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瞄準消費性市場 高整合GaN方案蓄勢待發
基於寬能隙材料的功率半導體已經進入商業量產,而相較於主攻高電壓應用市場的碳化矽(SiC),氮化鎵(GaN)則是在消費類找到應用商機;而為滿足消費性產品對成本、體積、效能的要求,高整合解決方案成為電源元件供應商拓展GaN市場的主要利器,例如Power Integrations近期所推出的InnoSwitch3 AC-DC轉換器IC,其特色便是將一次側、二次側和回授電路整合在單一表面接合封裝中。
據悉,Power Integrations日前推出新一代InnoSwitch 3系列離線CV/CC返馳式切換開關IC,而在最新發布的系列產品中,GaN切換開關取代了IC一次側的傳統矽高壓電晶體,減少電流流過時的導通損耗,並大幅降低了運作期間的切換損失,減少能源浪費;而值得一提的地方是,為實現更精準的同步整流(Synchronous Rectification, SR),該系列產品將一次側、二次側和回授電路整合在單一表面接合封裝中。
Power Integrations培訓總監Andrew Smith表示,過往的同步整流設計,一次側和二次側通常是各自獨立,而非在同一封裝之中,二次側要「開」或「關」,往往是依據一次側導入的電流或電壓波形進行判斷。然而,電源供應並不是固定負載(也就是同一電流、電壓穩定輸送),消費者常常會突然插拔充電器、插頭等,在快速變動的情況下,一次側、二次側的溝通有時會出現「誤差」,也就是二次側跟不上一次側的指令,兩者無法同步,電源供應器便會產生故障。
Power Integrations培訓總監Andrew Smith(右)表示,整合一次側和二次側有助實現更精準的同步整流。
Smith指出,為克服此一情況,降低故障率,同時提升使用效率,該公司便決定將一次側、二次側和回授電路整合在單一表面接合封裝中,並透過磁耦合連接一次側與二次側,使兩者的「溝通」更加容易,以精準的實現同步整流,不僅降低電源供應器故障率,也可以透過整合方式減少產品尺寸、成本,並提升效能,滿足行動裝置、機上盒、顯示器、家電、網路和遊戲產品的USB-PD和高電流充電器/轉換器等高效率返馳式設計。
為數位轉型鋪路 西門子強調虛實整合
為有效提升生產線效率及加快市場導入時程,各大製造業導入數位化技術已成為一大趨勢之一,為協助企業數位轉型(Digitalization),西門子提供完善解決方案,更強調虛實整合的重要性。
台灣西門子(Siemens)數位工業總經理Tino Hildebrand表示,其實企業進行數位轉型的過程中,2018年企業的需求到了2019年並沒有太大的改變,一樣是著重在速度、彈性、品質和效率四大要求。企業仍然追求更短的生產時間,應對少樣多量的產品需求必須有更彈性的生產線,同時產品品質和生產效率當然是不能缺少的。
針對這樣的需求,Hildebrand指出,虛實整合是企業在進行數位轉型非常重要的議題。虛實整合可以利用虛擬的製造過程優化真實的製造過程,藉由數位雙胞胎(Digital Twins),又可以分為產品雙胞胎(Product Twin)、生產雙胞胎(Production Twin)和效能雙胞胎(Performance Twin),虛擬化產品的設計、透過電腦管理生產過程以及監控生產效率,讓機台的生產和整個工廠生產鏈的控管更有效率,也更節省成本,而無須受到硬體的限制。西門子提供完整的解決方案協助企業在所有環節進行虛實整合及數位轉型。
Hildebrand進一步說明,數位雙胞胎並不是新的概念,但2019年比較特別的是針對產品週期短的製造商也有完整的整合方案。舉例來說,西門子的一個客戶是手機製造商,手機的產品生命週期是很短的,應用數位雙胞胎技術,該廠商同時在中國設有手機硬體製造的設備,在德國也有做軟體的開發、編程和實測。利用數位雙胞胎,就可以同時進行硬體的製造和軟體的開發,大幅減短產品上市時間。
另外,Hildebrand也提到,西門子除了在自動化領域,在數位化領域也是投入了大量心血。西門子的機械手臂整合了人工智慧(AI)的應用,利用攝影機的影像辨識功能判別物件,藉此減少編程的時間。過去為了讓機械手臂辨識不同的物件,需要透過大量不同的程式對物件進行辨識,只要稍有不同就無法成功辨別。但是使用人工智慧技術就可以很彈性地操作,利用機器學習(ML)的神經網路,只要是學習過的物件,即使大小不同,或顏色有落差,只要是類似的物件,就可以處理。減少編程時間加速製程,同時讓生產更彈性,滿足市場需求。
西門子展示結合機電一體化概念設計(MCD)之數位雙胞胎機台。
全球前十大IC設計2019年第二季營收出爐 前後段兩樣情
