市場分析

對半導體產業而言，2019年是有些辛苦，卻漸入佳境的一年。由於前半年各家業者處於庫存調整期，許多元件的銷售報價紛紛受到影響，製造商也因而調整自家的資本支出步伐。到了接近年末之際，庫存調整暫告一段落，廠商又開始增加資本支出，並率先帶動半導體設備業者的營運績效走強。 展望2020年，許多國際研究機構都對全球半導體市場的景氣抱持樂觀態度，但由於新冠肺炎疫情在農曆年前夕爆發，至今仍在東亞各國引發震盪，並衝擊科技供應鏈運作，因此2020年各家科技業者的營運，很可能還是會像2019年般，呈現先蹲後跳的局面。 半導體設備營收強拉尾盤 由於2019上半年全球半導體元件的庫存水位普遍偏高，直到下半年才調整至穩定狀態，因此2019年全球主要半導體廠的設備投資，大多集中在下半年，特別是在2019年11月與12月，更呈現大爆發狀態。也因為市場需求強拉尾盤，使得2019年全球半導體設備市場的表現不若預期悲觀，僅比2018年衰退8%。 全球最大半導體設備業者美商應材近日發表2020年第一財季的財報，截至2020年1月26日為止的第一季，公司營收41.6億美元，較2019年同期成長11%；每股盈餘亦達0.96美元，較去年同期成長20%，營運表現十分強勁。展望第二季，應材預估營收應落在43.4億美元上下，每股盈餘則可望達到0.98~1.10美元之間。 事實上，不僅應材在2019年底表現亮眼，整個半導體設備產業都在2019年最後兩個月強拉尾盤。除了一掃上半年的陰霾外，也使半導體設備市場的全年產值僅比2018年衰退8%，優於原先預期(圖1)。 圖1　半導體設備與材料市場規模 國際半導體產業協會(SEMI)產業研究總監曾瑞榆表示，對半導體設備產業而言，2019年可說是倒吃甘蔗的一年。在2019上半年，由於半導體元件庫存水位偏高，加上中美貿易戰的因素，使得半導體業者在設備投資上都相對保守。但到了下半年，特別是在11月跟12月，在台積電衝刺先進邏輯製程，以及英特爾(Intel)緊急擴增資本支出，以緩解CPU缺貨狀況的帶動下，全球半導體設備的單月出貨金額重新回到20億美元以上。 另一方面，記憶體庫存調整也已接近尾聲，目前NAND Flash業者已重啟設備投資計畫，預料DRAM業者的設備需求也會很快追上。 在邏輯製程需求持續維持高檔，加上記憶體設備需求回穩的情況下，整體來說，2020年全球半導體設備產業將有很不錯的表現，市場規模可望成長8%。 晶片出貨展望大致樂觀　新冠肺炎引發短期波動 至於在晶片銷售方面，由於2019年第四季市況已經明顯好轉，不僅記憶體價格跌勢減緩，邏輯晶片的銷售金額更已重拾成長力道，因此許多國際研究機構都對2020年的半導體市場抱持樂觀態度。根據SEMI彙整各家研究機構的數字，2020年全球半導體市場規模可望成長5.5%~12.5%，平均成長率則為7.7%(圖2)。 圖2　各家研究機構對2020年全球半導體市場的預估成長率 但如果進一步看個別應用市場，則可能出現幾家歡樂幾家愁的局面。展望2020年，手機晶片的出貨量仍可望有良好表現，至於個人電腦(PC)與伺服器，則受到英特爾CPU供應有限及雲端服務業者縮減資本支出，而呈現大致持平的局面。但過去幾年被寄予厚望的汽車應用，表現恐將不如預期。 不過，目前仍在發展中的新冠肺炎疫情，可能會對半導體設備市場的短期表現造成衝擊。可以預期的是，中國新冠新芯、長江存儲與武漢弘芯由於位處重災區湖北省，因此短期內機台移入/裝機的作業程序勢必會受到延誤。其他電子零組件供應商及系統組裝廠的復工情況，也會受到疫情影響，使得產業鏈的運作出現問題。倘若疫情影響的時間拉長，全球電子供應鏈的營運都會受到影響。 但如果參考過去SARS時期的經驗，在疫情告一段落後，這些遞延的需求會很快回籠。故曾瑞榆認為，2020年半導體設備市場的狀況不必過度悲觀，很可能呈現先蹲後跳的局面。

雖然目前的總標金已是天價，但這個數字仍非最終結果。按照國家通訊傳播委員會(NCC)的規畫，2月21日將進入第二階段的位置競標，待第二階段競標完成後，5G頻譜競標才會正式結束。換言之，台灣5G頻譜的總標金還有可能繼續向上攀升。但不論第二階段競標結果如何，高昂的總標金已墊高了企業利用5G技術建立企業專網，發展智慧製造應用的投資門檻。特別是有意走專頻專網路線的業者，會受到最直接的衝擊。 NCC力求公平　專頻專網成本不低 根據NCC目前對外公告的申請規則，有意申請4.8GHz~4.9GHz企業專用頻段的業者，其取得成本將以商用頻段的競標金額做為計算基準，並以10MHz為最小單位提出申請。不過，由於企業專網的訊號涵蓋範圍只限於廠區內，跟商用頻段的授權範圍涵蓋全台不同，因此NCC提出的申請費用計算方式是以商用頻段的標金，乘上廠區面積占全台土地面積的百分比來計算。 舉例來說，如果有某家製造業者在全台灣各地的廠區總面積達100公頃，若要採用專頻專網的方式來建構自己專用的5G網路，光是申請10MHz頻段的執照費用，就需要支付新台幣14.2萬元作為申請費用。 但除了申請頻段的費用外，取得執照的業者還必須每年付給政府一定金額的頻段使用費。因此對製造業者而言，要「養」一個屬於自己的專用頻段，會是一筆不小的開銷。據了解，目前中華電信每年支付給政府的4G頻段使用費，約在新台幣12億元左右。 NCC目前的政策態度很明確，希望製造業者以跟電信業者一致的頻段成本來取得自己的專屬頻段，以免製造業者占了電信業者的便宜。但這個政策方向將使得製造業者的5G專網總體持有成本(TCO)遠高於電信業者，因為電信業者在設備採購時享有規模效益，其設備採購單價會遠比製造業者零星採購來得便宜。 多位半導體業界人士都指出，其所服務的公司已經跟易利信(Ericsson)、諾基亞(Nokia)等5G設備大廠接觸過，探詢專頻專網相關設備的報價。雖不方便透露具體數字，但這些設備大廠提出的報價單，著實讓他們倒抽一口氣。若連口袋相對深的半導體業者都感到猶豫，一般規模較小的製造業者或傳統產業，只怕更負擔不起。 虛擬化/彈性組網有助降成本 由於製造業者採取專頻專網來布建企業目前目前5G網路的整體成本十分高昂，因此許多製造業者均退而求其次，與電信業者合作，採用商頻專網的方式來組建自己的企業5G網路，例如賓士汽車(Mercedes Benz)與瑪莎拉蒂(Maserati)，博世集團(Bosch)的5G實驗性生產線建置專案，也有電信業者參與其中(圖1)。 圖1　目前已經導入5G的實驗性生產線，都是由製造業者跟電信業者合力建設而成。圖為博世位於英國的實驗性5G智慧製造產線。 商頻專網跟專頻專網最大的差別在於製造業者不必負擔因專用頻譜所衍生的成本，基地台跟網路布建也可以交給電信業者，藉由電信業者大量採購的優勢來降低硬體成本。網路建置完成後，如果製造業者沒有網路維運的能力，也可以直接委由電信業者代為維運。 不過，由於企業網路內勢必會傳輸大量敏感的機密資料，因此企業即便不使用專頻，也必然會傾向於使用專屬網路。所幸5G標準在制定時已考慮到智慧製造等企業物聯網的需求，因此在組網機制上設計了許多彈性作法，資料傳輸不一定非得經過電信業者的核心網路。例如企業可以在自家廠區內布建獨立的多接取邊緣運算(MEC)單元，確保機密資料不在公共網路上傳輸。如果廠商能接受資料在公共網路上傳輸，也可以利用網路切片(Network Slicing)等虛擬化技術，利用電信業者的硬體打造企業自己的虛擬專網。 若說專頻專網有何優勢是商頻專網所不具備的，就屬頻段的排他性。