随着AI数位科技提供前瞻技术，加上工业4.0的趋势带动，全球半导体厂房已经从「自动化」转向「智动化」，面对严苛的制程挑战，工厂智动化後可以依靠大数据分析，找出提升制程良率的关键点。

1993年台湾半导体产值首次超越电脑产业，成为科技龙头。半导体产业链大分上中下游：上游为IP设计及IC设计业；中游为IC制造、晶圆制造、生产制程检测设备、光罩、化学品等业；下游为IC封装测试、生产制程检测设备、零组件、IC模组、IC通路等业。其中又以晶圆厂为大宗，如台积电便是全球规模最大的晶圆代工厂。

半导体厂从自动化走向智动化！

然而，半导体产业面临严重人才短缺问题，台积电处长张孟凡及联发科资深??总经理陆国宏均指出，台湾理工人才供给逐年减少，尤其IC设计面对的冲击最大。建议台湾应从改善教育资源分配着手，加强培养人才，同时引进外籍人才，避免厂商恶意挖脚，此外，宜审酌外商补贴策略，避免优秀人才流失。

相较於人才培育，厂房自动化及数位转型应该是更快达到成效的解决方案。事实上，早在工业4.0提出之前，全球半导体厂房早已朝自动化靠拢。工厂自动化主要是利用电脑辅助设计(CAD)和电脑辅助制造(CAM)系统，在中央电脑系统的管理下进行各项工作。透过网路整合电脑技术、感测技术、自动化设备、机器人等环节，达到降低人力需求的目的。管理阶层只要利用最少人力就能掌握即时数据，管控现场设备及生产线，从物料管理、产品设计、加工制造、销售及售後服务都能透过自动化达到提高产品效能与良率的多赢综效。

後来，随着AI数位科技提供前瞻技术，加上工业4.0的趋势带动，全球半导体厂房已经从「自动化」转向「智动化」，面对严苛的制程挑战，工厂智动化後可以依靠大数据分析，找出提升制程良率的关键点，每个生产环节与设备可以独立运作，透过互联网、感测监控、人机协作彼此串联，操作人员可以随时监控周遭环境、增加生产线灵活度，也能即时排除问题。以台积电厂房为例，已经可以做到晶圆下线到出货的所有流程都由机台处理，完全自动化。

图1 : 半导体产业链。(source：产业价值链资讯平台)

半导体厂房进化论：台积电的三阶段数位转型

台积电创办人张忠谋特别强调「动员」精神，除了落实全面资源管理，也强调动态优化资源配置，在台积电数位转型的三阶段中，这样的精神也充分融入其中。

台积电的数位转型历经三阶段：2000-2012年期间的「拟人化阶段」让电脑及设备学习人类做法，推动企业流程再造并且提升组织效率；2012-2015年期间的「无人化阶段」则是透过自动化系统取代人力，同时整合电子化企业与供应链，善用大数据搜集与分析数据，成为虚拟晶圆厂；2016年之後的「超人化阶段」则是整合大数据、人工智慧等新兴技术，提升决策智慧、知识管理的品质与生产效率。以台积电12寸晶圆厂来说，第一阶段导入全自动化後的生产力较8寸晶圆厂提升约3倍之多，第二阶段提升逾60%，第三阶段再提升近20%。

台积电从「自动化」到「智动化」的过程并非一步到位，光是三阶段数位转型就历经十馀年时间，遑论其中牵扯的企业组织与管理思维调整与再造。事实上，半导体产业的数位转型不仅是将资料或作业数位化，还需导入AI与各种数位科技，比方透过AI概念下的机器学习（Machine Learning；ML），根据搜集而来的大量数据建模推测，找出最隹解以改善效能。

以大数据分析为例，台积电自2000年起即投入资料分析，应用於机台控制、机台健康、机台生产力、品管及人员生产力等范畴，有效提高晶圆良率，节省机台匹配放行时间至少50%。