根據TrendForce旗下拓墣產業研究院最新統計,全球前十大IC設計業者2019年第二季營收排名出爐,受中美貿易戰及供應鏈庫存攀升影響,全球消費性電子產品包括智慧型手機、平板、筆電、液晶監視器、電視與伺服器等市場需求皆不如預期,前五名業者第二季營收皆較去年同期衰退,其中輝達(NVIDIA)衰退幅度最大,達20.1%,這也是輝達近三年來首見連續三季營收呈現年衰退的情況。
拓墣產業研究院表示,博通(Broadcom)與高通(Qualcomm)的主力市場皆在中國,受中美貿易戰影響與中國內需市場需求不振的情況下,中國系統業者對零組件拉貨力道疲軟,導致博通與高通第二季營收皆較去年同期下滑。而高通同時面對聯發科(MediaTek)與中國手機晶片業者紫光展銳(Unisoc)的急起直追,聯發科自2018年以來持續採用12nm製程導入行動處理器產品線,大幅優化產品成本結構,提升產品性價比表現,而紫光展銳先後將Cortex-A55與A75等CPU置於中低階處理器,也為客戶帶來更多選擇,使得高通在中低階市場面臨嚴苛的競爭。
至於在前十大業者中,衰退幅度最大的輝達,儘管其車用與專業視覺應用仍有成長,並且積極控制前期高庫存問題,但受到遊戲顯卡與資料中心產品大幅衰退的衝擊下,仍止不住連續三個季營收年衰退的態勢。不過,輝達第二季的衰退幅度相較於第一季,已經略有回穩,加上庫存有效降低下,預計第三季營收衰退幅度應可持續縮小。
聯發科第二季營收為新台幣615.67億,相較於2018年同期成長1.8%,毛利率也持續回升,但受到匯率關係影響,換算成美元營收後,第二季營收較去年同期衰退2.7%。儘管聯發科與高通同樣受到全球智慧型手機市場需求不振的影響,但聯發科持續以12nm製程打造高性價比的手機應用處理器產品線,並逐漸導入中低階市場,例如目前OPPO與小米的中低階機種皆有搭載聯發科晶片,進一步壓縮高通手機晶片出貨表現。
至於超微(AMD)雖然在處理器與資料中心領域表現優異,但受制於GPU通路產品、區塊鏈與半客製化產品銷售不振的情況,拖累營收表現。Xilinx雖然是美系晶片大廠,但由於客戶類型廣泛,除了資料中心應用略受影響外,其他如工業、網通、車用等市場皆有成長,而邁威爾(Marvell)也受惠於網通市場需求增加,與賽靈思(Xilinx)在眾多美系晶片業者營收表現不佳的同時,繳出營收逆勢成長的成績單。
而台系IC設計業者聯詠(Novatek)與瑞昱(Realtek)第二季的表現亮眼,聯詠由於擁有TDDI方案,受到陸系手機業者青睞,加上AMOLED驅動晶片需求殷切,營收相較於去年同期成長約18%。而瑞昱則是受惠於PC、消費性與網通產品皆有其市場需求,營收較去年同期大幅成長30.2%。
至於新思(Synaptics)在行動市場領域表現不佳,拖累整體營收,而戴樂格(Dialog)則是在客製化混合訊號、連線與音訊應用皆有成長表現,讓Dialog整體營收重回第十名的位置。
展望第三季,由於中美貿易戰仍然持續進行且未見到緩解跡象,即便是進入半導體市場的傳統旺季,各大晶片設計業者能否維持成長表現,仍端視銷售策略能否分散中美貿易戰所帶來的市場風險。
Mini LED背光應用已量產 隆達再促Micro LED上市腳步
面板市場已經進入成熟階段,市場趨於飽和,LED產業面臨挑戰。在消費性電子產品的螢幕只會更加便宜、解析度更高、更大的情勢下,如何創造產品的新價值,成為各廠積極開發的方向。因應此趨勢,隆達電子(Lextar)發表了一系列Mini LED背光與RGB顯示器產品,更展示了Micro LED技術成果。
隆達董事長暨執行長蘇峯正表示,Mini LED背光產品具有可與OLED媲美的優秀亮度、對比度表現。此次發表將覆晶(Flip Chip) Mini LED晶粒與驅動IC整合之smart背光燈板I-Mini Blue,可達到高對比與薄型化設計,並已導入電競筆電面板應用。
蘇峯正指出,此次發表的一系列產品中,目前I-Mini背光應用已經陸續量產。由於背光使用的LED顆數較少,所以Mini LED背光的應用是最快進入量產階段的。另外,Mini LED RGB顯示器,相對Micro LED是比較成熟的技術,隆達從LED元件的供應切入市場,現在已經和客戶進行合作討論中。而Micro LED產品還在研發階段,由於Micro LED製作難度高,巨量轉移等技術都是目前技術挑戰,客戶對量產的規劃從明年到2、3年都有,可見還需要一段時間。
蘇峯正進一步說明,此次發表Mini LED背光應用產品全系列包括電視、電競螢幕、筆電、車用面板及VR等。隆達自2018年量產Mini LED背光產品後,2019年再推出整合式I-Mini Blue背光燈板,將Mini LED藍光晶粒與驅動IC整合於燈板上,可達到高對比、薄型化、同時降低模組組裝成本。此次展示超過千區區域控制的背光燈板,可精確控制背光明暗,並提升動態對比到1,000,000 : 1,適合電視、高階電競顯示器或筆電等應用。此外,亦展示主動式發光之AM(Active Matrix) Mini LED背光燈板,使用COG(Chip on...