由於商用頻段除了服務企業客戶外，同時也要服務為數眾多的使用者，若廠房所在地附近正好有大型場館，當這些場館在舉行活動，吸引大量群眾聚集的時候，商頻專網可能也會無法正常運作。因此，若企業廠房所在地附近有球場、體育館這類大型場館，在思考5G專網布建方式時，需要特別注意這點。表1為專頻專網與商頻專網的優劣勢比較。 URLLC/mMTC規格未定　性能表現待評估 事實上，雖然許多通訊業者在談到5G時，都會以5G擁有更高頻寬、更低網路延遲並支援更多用戶端設備接入，但這三個特性其實5G標準底下三個不同的應用場景，分別是增強行動寬頻(eMBB)、超可靠低延遲通訊(URLLC)與大量機器類通訊(mMTC)。目前僅eMBB已經在3GPP R16中有完整的定義，URLLC跟mMTC則要等到R17之後，因此對有意在5G通訊基礎上發展智慧製造應用的業者而言，URLLC跟mMTC到底能不能滿足實際應用的需求，還有很高的不確定性。 有業者表示，在工業應用場域，每項技術都要實測才能見真章，畢竟工業應用的環境變化多端，適合某個場合使用的技術，到了另一個場合不見得管用。當下已商品化的5G，都是以eMBB作為應用場景，針對URLLC跟mMTC場景開發的5G解決方案，目前在市場上還不存在，也無法實測。因此，5G在智慧製造的應用，都還在很早期的概念發想或概念驗證(Prove of Concept, PoC)階段，距離大規模布署還有很長的一段路要走。 另一方面，目前生產現場所使用的機台設備都還不具備5G聯網能力，若企業要導入5G專網，隨之而來的機台改造也是一項大工程，而且許多機台設備都是嵌入式系統，不太可能像PC這類開放架構設備，只要插個5G USB Dongle、安裝驅動程式就完工了。機台改造的問題，也會構成企業導入5G專網的一大門檻。 總結來說，5G與智慧製造的結合，是通訊產業非常期待的新商機，但從製造業的角度來看，5G能否在智慧製造應用中扮演通訊骨幹的角色，還是一個不小的問號。畢竟不是每一種工業應用都需要使用無線通訊；就算要使用無線通訊技術，也要經過長時間的實地測試，經過千錘百鍊，確定其可靠度之後，業者才敢放心採用。目前5G提出了很多美麗的願景，許多具有一定規模的製造業者也已經開始研究該如何在生產流程中使用5G技術，但5G在製造業的普遍應用，絕非一蹴可幾。

在蘋果(Apple)、小米等電子品牌業者透過手環、手錶與耳機等產品，為消費性穿戴式裝置成功打開市場後，社會大眾對於利用穿戴式裝置收集生理訊號，結合手機App來追蹤自己的健康狀況或運動數據，已經有了很高的接受度。而這類消費性產品所創造的龐大市場需求，也反過來吸引晶片供應商投入更多資源，研發感測精度更高、更省電與更低成本的解決方案，使得穿戴式裝置這個應用市場踏上正向循環的發展道路。 消費性穿戴式裝置的成功，同時也為生醫、長照或其他專業型穿戴式應用的發展打下更穩固的基礎，並使得相關產品的開發者得以挑戰技術難度更高的穿戴式產品，例如智慧衣物、醫療設備等。另一方面，眼球追蹤等新一代人機介面技術的進展，讓使用者可以直接用視線來與穿戴式裝置互動，也為穿戴式裝置未來創造出更多可能性。 半導體技術持續進步　穿戴裝置進軍生醫 成功大學電機系李順裕教授(圖1)指出，收集各種生理訊號，再結合手機App等資訊軟體來追蹤使用者的生理狀況，是目前絕大多數消費性穿戴式裝置的主要應用情境。生醫或長照所需要的穿戴式裝置，核心功能大多也都跟這些消費性產品雷同，只是為了取得更精準的數據，或貼近某些應用場景的特殊需求，而必須在外觀上做一些改變。 圖1　成功大學電機系李順裕教授表示，穿戴式裝置在生醫跟長照領域，有極大的發展前景。 智慧衣就是一個很典型的例子。藉由將感測電極與紡織品結合，加上低功耗放大器、濾波器、微控制器以及藍牙等穿戴式裝置所使用典型元件，以及手機App，就能構成一套完整的穿戴式裝置。不過，也因為感測電極必須跟布料整合，所以智慧衣的開發者必須找到有相關技術的紡織業者合作，這反而是比較大的挑戰。 李順裕教授所帶領的團隊，在開發智慧衣的專案中，配合的紡織業者是台南當地的廠商。他表示，台灣有很強的紡織業基礎，因此台灣要發展智慧衣這類專業型的穿戴式裝置，具備不錯的先天優勢。 相較之下，專業型穿戴式裝置所需的電子元件，基本上已經相當成熟。以李教授所帶領的團隊為例，該團隊所研發的各種穿戴式裝置，如智慧運動衣、智慧寵物衣，甚至具有醫療功能的癲癇腦波監測與刺激治療裝置，絕大多數元件都是由亞德諾(ADI)供應。 安馳科技應用工程師范育彰(圖2)表示，誠如成大李教授所言，穿戴式裝置的核心元件不外感測、電源、控制與通訊四大類，其中又以感測最為特殊，因為穿戴式裝置需要感測的物理量大多是生物訊號，其他像電源、控制與通訊，都屬於通用元件。但由於穿戴式裝置的外觀通常非常緊湊，沒有空間安裝大電池，因此不管是感測、電源、控制或通訊元件，都必須做到非常省電。 圖2　安馳科技應用工程師范育彰指出，亞德諾在穿戴式裝置應用有很完整的布局，特別是在感測與電源方面。 亞德諾目前的產品布局著重在感測跟電源兩大領域。針對穿戴式裝置所需的感測技術，目前已推出超低功耗加速度計、測量心跳用的光學模組及支援單端量測的心律感測前端等，都具備小封裝、低功耗的特性。至於在電源方面，亞德諾也已透過購併凌力爾特(Linear)，獲得完整的電源管理跟充電IC產品線。 因此，對穿戴式裝置的開發者而言，亞德諾確實有足夠的產品線涵蓋範圍，能實現一站式採購，省去四處尋找適合元件的麻煩。此外，針對某些穿戴式應用，亞德諾還能提供完整的電子系統參考設計，進一步協助開發者縮短產品設計時間。 超低功耗　帶來電路量測挑戰 為了滿足使用者對穿戴式裝置電池續航力的期待，元件供應商在針對這類應用開發產品時，都將超低功耗列為主要的設計目標，並導入各種休眠模式，盡可能壓低靜態電流消耗。但對穿戴式裝置的設計者而言，這些功能雖然有助於壓低系統功耗，卻也使得穿戴式裝置的電源量測變得更具挑戰性。 克達科技資深應用工程師馮育隆(圖3)指出，提到電源量測，工程師最常使用的量測工具，不外數位電表跟示波器兩種工具，但對穿戴式裝置的電源量測來說，這兩種工具其實並不理想。 圖3　克達科技資深應用工程師馮育隆認為，數位電表跟示波器這兩種常用的測試儀器，不適合用來量測穿戴式裝置這類電流非常小的應用。 數位電表有足夠的動態範圍，可量測到奈安(nA)等級的電流，對於有深度休眠模式的穿戴式裝置來說是足夠的，但數位電表的取樣率通常只有10KHz，當快速暫態事件發生時，很容易錯失訊號；示波器則正好相反，其取樣率足以捕捉到各種暫態訊號，但其動態範圍不足，通常只能量測到微安(mA)等級的電流，當待測物處於深度休眠模式時，會量不到訊號，因此，不論是數位電表或示波器，在開發穿戴式裝置時，都不是理想的功率量測儀器。 有鑑於此，是德(Keysight)特別開發出在動態範圍跟取樣率間取得更佳平衡的元件電流波形分析儀CX3300，搭配N6700系列電源供應器跟對應的測試軟體，可以讓穿戴式產品的開發者精準取得各種微小的電流波形，並對產品的整體功耗進行更全面的評估。 眼球追蹤　突破人機互動難題 目前絕大多數的穿戴式裝置，本質上都是將感測器設計成適合穿戴在身上的形式，以便隨時擷取各種生理數據。目前穿戴式裝置的發展狀況如此，跟科技的局限有關，因為穿戴式裝置非常小巧，沒有足夠的空間來實作太複雜的人機互動功能，因此只適合用來當作被動的資料擷取設備。但如果有人機介面技術能有所突破，穿戴式裝置的發展道路肯定更加寬闊。 見臻科技創辦人暨執行長簡韶逸(圖4)認為，眼球追蹤技術就是穿戴式裝置目前還欠缺的人機互動關鍵技術。有了眼球追蹤技術，使用者就能用視線來與穿戴式裝置互動，這會為穿戴式裝置的設計帶來許多突破性的發展，例如智慧眼鏡、虛擬實境(VR)跟擴增實境(AR)等會占用人類視覺感官的穿戴式裝置，都將因眼球追蹤技術的突破，在使用體驗方面更上一層樓。 圖4　見臻科技創辦人暨執行長簡韶逸認為，眼球追蹤將是穿戴式裝置不可或缺的關鍵技術。 但目前市面上存在的眼球追蹤技術，大多使用多顆發射不可見光的LED來進行眼球定位，這種架構過於複雜，不僅墊高了原物料成本，產品在量產時的校正也非常花時間，更嚴重影響系統的電池續航力，並使得產品外觀更加笨重，因而阻礙了眼球追蹤技術的普及。 這些問題讓見臻看到突破的機會，並發展出只需要雙眼各一顆LED的硬體方案，再搭配見臻自行研發的軟體演算法跟ASIC，搭載眼球追蹤技術的頭戴式產品將可有一整天的電池續航力，而且成本跟體積都比現有的解決方案更理想。