自动化或智动化厂房也少不了感测器、5G传输、物联网(IoT)、机器人协作，甚至数位分身（Digital Twin）等技术相互支援。5G的高速传输与低延迟性可以使机器之间的沟通与协作更为顺畅，有效完成各种指令操作；ML系统可以透过自我学习，自动调整制作流程甚至排除异状，无需人力介入。

AI及ML的运算可以使业务部门、供应链管理与工厂生产部门的设备控制与品管等流程迅速且紧密配合，有助规划合适的生产计画；数位分身可以在资讯化平台或系统的虚拟空间中打造类比实物，还可以提供实体产品上无法测试计算的数据。

新一代智慧制造指标工厂：灯塔工厂

导入AI、ML、物联网、感测器、大数据分析搭配人机协作是半导体智慧制造的必然趋势，不仅能解决人力短缺问题，产能吃紧时也能透过自动化与智动化的力量维持竞争优势。近年来，随着AI、云端与自动化技术不断演进，智慧制造正走向下一个关键阶段：永续与节能减碳，新一代智慧制造指标工厂灯塔工厂为半导体厂房的自动化、智动化或数位转型带来另一项挑战，也带来新的维运模式。

「全球灯塔工厂（Global Lighthouse Network）」评选标准包含自动化、数位化、大数据分析、工业物联网、5G等数位科技建置以及运用成熟度，灯塔工厂利用AI人工智慧、3D列印等工业4.0技术，大规模提升效率与竞争力，保护环境，转变商业模式，同时增强劳动力能力。截至2023年1月，全球已有132家「灯塔工厂」。台湾的日月光半导体高雄先进晶圆级封装厂也入选灯塔工厂，目前共有18座厂入选。相较於传统IC晶片封装，晶圆级先进封装制程超过100道，为简化制造流程并优化生产，日月光在整个运营过程规划布署工业4.0技术，将AI人工智慧技术应用於制程，提升良率与生产排程的正确性，产能因此增加67%，订单交期缩短39%。

图2 : 日月光将AI人工智慧技术应用於工厂制程，提升良率与生产排程的正确性。（Source：日月光）

全球半导体龙头英飞凌（Infineon）亚太地区的第一座灯塔工厂位於新加坡，厂内大幅应用AI人工智慧、物联网、大数据等技术，即时的OT数据监控可以清楚掌握机台效率与生产状况，而且厂内大量运用AGV与机器人材料管理系统，实践物料搬运自动化，生产班次得以连续运行30天以上，每秒晶片产量逾3万片。除了减少能源与资源浪费，如此运作还有助英飞凌因应市场需求，快速调整产线，达到少量、多样化的生产目的，厂房的直接人工成本降低约30%，资本效率则提高约15%。此外，英飞凌也大量运用数位孪生技术打造全球虚拟工厂，提升跨国多站点的数据连接管理效率，能以更灵活的方式回应客户需求。

英飞凌执行长Jochen Hanebeck表示，英飞凌在全球大规模减碳与数位化的趋势下，正透过扩大产能加速发展，并将半导体产能应用於可再生能源、资料中心和电动车等领域。英飞凌未来将强化推动减碳和数位化半导体制程及产品，如节能充电系统、小型汽车电机控制单元、资料中心和物联网应用，至於功率半导体对於节能和智慧系统解决方案也将有所助益。

2023年初，英飞凌已於德国德勒斯登建造新的智慧化12寸晶圆厂，这座晶圆厂也将大量使用包含人工智慧、物联网等最新环保技术，可??成为同类型中对环境最友善的制造厂房之一，预计2026年完工。

