面。

然而為了提高客戶對這類系統的興趣,其他許多因素也會變得相當重要。不光是適合的軟體,包括相關工具以及軟體週邊的產業體系,都會為客戶增加價值。正因如此,未來還會需要包括分析產生資料的新型服務與演算法。

附加價值對未來客戶的麼意義

現今,客戶將其越來越多的資源都轉移到軟體。這對整個半導體產業形成一定的挑戰,意謂客戶除了必須提供效率超越以往的開發工具,還得訓練潛在用戶、提供技術文件與支援,包括直接、透過產業體系或是經銷商提供這些資源。儘管在技術上確實可行,但透過工業4.0功能來開發上述所有產品與系統並沒有實質意義。大部分的附加價值是為客戶提供的結果。重點在於,客戶要獲得這樣的附加價值,則必須要抵過併購技術以及運行工業4.0應用所衍生出的額外成本。依照先前經驗,客戶獲得的附加價值可攤分至以下三個因素:

  • 藉由節省時間、資源、開支,提升營運效率
  • 藉由分析使用資料,提高客戶滿意度
  • 透過擴展或建立新的商業模式,創造額外的盈收來源

對增加價值的認知,直接關係到智能產品的成功與否。最終,它們還會決定實行相關的所有技術與商業層面的參數,因此應該詳細加以分析。從分析的結果也能判斷出產品構想在經濟上是否可行,或至少在當前尚不可行。想讓開發案更加可行,並更迅速且有效率地整合到系統中,各家製造商的支援將扮演關鍵角色。當製造商能將其專業能力挹注到其客戶的研發過程時,將有助於客戶減少額外的工作以及成本。此外,製造商能繼續專注於核心業務,不必把寶貴時間浪費在學習新技術上。結盟與其他方面的合作亦有助於持續的成長。

對增加價值的認知,直接關係到智能產品的成功與否。最終,它們還會決定實行相關的所有技術與商業層面的參數,因此應該詳細加以分析。從分析的結果也能判斷出產品構想在經濟上是否可行,或至少在當前尚不可行。想讓開發案更加可行,並更迅速且有效率地整合到系統中,各家製造商的支援將扮演關鍵角色。當製造商能將其專業能力挹注到其客戶的研發過程時,將有助於客戶減少額外的工作以及成本。此外,製造商能繼續專注於核心業務,不必把寶貴時間浪費在學習新技術上。結盟與其他方面的合作亦有助於持續的成長。

遲疑不決的理由

其中一項主要的障礙,就是認為智慧工廠的利益過低,以及相關的成本。舉例來說,估算投資報酬率(ROI)目前仍相當困難,因為缺乏確實數據的評估標準。許多半導體製造商因此必須提高客戶的認知與提供培訓材料,以突顯智慧工廠的優點,以及增加投資能獲得的價值。除了新科技與商業模式,包括開發與擴展行銷活動、認證措施、以及銷售管理等,再再都證明了投資確實有其必要性。

在製造業的轉型下,例如資料與IT安全等議題將扮演越來越吃重的角色。這些議題不僅是成功推動工業4.0的重要條件-它們還必須建置到數位系統,並成為市場採納與成功的關鍵因素。

此外,在推行工業4.0的初期階段,廠商務必擬妥基礎的策略方針,才能在相對應的技術上獲取經驗。但這方面須投入耐心,因為相關技術得經歷五到十年甚至更久的時間才會充分發揮出其潛力。然而由於缺乏明確的定義,目前尚無法得知工業4.0何時會完全推行上線。與其花時間空談工業革命,更實際的作法應是將它們運用在工業演進上。

面對製造環境的變革,新進業者與競爭廠商將浮出檯面或對市場造成影響。各方組合的聯盟也將崛起,施加影響力決定製造業的面貌。就企業的未來而言,工廠的決定影響力將越來越低,反而是軟體與服務方面將扮演更加重要的角色,因為未來只有連結與融合虛擬與真實兩個世界,才能確保製造商充分發揮最高的生產潛力。