由於真實世界的物理現象往往互相連動，調整任何一個參數，都會對其他參數造成連帶影響，因此使用者必須針對多重物理量進行耦合分析，才能掌握全局。這類需求在電子設計領域特別強勁，為滿足電子設計產業的需求，Ansys已推出可整合多種物理模擬工具的Ansys Electronics Desktop(AEDT)。AEDT是用於電磁、電路和系統模擬的高階整合平台，可在本地構建ANSYS HFSS、Maxwell、Q3D Extractor和Twin Builder等工具，並作為這些工具的通用前處理器和後處理器。 AEDT在統一框架中提供通用使用者介面、模型輸入和設置、模擬控制以及後處理等功能。ANSYS黃金標準電磁場模擬器HFSS、Maxwell和Q3D Extractor可共用桌面環境，將所有分析共同嵌入到單一設計中。統一的桌面環境可用來創建電子和電動機械設計，提供動態連結電磁、電路和系統模擬的全面模擬功能。 AEDT還提供高性能3-D布局介面，配合傳統的任意3D CAD建模介面。HFSS 3D布局介面顯著提高了IC封裝和PCB設計人員的生產力，能幫助他們打造完全參數化的布局模型，由ANSYS HFSS進行求解。印刷電路板(PCB)、電子封裝和IC的模型可從常用電子設計自動化(EDA)工具中導入桌面。此外，3-D布局連接專業的HFSS網格剖分引擎，也能加速求解。 而在建模跟元件庫方面，由於互聯電子設備的爆炸性增長，單一產品中RF/微波元件、天線和嵌入式無源元件的設計，為設計組織機構帶來了新的挑戰。AEDT支援廠商元件庫和各種建模技術。ANSYS HFSS的新功能幫助用戶充分發揮高度整合的組件IP作用，從而在不同工程部門以及整個供應鏈上設計、優化和共用高頻組件。

文 ｜ 萬岳憲 資策會MIC產業躍升事業群總監 俄羅斯有一句諺語：「市場上有兩個類型的傻瓜，一個是開價過高，另一個開價太低。」 大多數的產品經理，都很熟悉行銷4P模型：「產品(Product)、價格(Price)、通路(Place)、推廣(Promotion)」，但是如果再進一步詢問，這四個因素的優先排列順序，就會發現「價格」經常被排在最後，這並不表示產品經理不重視價格，而是價格能夠被討論的空間很少，多數企業在新產品上市前，習慣以「成本加價法」的概念訂價，在至少不能虧本的最高指導原則下，為行銷業務團隊訂定價格銷售底線，業務只能以有限的價格空間與通路商談判，通路商最後也只能以更有限的價格空間，與競爭者在消費市場紅海廝殺。 德國知名管理學教授西蒙(Hermann Simon)長年研究產品訂價背後的價值思考，2012年在他主持的《全球訂價研究》(Global Pricing Study)計畫研究過程中，曾經訪談50個國家的2,700位專業經理人，發現有67%的受訪者承認，目前所服務的企業，並沒有建立一套完善的訂價制度或策略，無法讓他們提供市場想要的價格，反而讓企業的獲利面臨風險。 事實上，企業所有的獲利，都與直接或間接的價格策略有關聯，產品或服務與消費者最直接的連結就是價格，每一次的消費行為，就代表支付一個價格，消費者願意為這個價格付出，同時得到他想要的回報。西蒙教授感嘆，我們每天都圍繞著價格生活，儘管價格無所不在，但是對於價格是如何產生的？對消費大眾的影響為何？瞭解得太少。 西蒙教授認為，多數企業想要訂定一個讓市場接受的價格，往往習慣從成本的角度切入思考，在至少不能虧本的使命驅使下，許多訂價思維是以「成本加價法」的概念進行，雖然這是最容易、最安全的訂價方式，但是絕對不是最能夠反映顧客對商品或服務價值認知的訂價方式，因為決定產品或服務價格的核心思維，應該著重於「對顧客的價值」，要以同理心的角度，思考顧客眼裡的價值認知，顧客願意支付的價格，就是商品或服務可以訂定的價格。 顧客對產品或服務認知的價值，不妨從消費者視角的理性與感性來思考。理性的來源，是企業在推出新產品時，傳遞給消費者的「價值主張」(Value Proposition)，必須讓消費者先認識價值，然後才會接受價格，還要能提供競爭產品沒有的差異化價值，這樣的訊息傳遞才能具備較高的說服力。 感性則來自企業展現產品或服務價值的心態，經由心態所形塑的服務內容，從消費者認識產品的第一個接觸點開始，就被轉換為「企業對我的心意」，這份心意是一連串啟動心靈感受的過程，透過「感覺、經驗、記憶」的感官歷程，在心靈產生「追求幸福的感覺」，然後這種感覺會再轉嫁寄託在「價格認知」。美國哲學家劉易斯(C. I. Lewis)在1929年就使用「感質」(Qualia)這個詞彙來探討人類的主觀意識與感受。他認為，感質力完全由人們的直覺產生，是人類非常特別又難以使用語言文字形容的感受，這些微妙的感覺，觸動人們對外在事物產生獨特的心靈互動，甚至留下一生難忘的記憶。 西班牙哲學家葛拉西安(Baltasar Gracian)認為：「人們寧可在價格上受騙，也不能在品質上受騙。」這句話或許解釋了，為什麼有些人願意為相同的產品或服務，支付較高的價格。 近年來的諾貝爾經濟學獎得主，幾乎都對行為經濟學有所涉獵，甚至有許多經濟學家也開始提出，過往將人性視為中性的經濟學研究，至今是否仍適用的疑慮。美國杜克大學行為經濟學教授艾瑞利(Dan Ariely)的人類行為實驗研究也顯示，人們接受並支付價格的行為誘因，來自於他知道付出之後，所得到的回報，能夠為自己帶來更高的價值，而這樣的認知會驅使人們更願意接受高價格的產品或服務，甚至認為低價產品會帶來更劣質的回報。 成功的訂價策略是要引導消費者做決定，傳統的「成本加價法」訂價概念，只要收入能夠超過固定成本與變動成本的總和，就算是有獲利。但是從競爭獲利的角度思考，成功的訂價策略，應該要找出能夠創造產品「獲利極大值」的精準訂價區間，在這個區間內沒有單一訂價策略，只有最適合消費者不理性需求的差異化訂價藝術。西蒙教授認為，成功的單一訂價只能為企業賺到「應該有的獲利」，但是會損失「潛在的獲利」，運用差異化訂價策略找到最適合價格，往往獲利是單一訂價的兩倍。 最簡單的差異化訂價策略就是「產品組合」，西蒙教授的研究顯示，為消費者設計額外的需求選擇，能夠成功引導轉移需求至更高價的產品(如下表)。你會看到B組選擇「活期帳戶+信用卡」服務的付費百分比，較A組增加了22%，每位顧客的營收平均貢獻度增加28%，而銀行並沒有為B組多付出服務成本，只是增列一個「信用卡」的服務品項而己。 簡單來說，消費者就是需要「物超所值」的感質力，「平價優質」的策略並不能確保企業的獲利，甚至會增加落入紅海競爭的風險。所以就要讓消費者認同產品或服務的價值，產品經理在進行價格(Price)決策時，必須建立「價格=價值」的準則，探討產品價格與「對顧客價值」的關係；而產品(Product)則必須創造價值，創新與優質是激發顧客認知價值的催化劑，通路(Place)與推廣(Promotion)是傳遞價值，影響顧客價值認知的決定性因素。 法國有句諺語：「價格終會被遺忘，只有產品的品質還在。」消費者對價格的記憶是短暫的，但是低價劣質產品遺留的挫敗感，會形成難忘的記憶，投射為對品牌形象的厭惡；高價優質產品與良好的售後服務，才是形塑消費者持續正向價值認知的決定性因素。專業的產品經理，必須完美展現產品能給予顧客的價值，同時轉移消費者心中的「價格探照燈」。

