一颗芯片的“数字化”之旅

搬运机器人正在工作。

工人在无尘车间内操作。

■劳动报记者 陈宁

试想一下，有一种商品，如果缺少它，整个社会都将被迫停顿，它有多重要？这种商品就是芯片。芯片制造行业近年来发展迅猛，而基于物联网、人工智能等新一代数字技术打造的数字芯片智慧工厂，能够帮助芯片制造企业实现生产全流程干预，并能基于采集的数据，辅助管理决策。日前，为了解一颗芯片的数字化之旅，记者走进华虹智能工厂去看看。

制造一颗芯片

到底有多难

在指甲盖大小的晶圆上头用光刻机刻出电路，然后把数以亿计的晶体管像盖房子一样一层一层地连接起来，这就成了芯片。生产一颗芯片大约需要两三百个到上千个步骤，每个步骤有几百个变量。这些都不可能是人工完成的，一支超级强大的机器人部队每天在流水线上快速运转，日夜不休。

走进华虹8英寸智能工厂，映入眼帘的便是成排排列的专用机器，它们接收着装满晶圆的容器，这些晶圆被移入和移出这些系统进行处理。这些机器在每个晶圆上制作芯片，然后沉积和蚀刻材料层来制造晶体管并将它们连接起来。

芯片工厂的核心是 “无尘”。纳米尺度上的工作，即使是最小的物质微粒也可能对脆弱的电路造成破坏。因此，芯片智能工厂的建设工作就是落实工厂“智能化，少人化”的战略目标。

芯片制造的无尘车间空气清洁度要达到ISO 1级，具体说就是每立方米空气当中大于0.1微米的微粒数量不得大于10个。以往，8英寸生产线上的在制品，在各个加工设备之间运转主要采用人工搬送的方式，一线作业人员搬送工作量占比较重，人工搬送过程中也存在振动提升了表面颗粒物增加的风险。

如今，这部分搬送工作交给了机器人。工厂相关负责人介绍，“工厂与机器人厂商开展协作，设计并导入了复合移动机器人系统，通过提升生产过程自动化程度，有效减少一线员工劳动强度，提升生产过程质量控制的同时亦拓展了生产线工作柔性。”现阶段，工厂实现机器人和人工协作搬运，大大提升了效率，也极大降低了微粒破坏的风险。

数字化转型

减少人工依赖

即便不了解芯片的具体制造过程，你也应该听说过颇为神秘的光刻机。那么光刻机是什么？它在芯片制造中起到什么样的作用？通过这次走访，记者了解到，光刻机就是用光来雕刻芯片的电路图形，这是一个高难度、高科技含量的工艺环节。有一个很形象的比喻：两架飞机肩并肩地一起向前飞，一架飞机伸出一把刀，另外一架飞机伸出一粒米，然后要在这粒米上头刻字，还不能刻坏了。

在一家芯片工厂，光刻机的价值不言而喻。如何高效、高标准维护这些机器，并做到“机尽其用”，变成了芯片工厂的“头等大事”。

以往，机器的维修保养，全部依赖于人工，并且是从业五年以上经验的工程师。相关负责人坦言，“之前这部分工作是需要靠设备工程师去调取数据，制定什么阶段做什么样的保养等。这对工程师的要求比较高，需要很多年的工作实操经验。”

为了减少人工依赖，目前华虹制造平台实现了所有机台的保养电子化，所有输入数据报表进行分析，详细记录每个保养所使用的零部件清单以及每个零部件的具体状况，支持保养照片和视频录入。使工程师及时获取保养信息及备件使用状况，有效提高工程师的工作效率，提高了机台的保养准确性和高效性，从而对工厂产能提高做出贡献。

据介绍，机台保养管理系统，是针对工厂研发的一款设备管理系统，系统具备保养管理、点检管理、部件管理、故障管理、审核管理等功能模块，旨在解决生产中的设备管理的通知时效性问题、人员操作的规范性问题、高效性问题，数据分析的准确性问题，解决了工厂众多机台设备的定时和及时保养，追踪保养进度，统计保养结果，备件管理整合，移动平板采集。

同时，为了进一步提高产能和设备利用率，华虹制造平台自主研发了生产智能排程系统。结合产线实时生产情况，为每台设备智能推荐产品排程，承接上下游设备，实现工厂生产的平滑运行。系统的实现，大大降低了人工排产带来的人力消耗及产能波动。未来，系统还将与机器人系统对接，使工厂生产逐步迈向“全自动，智能化”。

大数据应用

克服人工操作缺点

在采访中，记者了解到，华虹集团倡导深挖生产数据价值，推进大数据发展：以中国大陆第一条全自动化12英寸集成电路生产线——华虹五厂为例，目前共计自动系统化数据269项，其中90%以上数据自动采集分析，另外不足10%部分以半自动化形式通过格式化工具将工程数据导入系统，整体基本完成生产数据系统化的要求。基于上述数据，逐步实现智能工厂的数字化转型。

但是8英寸的生产线在20年前即投入生产，大多数设备数据接口单一，通信协议繁杂，数据访问受限，各业务系统数字化基础较为薄弱。针对8英寸芯片工厂数字化转型的巨大挑战，华虹走上了结合自身特点的智能化升级之路。

相关负责人举例，良率的管理和检测，是晶圆厂的关键环节之一。在过去，缺陷分析基本是依靠人的智慧——由经验丰富的工程师，靠传统的各类软件，对晶圆片的缺陷进行数据比对、分析和判断。不过，这种方法的问题在于，分析的过程中产线需要暂停，影响生产效率。另外，结果也与工程师的判断力有很大关系。

在此背景下，工厂开发了良率管理系统，从设备监控、产品过程控制、产品终端良率等多个重要维度支撑整个质量管理流，打通数据孤岛，大幅提高数据获取、整理、清洗的时间，提升数据获取的速度，进而提高分析决策人员效率。系统上线之后，分析效率提升10倍，大幅降低相关工程人员负荷30%，大大降低不良质量事件造成的损失成本。

通过大数据、智能化的方式，在良率分析环节，克服了人工方式“标准一致性差、效率低”的缺点，大幅提升了质量水平。

组建智能工厂

专业技术团队

当前，半导体制造工厂提高产能的需求愈发迫切，而在其背后，企业通过机器人、大数据、物联网、人工智能等技术实现工厂的智能化升级，正成为行业的普遍选择。

华虹集团“智能工厂创新工作室”以数字化智能工厂为目标，集结了集成电路制造各领域的专业技术人才，为的是探索先进集成电路“智造”理念。

据介绍，集团从大数据、自适应系统等智能制造技术的最前沿科技出发，结合实践经验，逐步探索自身独具特色的智能制造方案。从获得订单，整合企业内外部资源，迅速完成订单的定制化生产，最后将产品发送给客户。整个流程实施过程都基于生产制造理念，运用物联网、互联网和自动运输车等现代前沿技术来实现。以实现“生产网络化，生产数据可视化，生产文档无纸化，生产过程透明化，生产现场少人化，生产环节智能化”智能制造战略规划，贯穿营运层、执行层、设备层业务数据。

在超满产的状态下，自动派工率可保持在98%以上，指标产线整体产品良率保持在99%以上，达到业界先进水平。智能工厂专项小组积极引入大数据的分析解决方案，运用大数据等技术，参与开展了多项专项项目，从而更加科学有效的提升生产效率，使得产品流通速度更快，产品生产周期更短。

如今，华虹集团旗下工厂已能实现不同客户的产品定制化要求和产品的全流程追溯，同时产品质量监控得以高效执行，生产效率大幅提升。

■ 摄影 颜筱依