異質整合趨勢起 系統級測試需求增
異質整合(HIDAS)成為IC晶片的創新動能,然而,將兩種不同製程、功能的IC整合在一起,不僅考驗IC設計、製造和封裝技術,在測試端也衍伸了全新的挑戰,不再只是單純測試IC規格,「系統級測試(System Level Test, SLT)」需求可說是與日俱增。
愛德萬測試(Advantest)SoC業務部協理陳建州表示,系統級測試是未來日益重要的測試項目,而現有客戶對於系統級測試的測試需求也越來愈多。原因在於,摩爾定律開始走到極限,半導體產業開始尋求其他的IC創新動能,因此,像是2.5D、3D、SiP(也就是所謂的異質整合)或更先進的封裝技術一一興起,而這些技術打造的產品和過往截然不同,因為是將兩種不同功能、製程的晶片整合在一起,像是一個「小型的系統」,因此在測試上,主要是測試這個「小型的系統」是否能夠運作,而非是像過往的IC測試,只要測試規格是否符合標準或是設計需求即可。
為因應系統級測試需求,愛德萬測試購併Astronics Corporation商用半導體系統級測試事業部。陳建州指出,對大型消費性電子產品製造商而言,系統級測試無疑是愈來愈關鍵的測試,透過這次收購,能與該公司現有的自動化測試設備(ATE)解決方案套件互補;而在補足原本所欠缺的系統測試解決方案後,該公司在半導體產業鏈的測試方案將變得更完整,且更具市場競爭優勢。
愛德萬測試董事長暨總經理吳慶桓也說明,異質整合目前是個很新、也很熱門的議題,由於每個投入異質整合的廠商(如IC製造、晶圓代工)所想要整合的產品都不同,而每個產品的性能也不一樣,因此對測試業者而言,充滿挑戰。換句話說,針對異質整合,目前還沒有最標準、最適合的測試方案,因異質整合涵蓋整個產業鏈,像是晶圓、封裝、材料等,都會投入異質整合發展,使得異質整合的測試相當廣,像是晶片規格、溫度、熱效益等都包含在裡面,且會隨著整合的產品不同而有所改變。簡而言之,異質整合相當複雜,就像一個小系統,因此需要有系統級測試方案滿足客戶需求;同時,測試設備業者也需持續與其他生態夥伴合作,開發更完整的解決方案。
愛德萬測試董事長暨總經理吳慶桓
滿足分眾市場 IC異質整合技術百花齊放
人工智慧(AI)、車聯網、5G等應用相繼興起,且皆須使用到高速運算、高速傳輸、低延遲、低耗能的先進功能晶片,在製程微縮技術只有少數幾家晶圓代工、IC製造業者可發展的情況下,異質整合(Heterogeneous Integration Design Architecture System, HIDAS)成為IC晶片的創新動能。同時,隨著應用市場更加的多元,每項產品的成本、性能和目標族群都不同,因此所需的異質整合技術也不全然相同,有的需要記憶體+邏輯晶片,而有的則需感測器+記憶體+邏輯晶片等,市場分眾化趨勢逐漸浮現。為此,IC代工、製造以及半導體設備業者也持續推出新的異質整合技術,以滿足市場需求。
成本/效能需求不同 異質整合走向分眾化
工研院電子與光電系統研究所所長吳志毅(圖1)表示,所謂的異質整合,廣義而言,就是將兩種不同的晶片,例如記憶體+邏輯晶片、光電+電子元件等,透過封裝、3D堆疊等技術整合在一起。換句話說,將兩種不同製程、不同性質的晶片整合在一起,都可稱為是異質整合。
圖1 工研院電子與光電系統研究所所長吳志毅表示,依產品性能、成本不同,異質整合將走向分眾化。
異質整合是目前半導體產業熱門議題,也有許多業者投入發展,進而市場上有著許多解決方案。對此,吳志毅說明,在異質整合發展上,各家廠商著重的市場和技術都不一樣,因而會衍生出許多種整合方式,例如有所謂的2.5D、3D或是採用封裝的方式。然而,不論是何種技術,其核心價值都是將兩種完全不同的晶片整合成一個,這便是異質整合的概念;換個例子來說,要將兩樣物品黏在一起,可以選擇膠水、膠帶或強力膠等,有很多種方式,異質整合便是同樣的道理,端看業者的市場和成本考量人選擇要用何種整合技術。