在傳統的IC設計流程裡，當晶片設計者完成線路布局(Place & Route)後，下一個步驟就是要藉由模擬來確認晶片設計是否能如預期運作，此一步驟又稱為設計簽核(Design Signoff)。由於先進製程的一次性工程成本(NRE)十分驚人，為了避免產品在投片後才發現問題，白白浪費時間與金錢，因此許多IC設計者都會在設計簽核階段非常小心地審視自己的晶片設計，以求萬無一失。 然而，隨著半導體製程線寬越來越細微，很多原本不被認為會引發問題的物理現象，都開始干擾晶片的正常運作。前幾年某晶片設計大廠的應用處理器，就發生過出貨後晶片無法穩定運作，需增加供電電壓才能恢復正常的事件。 業界一般認為，此問題的出現，跟電晶體密度過高引發的壓降(IR Drop)脫不了關係。IR Drop是一個典型的物理現象，跟電晶體的內阻有關。當電晶體數量太多，就像一個串聯電路上串連了太多燈泡，超過供電的負荷能力後，燈泡的亮度會因為電壓不足而變暗。也因為如此，在此事件之後，每年EDA工具商所舉辦的論文評選活動，討論IR Drop議題的論文總是能拿到前三名大獎。 先進封裝技術的普及，更使得晶片業者在開發產品時，必須考慮到更多更複雜的物理問題。例如多晶片封裝引發的機械結構問題，以及整合了天線的毫米波元件，必須審慎檢視電磁場的場型分布等。這些趨勢都使得多物理模擬開始在EDA工具流程中，扮演更舉足輕重的角色。 多物理模擬成為EDA必備工具 安矽思(Ansys)資深技術經理魏培森(圖1)表示，真實世界本身就是一個由多重物理現象所構成的世界，就像高品質的汽車頭燈設計，考量的不只有亮度、聚焦與發光效率，更多的輔助設計是在處理濕度與高溫造成的問題。 圖1　安矽思資深技術經理魏培森認為，為了解決IC設計所面臨的物理挑戰，模擬工具所扮演的角色將越來越重要。 晶片設計的情況也是一樣，隨著晶片的微型化與複雜度與日俱增，不單只是電源一致性(Power Integrity, PI)、訊號一致性(Signal Integrity, SI)與時序(Timing)等傳統設計簽核所包含的項目，在先進封裝興起的當下，異質結構的整合、散熱問題、熱形變、撞擊甚至是電磁干擾(EMI)的設計，也是目前晶片設計者在開發晶片時，必須要考慮的重點項目。 更複雜的是，這些物理問題往往彼此耦合，牽一髮動全身。例如電的損耗會轉變成熱能，熱則會造成晶片或模組的溫度上升，倘若溫度上升不均勻，還會造成型變，變成機械結構的問題，進而影響晶片的可靠度與使用壽命。這些都是目前晶片設計者目前所遭遇的多重物理挑戰。 益華電腦(Cadence)資深技術經理白育彰(圖2)則表示，由於晶片設計日益複雜，EDA工具的使用者對多物理模擬工具的需求，確實在近幾年逐步走強。在拜訪IC設計相關客戶時，很多用戶均提出與多物理模擬相關的需求。 圖2　益華電腦資深技術經理白育彰指出，用戶對多物理模擬方案的需求殷切，故該公司已將相關產品劃歸為一個事業部門，以強化業務發展。 事實上，Cadence在很多年前就已預見多物理模擬對EDA工具的重要性，並在2012年購併Sigrity，從SI領域切入多物理模擬後，持續擴張自身在多物理模擬領域的產品線。目前Cadence內部已將多物理模擬工具，包含Sigrity、Celsius、Clarity等劃歸為多物理系統分析(MSA)部門，以整合研發資源，強化業務推動。 多物理問題彼此耦合　工具必然平台化 由於真實世界裡的各種物理現象彼此間往往存在複雜的連動關係，因此多物理模擬工具必然要走向整合，才能幫使用者解決問題。 魏培森指出，現有的IC設計流程大多只有考慮到電氣行為的分析，也就是傳統的PI、SI跟Timing，對於物理特性的模擬並沒有完整的設計流程。這些都是全新的設計流程，也都正是Ansys現在正在著墨的。 首先，原來2D的思維要變成3D，傳統IC電氣分析都是2D的、都是平面的，但是眼前的物理現象都是3D的，熱的擴散、應力的變化都是3D的，所以模型必須改變。其次，材料資料庫要增加，包含熱阻係數、熱傳導率、比熱、密度、彈塑性、楊氏係數等材料特性的參數，都要納入資料庫。 此外，跟電氣行為的模擬相比，多物理模擬的維度也大不相同。像是穩態、暫態、線性、非線性等型態的模擬，以及如何建立熱源模型、模擬電-熱轉換，都是多物理模擬必須思考的問題。 有鑑於各種不同的物理現象之間，存在著千絲萬縷的連動關係，ANSYS首先提出Workbench設計平台，整合大部分的現有技術，提供熱、電、應力多物理的整合模擬平台，客戶可以Workbench上呼叫Ansys各種電、熱、應力旗艦產品，先進行單一物理現象的模擬，亦可以在平台上互相串連，如電損耗的輸出當成熱分析的輸入、熱分布的結果變成應力計算的能量不均勻分布，一環接一環得到最接近真實物理世界的模擬結果。 在晶片等級的分析上，除了aedt(ANSYS Electrical DeskTop)可以當作共模擬平台外，考量CPS(Chip、Package、System系統)各有各的設計know-how，彼此間不容易分享與取得最完整的3D模型進行資料串聯，ANSYS也提供CTM(Chip Thermal Model)、CPM(Chip Power Model)、CSM(Chip Signal Model)等標準模型格式，讓各個領域能有非常方便的共模擬模型。 白育彰則表示，Cadence的多物理模擬工具產品組合，也正在以平台化的模式不斷擴張中。除了處理SI、PI問題的Sigrity、負責熱模擬的Celsius，以及跟電磁(EM)有關的Clarity等獨立工具還會持續增添更多新功能外，跨工具的整合跟串聯，也是Cadence正在努力的方向。舉例來說，針對大尺度電磁模擬，主要是射頻(RF)相關設計，Clarity很快就會有新的功能發布。未來Cadence還會進一步推出光學跟應力有關的模擬工具，以滿足用戶需求。 但由於Cadence本身還有很強大的前段設計工具，因此除了水平方向的平台化之外，Cadence的多物理模擬工具其實更注重與前後段設計工具的整合。例如將模擬的結果跟前段設計工具串聯，讓客戶能更快完成產品設計。畢竟客戶不是為了模擬而模擬，而是為了晶片的製造才進行模擬。把模擬的結果跟設計工具無縫銜接起來，提高設計工程師的生產力，是Cadence獨特的競爭優勢。 由Cadence與Ansys的產品發展策略，可看出不同公司由於所處產業地位的不同，採取的策略也會大異其趣。Cadence顯然是將多物理模擬作為EDA流程中越來越重要的一環來經營，因此強調的是與前後段工具的整合，Ansys則是老牌的多物理模擬工具大廠，因此著眼點在不斷強化多物理模擬解決方案的涵蓋率，並且對於跟其他EDA公司的合作，抱持著開放態度。兩種策略取向有不同的優勢，但也有其弱點。IC設計者如何評估跟選擇，將是需要仔細思量的課題。