但半導體製造商也不能忽略現有的事業,或是過去成功以及至今仍然成功的產品。這些重要產品應進一步開發並繼續支援,以維持適當的製造能量。雖然現今資料轉換器的架構相當穩定,也將繼續作為未來發展基礎,但還是有必要根據基本架構進行持續的改進。舉例來說,這類產品採用一些較小的製程,可能導致無法達成相同、甚至更好的效能。

新市場趨勢下的溫和成長

近幾年的重大交易案帶領半導體市場進行匯整。銷售與經銷的業務,也從元件轉成系統銷售。未來想要成功,意謂著企業必須重新定位,體察工業4.0時代顛覆性技術與新市場的潛力。企業必須持續利用半導體產業少數自然演化的成長動力來源。不幸的是,半導體產業的高度成長期已經過去,動輒30%至40%的銷售年成長率已是過往雲煙 – 如此亮麗的數據將不復再見。預估2015到2020年,平均年成長率僅有3.4%。廠商必須問自己基本的策略問題:未來的成長將來自何處?

以下的成長來源非常關鍵: 以碳化矽(SiC)製成的電源半導體已成為未來成長動力的來源。由於它們速度更快、更強穩、且更有效率,因此超越用一般矽材料製成的半導體產品,被視為是顛覆市場的新寵。由於市場對於混合結構與電子遷移率的要求持續攀升,加上再生能源與特定產業應用的需求,預估碳化矽和其姊妹技術氮化鎵(GaN)在未來幾年將會具備市場主導性。

結論

在規模更大的物聯網方面 – 亦稱為萬物聯網 – 工業4.0也擁有著無窮的潛力。在未來幾十年,市場價值預估將成長至數兆美元。在工業4.0協助下任何有助於提高生產力的技術,都將吸引各種規模企業的極大興趣。

要充分發揮物聯網的潛力,市場需要的不光只有硬體,還需要由硬體、軟體、以及服務共同構築的產業體系。在這種新環境中,規模小但能快速應變的公司會有更多動力願意和大型企業合作,聯手推動研發。

然而,半導體製造商不可忽略當前趨勢以及工業4.0背後的各項發展。有些技術的應用版圖以往僅侷限於單一市場,但未來終將也會影響其他市場,5G就是其中一個例子。5G技術通訊技術以往都是行動裝置與基礎設施才會用到,但在未來其中一個帶動5G需求的市場,就是汽車市場。對於自動駕駛而言,和其他系統交換訊息至關重要。每部車子成為複雜產業體系的一部分,在這個體系中通訊扮演關鍵的角色。除了車輛之間交換資料外,這個產業體系還涵蓋道路基礎設施、5G網路、以及大型資料中心。此外,車輛還會依賴例如光達與雷達等感測器來擷取週圍環境的必要資訊,整個通訊系統必須通盤合作。由於自動駕駛必須處理大量的數據,加上要求更高的速度、更低的延遲、以及超強的可靠度,5G是前景最被看好的現有通訊標準。

總結而論,工業4.0這波轉型至各種智慧工廠的趨勢以及對相關技術的需求,為半導體製造商以及公司營運績效帶來極其可觀的潛力。


Author

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Thomas Brand

Thomas Brand began his career at Analog Devices in Munich in October 2015 as part of his master's thesis. From May 2016 to January 2017, he was part of a trainee program for field application engineers at Analog Devices. Afterwards in February 2017, he moved into the role as Field Applications Engineer. Within this role, he is mainly responsible for large industrial customers. Furthermore, he specializes in the subject area of Industrial Ethernet and supports appropriate matters in Central Europe.

He studied electrical engineering at the University of Cooperative Education in Mosbach before completing his postgraduate studies in International Sales with a Master's degree at the University of Applied Sciences in Constance.