吳志毅補充,半導體技術著重的永遠都是成本和效能。部分業者之所以會發展3D整合方案,主要原因是3D IC具有更好的效能,但相對的3D IC的成本也較高,因此適用於高階產品市場,例如AI晶片。至於原有的2.5D整合技術,並非3D IC問世之後就沒有市場,2.5D IC的性能雖然不比3D IC,但相對的成本也較低,適用於有成本考量的企業或產品。
吳志毅說,換個方式譬喻,當7奈米製程出現後,不代表所有產品都會轉成7奈米,像是14、16、28奈米,甚至是90奈米,都還有其市場,業者會依應用市場、產品設計需求和成本,選擇所需的製程技術,而異質整合也是同樣,業者會根據所需的產品性價比、效能以及市場,選擇最適合的異質整合技術。也因此,未來異質整合勢必將會出現市場分眾化的趨勢。
吳志毅認為,這對於晶圓代工廠,或是晶片製造商等也是一個新的機會。現今半導體產業只剩三家業者(台積電、三星、英特爾)能繼續推進摩爾定律(製程微縮化),而其他業者如聯電、格芯是否就沒有其他發展空間?並非如此,異質整合便是一個新的機會。這些晶圓代工、IC設計或者是封裝業者不一定要發展更先進的製程,但是卻可以透過異質整合,將原本不同性質的晶片整合成體積小、高性能的晶片,實現更多創新應用。
IC代工/製造/設備商全體動員
上述提到,異質整合為半導體產業發展帶來新契機,同時因應多元的應用市場,異質整合日後將朝分眾化發展,為此,晶圓代工業者、晶片商或是半導體設備商皆積極投入發展,各式解決方案也紛紛亮相。
英特爾再推三大封裝新技術
英特爾(Intel)日前展出先進封裝技術並推出了一系列全新基礎工具,包括將EMIB和Foveros技術相互結合的創新應用,以及全新的全方位互連(Omni-Directional Interconnect, ODI)技術。
英特爾指出,晶片封裝在電子供應鏈中看似不起眼,卻一直發揮關鍵作用,而隨著電子產業正在邁向以資料為中心的時代,先進封裝將比過去發揮更重大的作用。封裝不僅僅是製造過程的最後一步,同時也正成為產品創新的催化劑。先進的封裝技術能夠整合多種製程的運算引擎,將大幅提高產品性能,同時又可縮小面積,並對系統架構進行全面改造。為此,英特爾分享三項全新技術,分別為Co-EMIB、ODI和MDIO。Co-EMIB能連接更高的運算性能和能力,並能夠讓兩個或多個Foveros元件互連,設計人員還能夠以非常高的頻寬和非常低的功耗連接模擬器、記憶體和其他模組。
ODI技術則為封裝中小晶片之間的全方位互連通訊提供了更大的靈活性。頂部晶片可以像EMIB技術一樣與其他小晶片進行通訊,同時還可以像Foveros技術一樣,通過矽通孔(TSV)與下面的底部裸片進行垂直通訊。同時,該技術還利用大的垂直通孔直接從封裝基板向頂部裸片供電,這種大通孔比傳統的矽通孔大得多,其電阻更低,因而可提供更穩定的電力傳輸;並透過堆疊實現更高頻寬和更低延遲。此一方法減少基底晶片中所需的矽通孔數量,為主動元件釋放了更多的面積,優化裸片尺寸。
至於MDIO技術為基於其高級介面匯流排(AIB)實體層互連技術,支援對小晶片IP模組庫的模組化系統設計,能提供更高能效,實現AIB技術兩倍以上的回應速度和頻寬密度。
格芯/台積紛推3D方案
為搶搭異質整合浪潮,晶圓代工業者格芯(GlobalFoundries)近期宣布旗下基於Arm架構的高密度3D測試晶片已成功投片生產,可滿足資料中心、邊緣運算和高階消費性電子產品應用的需求。
據悉,此款晶片可提升AI、機器學習(ML)和高階消費性電子及無線解決方案等的運算系統性能與效能,其採用該公司12nm Leading-Performance(12LP)FinFET製程製造,並運用Arm 3D網狀互連技術,讓資料數據更直接地傳輸至其他內核,達到延遲最小化,提高資料傳輸速率,滿足資料中心、邊緣運算和高階消費性電子產品應用的需求。