相較前幾代行動通訊，台灣廠商往往等到標準底定，晶片成熟之後，才相繼投入市場。而在5G時代，台灣廠商與各大品牌商以及晶片製造商提早合作，成為5G市場的第一波先行者。安立知業務暨技術支援部經理江宗縉指出，5G的技術規格帶給產品測試驗證更多的挑戰，測試更加複雜、測試時間拉長，在開發與驗證的測試成本，比起以往4G至少高出2~3倍。 安立知業務暨技術支援部經理江宗縉指出，5G的技術規格，帶給產品測試驗證更多的挑戰，測試更加複雜、測試時間拉長。 中低頻FR1與高頻FR2在測試上也帶來不同挑戰，江宗縉表示，FR1的測試可以透過同軸電纜連接方式量測，其測試方式與4G LTE相似，FR2因無法透過同軸電纜連接測試，只能搭配暗室系統透過OTA方式量測，量測過程中有許多不可預期因素，導致量測結果不如預期；加上測試需進行旋轉計算取得最佳發射角度，使測試時間拉長。無論是天線的架設、待測物的治具，在FR2的測試下都需要特別注意。安立知在高頻毫米波的測試，提供解決方案為MT8000A，搭配MA8171A/MA8172A不同暗室系統，加上安立知的測試工具，縮短研發時的驗證時間，提供穩定的測試結果。 江宗縉進一步說明，安立知在5G從晶片研發到產品驗證以及認證系統，再加上生產設備的服務。此外，該公司也開發了自動化測試工具，搭配RF switch做到自動測試方案，讓研發人員節省架設環境與測試時間，能夠長時間進行迴歸測試，確保測試結果一致性。ME7873NR/ME7834NR符合GCF/PTCRB法規的一致性認證系統，亦可支援不同電信業者規範，搭配MA8161A/MA8171A/MA8172A支援3GPP全部5G頻段，實現FR1及FR2的認證測試需求。

機器人以及各種旋轉機具的狀態監測(CbM)，像是渦輪、風扇、泵浦、馬達等機具，會記錄下機具健康與效能方面的即時資料，藉以進行針對性的預測維護，以及優化控制。在機器生命週期初期執行針對性預測維護能降低生產線停擺的風險，進而提高可靠度，省下可觀成本，以及提高廠區的生產力。 振動感測為狀態監測常用方案 工業機具的狀態監測可採用許多種類的感測器資料，包括如電性量測、振動、溫度、潤滑油品質、聲響等，以及像流量與壓力等製程量測數據。目前最常見的則是振動量測，因為振動是反映諸如不平衡以及軸承失效等各種機器問題最可靠的指標。本文專注探討運用振動感測，而這類量測方法同樣也適用於其他感測器的資料。 感測器資料從感測節點傳至主控制器或雲端的傳輸方式極大程度取決於應用。在許多應用中，本地端資料處理機制會建置在邊界節點上，整理後的資料接著會以無線方式傳送到網路閘道器，或透過手機網路直接傳送到雲端或分析伺服器。 在這些情況中，傳送資料量一般都很低，而且邊界節點由於使用電池供電，其傳送功率也比較低，反觀其他應用，傳送的則是未經處理的資料。 舉例來說，在匹配與融合多個感測器的資料之後，再將結果傳出並進行分析。一些應用還需要傳送未處理資料，這些資料用來執行即時控制。在這些應用中，較可行的資料傳輸解決方案則是有線介面。工業應用的狀態監測可採用優化型微機電系統(MEMS)訊號鏈加速計、低功耗微控制器，以及有線型iCoupler隔離介面，利用它們執行擷取、整理，以及可靠地傳遞機具的健康資料，並將這些從遠端CbM從屬設備取得的資料傳回到主控制器進行後續的分析。 經過長時間累積後，機器的健康資料即可用來建立軟體模型，藉此判斷機器行為的變化，以及維護機器的健康。在像是CNC數控加工機這類應用中，這類資料還可用來即時優化系統的效能。 實作有線CbM介面面臨的挑戰包括透過長纜線傳送資料時EMC強固性、在高傳輸率下資料完整性(即時CbM資料串流傳輸)，以及通訊實體層/協定的不匹配等。本文將以ADI的有線介面解決方案為例，它們除了能協助客戶縮減設計週期與測試時間外，還能讓工業CbM解決方案加快上市時程。 有線CbM設計實作考量 在設計與部署有線式狀態監測解決方案方面，必須考量許多系統效能因素以及做出取捨。第一，在選擇適合MEMS加速計方面，必須考量需要量產的失效種類，才知道應該挑選具備什麼樣頻寬以及雜訊效能的MEMS元件，才能因應相關的系統需求。另外邊界節點的處理能力則須匹配選中的處理器，以確保能發揮最大的系統彈性。 第二，有線CbM系統的設計必須小心挑選適合的有線通訊協定以及實體層元件，以進行高速即時資料串流傳輸。建置有線介面方面，其中，需要審慎考量EMC效能、資料傳輸線路/連接器/以及透過線路傳送電力等因素。 選擇適合MEMS加速計 選擇適合MEMS振動感測器涉及多個層面的因素，首先是軸向數量。監控軸向的數量，通常和失效種類以及感測器裝設方位有關聯。如果失效分布在明顯的軸向，而且沿著該軸向有著明顯的傳遞路徑，那麼單軸向感測器就足夠應付需求。對於涉及分布在多個軸向上能量的失效，或是失效能量的傳遞路徑並不明顯的狀況，就適合採用三軸感測。 其次是失效種類。要監視的失效種類，對於挑選感測器有很大的影響。在這方面，感測器的雜訊密度以及頻寬都是重要的規格，因為它們決定了能可靠擷取到振動以及頻寬的範圍。以一個例子來看，低轉速機器的不平衡以及錯位(Misalignment)失效，需要一個低雜訊密度感測器，頻寬需求則相當低；若是齒輪失效的偵測，感測器需要的規格則是低雜訊密度以及高頻寬。 最後則是效能需求。除了失效種類，還必須瞭解CbM的效能需求。在建構精密預警機制方面，需要基本流量狀況的偵測警訊，藉以反映效能水準。這方面除了涉及到部署的分析機制以及演算法，同時也會影響到選用的感測器。感測器在頻寬、雜訊密度，以及線性度等方面的效能越高，分析功能就會越先進。 選擇適合的訊號處理 在訊號處理設計方面，考量因素則有三點。第一是加速計輸出，加速計的輸出端通常是類比或序列數位訊號介面，通常是SPI。類比輸出感測器則需要一個轉換階段，將資料轉換成數位格式，以及訊號調節步驟。包括採用分立ADC以及前置放大器調節，或是在微控制器內嵌入ADC。 第二為邊界節點處理要求，邊界節點必須執行一些基本的高速傅立葉轉換(FFT)或訊號處理演算法，才能降低資料鏈路與/或中央控制器/伺服器的工作負擔。 第三則是資料傳輸協定要求。ADC或感測器的輸出端通常是一個SPI介面。該介面本身並沒有提供任何涉及資料完整性檢查、時間標記(Time Stamping)，以及混合不同感測器資料等方面的機制。其中一種有效的處理方法就是在邊界節點上以高階通訊協定將感測器資料裝入封包，然後再進行傳輸。 這種作法雖然會提高感測器介面的強固性以及彈性，然而，邊界節點的負擔也會隨之增加，因此須妥善處理以及封裝資料流。 將加速計輸出端移植到有線通訊匯流排 如先前所述，加速計的輸出通常為類比或序列數位訊號，大多為SPI規格。SPI輸出訊號可就地處理(促成協定的彈性)之後再加入到實體層介面，或直接移植到實體層。 SPI是一種非平衡式單端序列介面，用在短距離通訊上。想要直接將SPI移植到更長距離傳輸的實體層，則可採用RS-485線路的發送與接收元件。RS-485訊號為平衡的差動格式，其原本就擁有抗擾性，且經過長距離傳輸仍能維持強固性。 利用SPI介面在主控與從屬兩端進行較長距離的傳輸則會面臨許多挑戰。SPI本質上屬於同步式，由SPI主控端啟動一個時脈(SCLK)。而SPI資料線-主設備輸出/從設備輸入(MOSI)以及主設備輸入/從設備輸出(MISO)–則會與SLCK時脈同步化，這種機制在短距離內會可靠地達成。此外，SPI還有一種主動式低電平啟動(Low Enable)晶片選擇(CS)訊號，若有需要也能允許個別從屬端定址。 在經過長纜線傳輸後，SCLK訊號會延著纜線出現傳輸延遲，每100公尺會延遲500奈秒。