图3 : 英飞凌於德勒斯登兴建智慧功率半导体厂。（Source：英飞凌）

自动化与数位转型 造福协作型机器人

市调公司Reportlinker预估，全球工业控制与工厂自动化市场规模将从2018年的1,600亿美元增长至2024年的2,695亿美元，年复合成长率达9.08%。不论半导体厂房如何智动化或数位转型，未来可与人类互动的协作型机器人的使用率必然大幅增加。富士经济（Fuji Keizai）报告预估，至2025年，全球协作型机器人的市场规模将达2,150亿日圆，是2020年的3倍之多。

德州仪器(TI)行销资深??总裁Keith Ogboenyiya指出，透过机器学习及先进感测技术，可以让协作型机器人安全地与人类并肩工作，承担危险、重复性高和渐趋复杂的任务。这些协作型机器人正在改变组装产线的风景，甚至可能带动工业设计转型，未来，结合人类与协作型机器人的劳动力新组合将会大幅提升营运效率。以半导体产业来说，该产业相关技术将持续带动马达控制、感测与工业通讯技术等方面的进步，也都有协作型机器人可以发挥之处，可以在工厂厂区与人类近距离合作。

Keith Ogboenyiya认为，半导体?业正带动次世代机器人转型，走向自主性高、体积小、敏捷度与学习效率更高、电源能力管理更隹的发展方向，而且更能灵活运用於厂房或产线上。当机器人外型尺寸改良後，更多电子零件可以置入越来越小的设计单元里，无须牺牲电源效率或精准度；更好的电子技术允许产品整合更多处理及智慧功能，使机器人可以自主运作，无须透过云端或中央处理器（CPU）下达指令或者进行操控；先进的感测技术能协助协作型机器人侦测人员及其动作，如德仪的工业毫米波（mmWave）创新技术就能透过摄影机搭配毫米波技术，协助机器人完成安全协同工作的任务。希??摄影机、感测器与机器人本机处理引擎之间达到前述通讯效果，半导体的高速连网与处理功能是关键。

此外，机器学习有助协作型机器人「教导」其他机器人，透过本机连线或直接连结云端的方式分享学习资讯。不过，前述应用与改变得以顺利运作，前提是工厂必须确保电源管理维持高效率，效率越高，协作型机器人的灵活度就越高，这部分也是需要克服的挑战。

结语

半导体厂房的智慧制造之路还在持续进行中，由於制程特性，须留意各项细节。工业电脑大厂研华科技指出，由於黄光、蚀刻、扩散等半导体制程对环境变化相当敏感，需要透过完整的环境监控系统才能加速推动智慧制造，因此，半导体厂内的传统基础设施需要加装感应器、伺服器等智慧装置，才能即时监控与管理。

图4 : 研华EI-52采用英特尔第11代边缘智慧系统，配备边缘X API和WISE-Device On。(source:研华)

此外，半导体厂也须整合周边装置资料才能导入更多智慧应用，而各项周边装置搜集到的资料必须符合半导体厂标准资料通讯格式SECS/GEM。至於推动AI相关数据的分析应用则是半导体厂智慧化最重要的环节，强大运算能力至关重要。

当AI、大数据、联网、云端及运算功能让半导体厂房变得更智慧，资安风险也相对变高，软硬体的效能与防毒性同样不可忽视。研华微型边缘智能系统「Ei-52」即具备多I/O埠，内建WISE-DeviceOn软体具备远端控制与维护功能，而且整合系统备份Acronis与防毒软体McAfee，可以快速还原及阻挡恶意程式攻击，大幅减少设备当机可能导致的产线停摆风险，稳定度高，能满足半导体对产线资料采集的要求，还能将不同设备机台所产生的资料都转换为SECS/GEM，再由Ei-52将资料传送到半导体厂资料库。

美国半导体行业协会（SIA）调查：若台湾一整年无法制造晶片，全球电子产业的营收将损失近5,000亿美元。虽然是2年前的调查，突显的是台湾半导体产业的重要性，不论是自动化、智动化还是灯塔工厂，台湾半导体厂房的数位化进程唯有加速向前，才能继续保持全球领先地位。