此外,兩公司還驗證一種3D可測試設計(Design-for-Test, DFT)方法,使用格芯的混合式晶圓對晶圓接合,每平方公厘多達100萬個3D連接,拓展12nm設計在未來的應用。
格芯發言人表示,3D可測試設計方法為屬於異質整合技術,該公司和Arm共同驗證了此一測試設計方法,使用混合式晶圓對晶圓接合,使得每平方公厘的3D連接數多達100萬個。用於3D IC的DFT架構實現了各種晶片的模組測試方法,其中具有嵌入式IP核心、基於穿透矽通孔的晶粒間互連和外部I/O可作為獨立的單元進行測試,進而可靈活優化的3D IC測試流程。DFT是一項能夠採用3D技術的重要測試設計方法,而3D DFT架構具備支持板級互連測試的特色;該公司的差異化F2F晶圓鍵合技術為工程設計人員提供了異構邏輯和邏輯/記憶體整合。
格芯發言人說明,3D晶圓架構具有減少線長的本質能力,是減輕下一代微型處理器設計中互連問題的最有潛力的解決方案之一;而3D技術和異質整合功能為新設計方法提供了低延遲、高頻寬的優勢。對於異質整合來說,雖然沒有其餘的技術層面挑戰,但針對規劃、執行和驗證2.5D和3D IC的設計工具、薄晶圓處理技術、熱管理和測試等,這些製程仍需要更好的解決方案。
由於目前異質整合生態系統成熟緩慢,主要的挑戰在於單位成本高昂、低產量和實行風險,業界正在努力降低製程成本並簡化整個產業合作。未來格芯會與所有主要EDA合作夥伴密切合作,將3D IC放置在庫中,然後使用晶圓對晶圓鍵合進行組裝,使複雜的晶圓設計和組裝成果更快且更低成本。
另一方面,繼整合型扇出(InFO)和CoWoS封裝技術後,台積電也於之前發表的「3D多晶片與系統整合晶片(SoIC)的整合」論文中,揭露了完整的3D整合技術。此項系統整合晶片解決方案將不同尺寸、製程技術,以及材料的已知良好裸晶直接堆疊在一起。
論文中提到,相較於傳統使用微凸塊(Micro-bumps)的3D積體電路解決方案,此一系統整合晶片的凸塊密度與速度高出數倍,同時大幅減少功耗。此外,系統整合晶片是前段製程整合解決方案,在封裝之前連結兩個或更多的裸晶;因此,系統整合晶片組能夠利用該公司的InFO或CoWoS的後端先進封裝技術來進一步整合其他晶片,打造一個強大的「3D×3D」系統級解決方案。
台積電全球營銷主管Godfrey Cheng於部落格上指出,該公司可透過先進的封裝技術,包括基於矽製程的中介層(Interposer)或扇出製程的小晶片(Chiplet)等方法,將記憶體及邏輯晶片核心緊密整合,未來還能夠將晶圓及晶圓堆疊,提供客戶更好的晶片密度及效能。
實現異質整合 EVG/Lam各有解方
除了晶圓代工、IC製造業者積極發展異質整合技術外,半導體設備商也不落人後。EVG亞太區業務總監Thorsten Matthias(圖2)表示,如今許多新元件因無法突破技術或成本上的關卡,想要從傳統元件微縮和從系統單晶片架構下手以提升效能,已不再是可行的選項。而隨著現今許多技術領先的製造廠藉由投入影像感測器製造及矽穿孔晶圓級封裝,在異質整合方面已累積數年與數百萬片晶圓製造的經驗,使得異質整合成為半導體製造的另一項利器。
圖2 EVG亞太區業務總監Thorsten Matthias表示,異質整合的各項優點與好處已廣受業界認可。
Matthias指出,異質整合的各項優點與好處多年來已廣受業界認可,包括降低設計與測試的複雜度、縮短上市時程及降低成本;異質整合也顛覆許多層面,包括設計、架構、製程技術及整個供應鏈和從晶圓委外到封裝測試(OSAT)產業生態系統。
然而,要實現異質整合也非是一蹴可幾,需要新技術、新電晶體架構和材料等,像是薄膜轉移(Layer...