在MOSI的資料傳輸方面，MOSI與SCLK經過纜線傳輸後產生的延遲會呈現一致。然而，由從屬端MISO到主控端的資料傳輸，產生的延遲則會是纜線傳輸延遲的兩倍。 想要回復主控與從屬兩端的同步性，其中一種作法是把時脈訊號由從屬端饋送到主控端，另一種方法，則是利用時脈相位偏移(Phase Shift)特性，在主控端補償纜線延遲。時脈的相位偏移必須匹配系統的延遲總和。 有線通訊實體層 在進行長距離通訊時，強固的實體層是不可或缺的要素。如先前提到，RS-485訊號擁有平衡、差動，以及天生的雜訊抗擾等特性。系統雜訊會等量耦合到RS-485雙絞線的兩條線路。 其中一個訊號發出另一個訊號的反相波，而耦合到RS-485匯流排通道的電磁場則會相互抵銷，因此整個系統的電磁干擾(EMI)便得以降低。RS-485還具備了一些額外關鍵的優點，使它適合用在CbM系統，其中包括： ．更高的資料傳輸率，在較短線路中最高可達 50Mbps(低於100公尺)。 ．以較低的資料傳輸率，在最長至1000公尺的纜線進行傳輸。 ．全雙工/半雙工RS-485與RS-422多重發送/接收纜線對，可用最少零件轉換成雙向SPI至RS-485匯流排訊號。 ．較寬的共模輸入範圍，允許主控端與從屬端之間存在對地電位差。 有線介面EMC效能 通訊網路經過冗長纜線的傳遞時容易遇到包括共模雜訊、對地電位差，以及高瞬時電壓等干擾的危害。長達100公尺的纜線容易受到各種導通與幅射雜訊源影響通訊的可靠度。 想要提高對這些雜訊源的免疫力，可採用iCoupler晶片級變壓器隔離技術。另外，共模瞬態抗擾度(CMTI)指的是隔離元件拒斥高電壓/高迴轉率(Slew Rate)雜訊瞬態，並維持無錯誤通訊的能力。訊號以及isoPower隔離元件提供25kV/μs的最低共模瞬態抗擾度，並能承受最高100kV/μs的瞬態電壓而不會永久閂鎖(Latch Up)或損壞。 在工廠自動化環境中，系統設計者通常無法控制通訊網路的電氣安裝工作。因此最好的作法是假設存在對地電位差。在動作控制系統方面，對地電位差經常多達數百伏特。一個RS-485通訊節點需要電氣隔離，並確保數據線路在可環境中能可靠工作。訊號與isoPower隔離元件能提供600V峰值(基本)的最高持續工作電壓或353V峰值(增強)電壓。對於存在相當大對地電位差的狀況下，基本隔離機制能促成可靠的通訊。而強化隔離機制則能保護操作人員在廠房環境不會觸電。 在有線通訊網路中，包括外露的連接器以及布線會暴露在嚴苛的瞬態電壓干擾下。系統層級IEC 61800-3標準針對可調整速度的電力驅動系統在抗擾性方面的要求，最低須達到±4kV接觸/±8kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護能力。 透過資料線傳遞幻象電源 主控端控制器與遠端CbM感測器節點之間的電力與數據線需要創新解決方案來降低布線成本。數據與供電整合到一個雙絞線對，不僅能大幅降低成本，還能造就出更小的印刷電路板(PCB)連接器解決方案，適合用在空間受限的邊界感測器節點。 透過一個電感-電容網路，可藉由雙絞線傳遞電源與資料。高頻率資料透過串聯電容耦合到數據線，這些串聯電容也會保護RS-485收發器不會受到直流匯流排電壓影響。電源則是透過連到數據線的電感接到主控端的控制器，而供電接著在CbM從屬端感測器節點透過一個電感進行濾波，而該節點位於纜線的終端處。 另外，纜線兩端的電感應妥善匹配以避免產生差模雜訊，而自我共振頻率應至少在10MHz以上，以避免和新一代振動量測系統的即時快衝模式相互干擾。請注意，電源與資料耦合解決方案應加入數據線，這些數據線中不應出現dc資料內容，像是RS-485介面的MOSI或MISO。 選擇適宜方案實現高效振動檢測 根據設計者的設計考量因素，圖1可提供幾種選擇途徑來協助建構強固的有線工業振動DVD-R/RW解決方案。在圖1中，選項2包含ADuM5401，該元件從資料匯流排擷取5伏直流電，並向ADcmXL3021提供3伏隔離供電。此外，ADuM5401還包含4個訊號隔離通道，這種組態適合3+1的SPI隔離。 圖1　強固/高度整合/有線MEMS加速計狀態監測解決方案的選項 圖1的選項3包含ADuM5402，這個元件類似ADuM5401。兩者之間的關鍵差異在於ADuM5402提供2個傳送以及2個接收數位隔離通道。 如先前所述，ADuM5401/ADuM5402能提高有線CbM介面的EMC抗擾力，保護ADcmXL3021使其不會受高電壓干擾，以及避免在RS-485纜線介面上出現對地電位差。 表1比較三種解決方案，以多項關鍵標準進行比較，包括設計彈性、電路板空間、解決方案成本、複雜度，以及EMC效能。將微控制器整合到CbM感測器節點雖然會提高設計彈性，但代價是會增加電路板空間以及額外的軟體複雜度。由於日後主控端CbM節點會配置處理器，故圖1中選項3基本上會是一個雙微控制器的系統，因此相較於主控端CbM節點的單微控制器配置，啟動運行的速度會比較慢。 表1　各種CbM選項的取捨比較 選項1與選項2雖然設計彈性比較低，但卻提供一條部署速度更快的途徑，因為它們能促成低複雜度、透明化的SPI連結RS-485鏈路。相較於選項3，選項1與選項2還提供邁向更小電路板的途徑，選項3的應用需要額外的電路板空間來容納微控制器以及相關的電路(像是時脈振盪器以及多個被動元件)。在選項2與選項3中加入iCoupler訊號與電源隔離機制，不僅增加占用的電路空間最小，還會提升EMC效能，勝過採用晶片內部保護機制搭配RS-485/RS-422收發器的作法。 (本文作者分別為ADI自動及能源事業部系統應用工程師和系統應用經理)

智慧製造的核心主要在於連結與優化，前者連接生產過程感知層的人、事、物等資料，後者則是藉採集的所有資料，透過分析轉為資訊，提供相關單位進行不同決策，包含：製造現場的作業管理、業務規畫與運籌以及整體企業日常應用之管理等。 在5G助力之下，近程而言，可提供單一應用服務更高的規格表現，如即時監控的毫秒級反應；遠程而言，在5G的架構下，則更容易將過去分散的資料整合為單一整體系統。整體來看，預估2023年全球5G智慧製造的應用服務市場僅有2.52億美元；而隨著5G通訊技術成熟，帶動需求與供給上升，預期2026年全球5G智慧製造下的應用服務市場可達約420億美元。 根據5G特性及相關智慧製造應用需求觀察，結合智慧製造應用產值與成長率，資策會MIC認為設備監測、AR/VR、無人搬運車(AGV)/自主移動機器人(AMR)、數位分身、人工智慧、網路安全，將會在未來六年內的智慧製造場景中優先被實現。 5G進入工業製造場域 2019德國漢諾威自動化工業展、2019上海工業博覽會，相繼展出5G於數位分身的應用。中國移動電信與上海菸草機械公司合作，在2019工博會現場展示5G+數位分身，兩個螢幕中右側顯示一個工廠產線的監控畫面，左側則是3D建模後生成的虛擬模型，為透過技術「1:1」還原的產線模型。 動畫中所有內容，如設備艙門的開關和真實世界中都是同步的，任何工件發生故障，模擬的視角也都能看到細節。其中使用許多不同種類的感測器，能把設備的運作狀態等數據傳到數位平台上，進而監控生產過程。 德國工業巨頭博世(Bosch)提出建立5G工廠的願景，該工廠的生產環境(地板、牆壁和天花板除外)都是移動的。機台、設備和AGV將就生產需求藉5G傳輸移動，並透過基於邊緣和雲端的分析實現智慧化，進而使工廠能根據需求更改生產線。博世認為AGV移動採用無線是必然的，而5G通訊技術才是最佳選擇。 傳統以工業無線網路(工業Wi-Fi)控制AGV訊號，然而，AGV驅動控制訊號需要穩定傳輸，整個網路的傳輸延遲不得超過50毫秒；否則系統將判定AGV數據不健康，導致車輛運作效率低。但工業級Wi-Fi在覆蓋率、移動性、抗干擾、換手以及眾多AGV同時接入的表現並不理想，致整套AGV自動駕駛方案效能不如預期。 而5G可連接上萬至上億台設備，除了博世外，高通(Qualcomm)也表示AGV若結合機器人以每1m/s的速度移動1mm，則系統需每1毫秒計算一次。尤其當廠區內AGV/AMR數量龐大時，由於各自都相當接近，更需要精準移動。 此外，協作型機器人重複精準度多為0.1mm，AGV必須要有精準移動能力，才能搭配機器人進行生產活動，否則AMR僅能從事低階搬運動作(如半導體廠內AGV及協作型機器人僅能提供搬運工作)，無法協助有效帶動整體產線升級。 為了解台灣產業對5G智慧製造需求的想法，本文針對台灣製造業者進行深度訪談，包含石化業、鋼鐵業、機械業、光學業、半導體業、汽車製造業、機車製造業、電子製造業、智慧製造系統整合商等(圖1)。 圖1　臺灣5G×智慧製造三大潛力應用 無人巡檢降低人為疏失 近幾年，無人機作為新興的巡檢工具，憑藉其機動靈活性、成本逐漸降低、不受地形限制等諸多優勢，已逐漸成為產業界日常巡檢。 在無人巡檢部分，特別是石化業者由於園區廣大，管線必須例行性巡檢，並且頻率通常為一天一次，面對數公里的管線，目前多以人力方式每日重複檢查，未來若結合5G與無人車技術，將可透過相機、紅外線、微波等感測方式，進行無人化巡檢，例如管線巡檢、電力巡檢等，除了減少人力負擔外，也可降低人為疏忽造成的意外。 尤其是石化產業特別重視安全，一旦意外發生，不只波及生命、財物損失，甚至是企業形象及衍生成本影響(股票下跌、徵才不易、社會觀感不佳、其他廠房停機受檢等)。 惟石化產業所採用之設備，須符合防爆規格要求，因此在設備本身的強化上都須更勝於其他產業設備。 AR/VR協助工業維修/教育訓練 普遍而言業者認同在製造場景中，為符合移動力與頻寬需求，AR/VR確實需要5G搭配，然而業者同時亦考量即便有需求，內容部分仍待開發，如教育訓練內容、維修操作程序等。 台灣系統整合商在全球占有重要地位，客戶遍及全球各地，其中有廠商考量面對客戶的合約中，常有限定時間內(幾小時或幾日)赴現場進行維修與障礙排除，目前對策是將維修廠商派駐於當地服務，或是派遣附近人員飛到當地。因此系統整合業者認為，如果透過AR/VR的應用，能快速協助客戶障礙排除，或是遠端即時了解障礙問題，將有助於維修保養效率，對客戶和業者都是雙贏。 相較於維修保養，教育訓練需求為其次，生產成本高的業者較有需求，原因是生產成本低者，業者傾向讓新進人員實地操練、訓練手感，或直接透過影片方式進行教育訓練。反之，面對生產成本高者，業者面對教育訓練造成的報廢成本承擔壓力較大，因此樂於採用教育訓練的方式代替現場訓練。 5G實時監測促進產能 在設備監測部分，無論是機台維護或是生產優化，由於涉及核心生產，因此一直是企業關注的課題。事實上設備監測應用已行之有年，只是多用於蒐集歷史數據再進行機台或生產情形的推估，進而實施應對措施。然而企業對於高價值的產品，如前述所提BLISKS的航空器零件，由於生產成本極高，所以期望能透過5G以實時監測的能力，倘若涉及大量連結生產設備，則看中5G低延遲、大連結的特性。 以更換刀具為例，產線實際上有現場人員根據經驗判斷，過早更換造成刀具的浪費墊高生產成本，而過晚更換則衍生不良品的機率提升，同樣為墊高生產成本。因此企業仍期待透過科學、數據的方式，提供現場人員機台維護、零件更新的資料作為決策依據，以降低停機風險，達成生產效能最佳化。 智慧製造連結人員、資料和資產間的流暢溝通，透過持續改善生產流程，穩定生產過程、降低生產成本、提高產品品質。製造資訊是以數據分析改善作業基礎，存取諸如溫度、濕度、壓力、轉速、震動等即時參數，有助建立並優化生產模型。對於工業物聯網來說，保持低延遲、同步尤其重要，5G在3GPP R16版本中，已具備TSN標準。隨著R16最終版本底定在即，R17標準逐漸具備制定方向，在乙太網路TSN風潮下，預期5G互通性將有助於其落實到工廠通訊技術中。 3GPP R16規範預計2020年初完成後，該版本支援更多URLLC應用，並增強URLLC對應IIoT的挑戰。供應端將逐步推出5G設備與5G解決方案，在設備與環境逐漸完備下，將有助於5G智慧製造整體發展。現階段主要是周邊環境尚未成熟，企業不易評估所需投入的資源，使其態度相對保守。業者應建構協助企業快速評估ROI的模式，以加速企業導入5G意願。 工廠營運首要是安全、可靠，當前智慧製造尚未有非5G不可的應用服務，因此大幅削弱5G對智慧製造的影響力道，因此未來5G將針對應用服務提供更高規格要求為主，如設備監測、人工智慧、數位分身。此外，對於生產環境具有高風險者，在工安意識抬頭當下，也是5G導入解決方案之機會，如AR/VR、即時安全警示、虛擬圍籬。  

也因為機器手臂的泛用性遠高於大多數自動化設備，因此在自動化產業朝「柔性化」目標發展的過程中，機器手臂的進展至為關鍵。「柔性自動化」跟傳統自動化的差異在於，柔性自動化的機電整合程度比傳統自動化高，具有更大的可編程特性，故能靈活應對少量多樣的生產需求。這點對於中小型製造業導入自動化十分關鍵，因為大多數中小型製造業都屬於少量多樣生產，傳統自動化技術不見得能解決中小型製造業者所面臨的問題。 另一方面，自動化技術終究有其極限，因此許多日本機械業者跟學術研究單位都開始將研發方向放在「人機結合」上，亦即用穿戴式的機械設備來輔助人類作業員執行任務。在五花八門的穿戴式設備中，可以幫助人類節省力氣的外骨骼裝，可說是商品化進度最快的產品。 提高手臂應用彈性　前端工具設計更見巧思 機器手臂是一個相對封閉的產業，不僅每家手臂品牌業者都有自己偏好的通訊協定，甚至連手臂前端與夾爪等工具配件銜接的法蘭(Flange)，都採用不同的設計規格，這使得系統整合商(SI)或使用者在導入機器手臂時，均面臨許多問題。手臂前端工具的規格若能統一，將有助於加快機器手臂應用的導入速度，並降低成本。這也是OnRobot正在努力的方向。 OnRobot執行長Enrico Krog Iversen(圖1)表示，由於每家機器手臂業者都有自己專屬的軟硬體介面，因此目前絕大多數的機器手臂前端工具，例如夾爪、吸盤等，常常得採用高度客製化的設計。 圖1　OnRobot執行長Enrico Krog Iversen認為，通用的前端工具平台，將是加快機器手臂應用導入的關鍵。 但高度客製化也使得這類前端工具的一次性工程(NRE)成本增加，並使其不容易因應產線需求改變而調度。這些問題的存在，使得機器手臂的應用受到極大限制，也讓OnRobot看到機會。 為打破各家機器手臂品牌無法互通的限制，OnRobot提出手臂前端工具統一平台的概念，要讓所有機器手臂的前端工具都能跨廠牌通用，進而使SI跟使用者能更快實現應用導入。在硬體層面，針對不同手臂品牌，OnRobot推出對應的快拆式法蘭轉接器，並內建通訊協定轉換晶片，以便讓前端工具跟手臂之間得以建立通訊連線；在軟體層面，OnRobot則提供專門用來控制夾爪、吸盤等前端工具的應用軟體或軟體開發環境，讓自動化工程師得以快速完成程式編寫作業。 Iversen表示，由於OnRobot還是一家很年輕的公司，因此在軟體層面的整合，還需要一些時間來推動。