慎選傳輸媒介/數據處理方式 無線感測器網路部署成本優化
隨著物聯網(IoT)的興起,目前市場呈現一項成長趨勢,即蒐集和匯聚來自各種智慧家庭、工業、綠色能源、運輸和智慧城市應用的感測器資料。產業界普遍認為發送到雲端或本地控制系統的數據越多越好。
這些感測器數據大部分都採用物理性感測的方式,用於人員偵測、物體偵測、溫度、濕度、光線、聲音和振動等。隨著時間的推移,開發人員意識到部署大型感測器網路的困難度,許多雲端公司對此做出結論:如果無法對資料進行決策,那麼存取龐大數據並不一定會增加價值。
目前在講求成本的環境中,每個部署的感測裝置或網路都必須在開發和部署的複雜性與IoT服務供應商、雲端公司和終端用戶的價值之間取得平衡。在已部署的感測器網路中,現在看到的趨勢是:簡化網路並僅測量那些可以節省成本和/或更佳的終端使用者經驗的內容。
零售商店/商業辦公大樓 IoT感測器數量典範
讓我們看看兩種應用範例,它們展示了部署物聯網應用所需最佳感測器數量的新趨勢:零售商店和商業辦公大樓。
商店中最有價值的不動產是其商品貨架,關鍵的指標是顧客轉換率。多數的大型零售商受益於感測器網路,該網路可以測量占用率、客戶和物品位置、庫存量等。理想情況下,系統將使用感測器數據增加顧客購買的可能性。感測器可以使用新的藍牙追蹤技術,例如到達角(AoA)和離開角(AoD)以及接收訊號強度指示(RSSI)或距離相移。這種AoX(圖1中的AoD定位系統)和測距技術使得網路能夠對客戶的智慧手機或嵌入在購物籃/購物車中的設備的位置進行三角測量,偵測客戶的位置以及消費者在商店中的哪裡停留了更長時間。這些數據與臉部辨識技術或智慧手機識別互相結合,可替每位消費者分配購買組合,預測他們最有可能購買的商品,並提供店內促銷或產品搭售,或在光臨店面後提供目的性的行銷活動。
圖1 藍牙5.1支援的到達角和離開角(AoX)技術增強了室內定位系統的發展。
優化的感測器網路還可以為商店經理提供有關各種產品類型的購買決策建議。例如,感測器網路可能揭露某些顧客花費大量時間比較牙膏品牌,同時快速選定洗髮乳,選擇他們所知道的品牌。這些資訊協助商家更智慧的在貨架上擺放顧客更有可能購買的商品,進而提升商店的效率和獲利。
將辦公樓轉變為裝設有感測器的智慧建築可減少維護和營運成本,增加居住者的安全、舒適度和便利性。環境控制是設施管理的主要成本因素。一個標準10萬平方呎的建築物,每個月可能花費超過5萬美元來充分降溫或加熱。透過增加30萬美元的智慧感測器網路減少15%成本,將會是聰明的投資,在幾年後便能收回成本。另一個附加價值是為防止損壞而優化的感測器網路。能夠偵測如漏水、淹水、煙霧和火災等威脅,然後迅速做出反應,可以節省大量維修成本,同時保護居住者,甚至挽救生命。透過感測器網路減少威脅也可能降低保險費。
雖然這兩種感測器網路應用範例會直接增加部署者的營收或淨利,但在裝設感測器網路時需要考慮兩個關鍵挑戰:部署感測器的傳輸媒介以及處理感測器數據的方式。
感測器傳輸媒介須考量應用場景
每個感測器網路的配置都不同,具體取決於其應用需求和物理環境。例如,有些網路可以部署在具有統一覆蓋範圍的零售環境中,而其他網路要在具備不同大小房間的公司辦公室中實施部署。有些網路需要24小時全天候不間斷的使用,而其他網路只在某一天部分時間運行。受到電機產生的電磁雜訊干擾的工廠,對感測器網路而言可說是極具挑戰性的環境,讓某些類型的感測或通訊技術無法作用,每種情景都需要最佳的感測解決方案。
來看看商業建築的例子。共同的目標是降低照明和HVAC系統的耗能和成本。有兩種選項:在幾乎無人使用的區域中最小化照明和HVAC使用,或實施節能的照明和環境控制。無論選擇哪種,都需要部署必要的感測器類型,例如偵測是否有人、照明度和溫度感測器等。附加的濕度或壓力感測器可以透過優化照明和空調,確保居住者更加舒適。
要部署最佳的感測器網路,開發人員必須事先做出一些決定:「感測節點將採用電池供電還是電線供電?」由於不受電線的限制,電池供電的無線感測器節點更易於安裝。但每隔幾年更換一次電池對ROI回報率造成負面影響。採用電線(壁上電源或乙太網路供電)也可能產生昂貴的前期成本,而且在地法令相容性因地區而異。部署像PoE這樣的低電壓系統比向每個感測器節點輸送110V或220V更具成本效益。另個經濟實惠的選擇是安裝低電壓LED照明和感測器網路,以便更輕鬆地節省能耗。
開發人員也必須決定:「感測節點採用有線還是無線通訊?」解決方案在採用「有線供電和有線數據通訊」還是「電池供電和無線數據」之間進行權衡。無線更具有成本效益,因為不需要在整個建築物中部署數據線,但在部署無線網路時,必須考慮其他前期施工成本和複雜性。對於新建築,部署CAT5線纜相當容易,它可以將數據和電源傳輸到每個節點。使用CAT5線纜,傳輸速率通常低於標準的1 Gbps,這表示CAT5線纜可以傳輸達100公尺以上。然而,對於一些大樓翻新,進入難以到達的地方部署線纜(例如天花板吊頂)幾乎是不可能的。在這種情況下,無線連接可能是最佳選擇。
在裝設無線網路時,開發人員必須考慮使用何種傳輸媒介和協定。由於廣泛部署的基礎設施和熟知的IP數據封包,Wi-Fi因其易用性而具吸引力,但Wi-Fi只支援有限數量的終端節點和存取節點,與其他短距離無線傳輸技術選項相比有大量功耗。
雖然Zigbee解決了耗電問題,但對於缺乏網狀專業知識的開發人員來說,開發Zigbee網路可能極具挑戰性。部署人員需要評估每個協定選項的優缺點,如圖2所示,才能確定最佳路徑。沒有完美的解決方案,最好的無線選擇,是採用可接受的權衡來實現最佳應用目標。
圖2 開發人員可為大樓自動化中使用的無線感測應用提供多種短距離協定選擇。
「感測器數據的決策將在何處進行?」也是開發人員要思考的問題。根據商業大樓或家庭的需求,打開或關閉HVAC系統的決策,可以透過HVAC控制器在建築物本地進行。或者,可以將感測器數據發送到雲端進行處理,進而實現HVAC系統的遠端控制。
這種對在地或遠端資料處理和控制的選擇取決於許多因素,包括實現決策所需的運算複雜性、必須處理的數據量、以及是否需要後期資料處理或遠端監控。對於具備有限數據要求的智慧家庭,本地處理和控制可能是切實可行的。然而,對於管理建築物中許多房間的HVAC系統,可能需要閘道將資料傳輸到雲端。
處理感測器數據挑戰大
處理數百個感測器節點產生的數據,對於許多試圖部署大規模感測器網路的開發人員來說是一個障礙。在實驗室中設置幾個節點,並使它們與主機或雲端通訊相對簡單,但隨著節點數量的增加,網路設計的困難度呈指數增加。
蒐集本地或雲端數據的應用,必須識別所有數據並加上時間戳記,以構建區塊的準確模型。對於智慧辦公室,主機系統將從數百個感測器接收資料。這可能是一個不切實際、昂貴且相當困難的問題。雖然每個終端節點上的感測器可能只花費0.50美元,但對網狀網路和雲端運算的開銷需求,可能遠遠超過感測器的成本。經驗豐富的感測器網路部署者,現在只增加每個終端節點必要的內容。這種合理精簡的優化方法能夠減少數據開銷,降低終端節點的功耗,進而節省電池更換成本。
網路拓撲是一個多變數問題。解決方案的趨勢是使用結合網狀網路、匯流排或樹狀拓撲的混合拓撲。例如,在智慧辦公室中,部署許多較小的感測器網狀網路是有意義的,這些網路可以相互跳躍將訊息發向閘道器或存取點(圖3)。這種存取點可以是另一個網狀網路的一部分,它與主機只差一步距離或者含括主機和其他閘道器。透過在閘道器和主機之間分擔工作,使用這些「中間」節點簡化了這一難題。
圖3 智慧辦公室可以部署較小的感測器網狀網路,這些網路相互跳躍將訊息發向閘道器或存取點。
使用混合式拓撲,雲端可以接收組織過的數據,減輕雲端應用的負擔並實現更具擴展性的網路。雲端應用很可能是針對特定任務而設計,必須被創建或授權才能為建築物提供監控功能。
目前的趨勢是透過軟體即服務(SaaS)來實現此應用。例如,希望降低HVAC成本的保險公司,通常不具備自行開發這種應用的核心能力。此應用提供回饋以及配置,設施管理人員可以根據自身喜好,自訂控制他們的建築環境。
感測器網路部署將是一項挑戰。沒有一個感測器網路布局或測量組合適合每種IoT應用。一個網路可能專注於追蹤資產或人員,而另一個網路則優先偵測環境變化,以降低成本或避免災難。無論選擇哪種感測器網路方式,都必須帶來價值,此價值必須抵銷部署傳輸媒介以及處理數據並最終做出決策的系統的成本和複雜性。