OnRobot的目標是要與目前市場上絕大多數的手臂品牌實現深度整合，也就是讓前端工具的控制設定，就像使用手機App一樣直覺、方便。目前OnRobot的前端工具已經跟Universal Robot(UR)的協作手臂實現深度整合，在UR的軟體環境裡，可以直接呼叫OnRobot的前端工具App，以非常直覺的方式來設定前端工具的控制參數。預計到2020年5月，OnRobot將會與大多數手臂品牌業者實現類似的深度整合。 除了打破手臂品牌之間的藩籬外，OnRobot目前還有另外兩項重要工作正在推動中，其一是擴大通路合作夥伴的數量，另一個則是增加前端工具的品項，以滿足更多樣化的手臂應用需求。目前OnRobot的產品只透過通路合作夥伴銷售，全球約有400家合作夥伴。預計到2020年底前，全球合作夥伴的家數將達到800家。 另一方面，OnRobot也計畫在2020年結束前，再推出30種不同的新產品，以滿足使用者的需求。這些新產品不一定是前端工具，也包含各種感測技術。Iversen認為，感測技術將是機器手臂與其前端工具未來發展的重點。唯有讓手臂或前端工具具備類似人類的感知能力，才能讓機器手臂得以靈活運用在更多應用場景中。 此外，前端工具本身也應該提升整合度，讓使用者更容易導入。舉例來說，目前很多吸盤類的夾爪都還需要搭配外接空壓機才能使用，但這不僅會占用更多空間，也會增加走線的複雜度。有鑑於此，OnRobot在iREX展期間發表了一款輕巧型電動真空夾爪VGC10(圖2)。該夾爪是一款可模組化彈性配置，適用於絕大多數應用的小型夾爪。 圖2　OnRobot在iREX展期間推出的新型真空夾爪VGC10。 VGC10是以VG10真空夾爪為設計基礎，但VGC10的外型更加輕巧，能應用於狹窄的環境和更小型的機械手臂，且負重高達15公斤。VGC10不僅能實現開箱快速部署，更透過方便調整的吸盤、可自由增添或更換的吸盤臂等，提供多樣的客製化可能。具模組化的特色讓此一新型夾爪即便裝配在負重量較小的機械手臂上，也能順利完成大批量地抓取及移動小巧、多面和重型物件的任務。 VGC10包含兩個可獨立控制的真空通道，使其具備雙重抓取功能，可在單一動作中同時執行物件的撿取和置放，進而提升效率並縮短週期時間；若僅使用單一真空通道，則能使夾爪的所有部件一致行動以提高抓取效能。此外，VGC10不需安裝空壓機或外部氣源，可省去製造壓縮空氣所產生的成本、噪音、額外裝設空間及維修需求，也讓此款夾爪更容易裝配和移動。 外骨骼裝搶進iREX展商品化進展快速 這次iREX展上除了各種機器手臂之外，展出外骨骼裝的新創業者也不少，且值得注意的是，許多開發外骨骼裝的業者都跟大專院校有一定程度的關聯性，顯示生醫與機械、電子產業結合，將是一大趨勢。另一方面，由於外骨骼裝並非醫療器材，而是產業用設備，因此這些產品開發完成後，很快就能量產上市，不像醫療輔具需要通過嚴格的醫材審核規範。 在本次iREX展中，由東京理科大學教授小林宏創立的INNOPHYS，就展出了由壓縮空氣驅動的Muscle Suit外骨骼裝(圖3)。目前這類可以讓穿戴者在搬運重物時節省力氣的外骨骼裝，多半是以McKibben氣動人工肌肉作為核心技術。這種人造肌肉在放鬆時是長條狀的管狀橡膠，但只要對其充氣，人造肌肉就會收縮並產生力量。若將這類人造肌肉搭配適當的人體工學設計，配置在正確的位置上，就能幫助穿戴者節省搬運重物時需要出的力氣。 圖3　由壓縮空氣驅動的Muscle Suit外骨骼裝，目前已進入量產階段。 氣動人工肌肉並非近年才出現的發明，早在1950年代就已經被發明出來，並運用在義肢上，1980年代時，輪胎大廠普利司通(Bridgestone)將其改良並商品化，而成為目前許多軟性機械跟外骨骼裝所使用的致動單元。但也因為這種人造肌肉是以壓縮空氣作為動力源，因此大多數採用這類人造肌肉的設備，都必須搭配空壓機使用。 INNOPHYS的設計之所以特別，在於其壓縮空氣並非由空壓機產生，而是靠內建的手動唧筒來壓縮空氣。使用者穿上Muscle Suit之後，需要按壓唧筒約40次，Muscle Suit才會產生效果。雖然不像內建空壓機的外骨骼裝那麼方便，但相對的重量也輕了許多，整套外骨骼裝的重量僅3.8公斤，且據業者宣稱，按壓唧筒40多次所產生的壓縮空氣量，在一般狀態下就足以使用一整天，而且使用者隨時都可以幫外骨骼裝打氣，延長設備的使用時間。此外，因為整套設備完全都是機械結構組成，因此防水防塵等級可達IP56，遇到下雨、下雪或有水花噴濺的作業場所也沒有問題。 沒有電池跟空壓機的設計，也讓Muscle Suit的價格得以壓低到14萬日圓(接近新台幣4萬元)以下，讓外骨骼裝變成一般家庭也能負擔得起的設備。INNOPHYS認為這點非常關鍵，因為在日本成為超高齡化社會之後，有許多行動不便的老人需要長期照護，但視每個老人家的狀況不同，有時看護是非常需要體力的工作。此外，在很多情況下，不是年輕力壯的人來照顧長者，而是也已經有點年紀的中壯年者在擔任看護工作。因此，產品價格必須要壓低到一般消費者也能負擔得起的水準。 不過，除了基於人工肌肉之外，也有基於馬達驅動的外骨骼裝。例如豐田集團旗下的JTEKT，就在iREX展上展示了內建電池的電動外骨骼套裝J-PAS Lumbus(圖4)，不含電池的本體重量約4公斤，電池續航力則為4小時以上。 圖4　JTEKT推出的J-PAS Lumbus外骨骼裝。 據筆者實際穿戴後搬運重物的感受，穿上J-PAS之後，要搬起20公斤的物體幾乎是不費吹灰之力，因為在舉起重物的瞬間，外骨骼裝會產生一股向上的拉力，幫助使用者從蹲姿轉為站姿。但也因為J-PAS Lumbus是由電池跟馬達驅動，因此其輸出力量會比採用人工肌肉的外骨骼裝來得小，約為30牛頓，防水防塵等級也僅達到IP55，略遜於採用人工肌肉的類似產品。 除了已經商品化的外骨骼裝之外，在本次iREX展中，由日本中央大學理工學部教授中村太郎等人所創立的新創公司Solaris，亦展示了改良型的氣動人工肌肉裝置，為各種工程應用及高強度外骨骼裝的發展打下基礎。 相較於現有的McKibben型人工肌肉，該公司的人工肌肉外加了與軸方向水平的纖維來進行結構強化，使其人工肌肉能夠承受更大的力量，並且變得更耐用。據Solaris提出的測試數據，其軸方向纖維強化型人工肌肉(圖5)能承受的力量可達2,100牛頓(N)，且使用壽命可達80萬次循環。這使得這類人工肌肉不僅可以用在外骨骼裝，還可以應用在管道檢查或地底探測用的蚯蚓型機器人、固體或高黏性流體的運輸，例如工程現場的砂石運輸管等場景。 圖5　Solaris發展出新一代人工肌肉，可讓外骨骼裝輸出更大的力量。 Solaris也已經利用這款改良型的人工肌肉開發出可以提供更大輔助力量的外骨骼裝原型，主要是針對下肢運動提供輔助，不過，因為其輸出力量更大，因此不像INNOPHYS的外骨骼裝可以手動充氣，必須要用外接空壓機來提供壓縮空氣，預定的使用場景也將以工業或工程作業現場為主。至於在毋須外部動力源的外骨骼裝方面，Solaris目前已開發的產品是針對上肢運動所設計，主要鎖定的是農業應用。 雖然外骨骼裝有許多跟殘障輔具類似的地方，也跟人體有非常緊密的接觸，但因為其主要功能是幫使用者節省力氣，因此不被認定為醫療器材。這讓外骨骼裝製造商可以免去冗長的醫材認證程序，依據使用者的回饋，不斷推出更切合實際應用需求，且價格更低廉的新產品。另一方面，隨著日本社會高齡化程度越來越嚴重，日本政府正有計畫地推動老人回歸職場，未來日本中高齡勞動人口勢必只增不減。這類能幫助使用者省力的產品，未來將有相當可觀的市場需求。