從電池供電的終端節點到大規模的雲端應用,感測器網路部署必須仔細規劃。在部署或設計感測器網路時,需要考量所有面向,即使是最輕微的疏忽也可能導致難以克服的權衡利弊。考量如何為每個感測器節點供電,如何傳輸數據和到達主機應用的路徑,以及如何隨著時間的推移對網路進行服務或擴展。感測器網路正在開始實現最佳的性價比,更多企業將部署它們以降低成本、導向智慧化並從競爭中脫穎而出。
(本文作者為Silicon Labs MCU和感測器產品經理)
工業聯網技術一路演進 TSN將成未來主流
工業自動化由來已久 聯網技術代代相傳
工業自動化與通訊網路(簡稱工業網路)的發展史,可追溯到20世紀初期。當時製程控制與生產系統,都是採用機械科技搭配類比裝置,以透過中控系統來遙控,這些技術至今仍非常普遍。到了1960年代,工業自動化便從類比時代進入數位時代。由於數位化電腦的出現,廠商開始使用數位化電腦來當作各種工具機的數位控制器,並配置直接數位控制(Direct Digital Control, DDC)的專屬面板,成為工業自動化儀器的主要操控模式。
由於工廠需求要更穩定耐用,因此可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)被開發出來,並大量應用於工廠自動化。到了1980年代,區域網路(Local Area Network, LAN)技術的出現,不僅讓電腦之間可以互相連接、傳遞資料,同時也可以連接各種自動化設備以便控制。而LAN的標準中,又以迪吉多(DEC)、英特爾(Intel)和全錄(Xerox)共同開發出來的乙太網(Ethernet)為主流。當時最早的工業網路,主要是應用在各種生產過程的資料蒐集,到了1990年代,自動化控制網路逐漸蔓延開來。
因應不同需求 工業網路走向多層架構
近20年來,在資訊科技、通訊技術與工業技術的進步之下,工業自動化已經躍升到嶄新的階段,以工業網路來說,各種光纖、無線網路技術的應用也陸續導入工廠環境。工業自動化根據不同產業特性與需求,其所衍生出來的自動控制系統也有所不同,若照系統輸出與輸入量的關係,可分出線性、非線性控制系統,不同系統有不同的通訊標準。以目前的工業自動化網路技術來說,可以分成5個層級,從低至高分別是:場域(Field)層、控制(Control)層、監控(Supervisory)層、計畫(Planning)層、管理(Management)層。
在第一層的場域層中,主要是由感測器(Sensors)和致動器(Actuators)組成,採用的通訊技術則有控制器區域網路(CAN)、DeviceNet、Honeywell SDS、ASI、Bitbus、Profinet、P-Net、Seriplex、Sercos Interface等Sensorbus的工業匯流排標準。再往上的控制層,就可分成PC(以PC為主的控制系統)、PLC控制器、DCS(分散式控制系統)等控制系統,再加上CNC機台,就有Profibus、World FIP、EtherCAT以及 Profinet等領域匯流排(Fieldbus)的工業通訊標準。
到了第三層,這些以PC為主的工業電腦,來做監視、控制、處理、蒐集,因此所使用的工業網路通訊協定標準,則涵蓋了Ethernet、MAP、TCP/IP、EtherNet/IP、Modbus/TCP、Profinet等區域網路的通訊標準。而更上層則包含了計畫與管理層使用一般或商業PC,則使用有線乙太網標準,並建構廣域網路(WAN)的環境。工業網路標準的演進 工業乙太網將成主流,傳統的工廠環境中,每個生產設備大多是採用獨立的系統與工業標準,因此每個機台都只能獨立作業,其顯示的數值、產生報表等各種資訊,是無法與其他機台共享的,這是因為早期的機台並未有標準的通訊協定,使得各廠商各自開發自己的通訊協定或標準,讓工廠機台的資訊整合不易。
開放特性有助資訊整合 乙太網漸成主流
雖然有些機台提供傳統、速度慢的傳輸介面,例如RS232、RS422、RS485、
Modbus、CC-Link等。隨著資通訊科技的進步、網際網路流行,促使乙太網與Wi-Fi無線通訊技術發展成熟,加上近年來雲端應用、物聯網等新興議題,促使各產業的上下游資訊走向透通化,產業鏈的資訊整合成為企業的發展趨勢,促使工業領域吹起採用開放的乙太網路標準,以利於資訊整合,以提供給供應商或客戶,創造更多價值。
工業乙太網路(Industrial Ethernet)採用乙太網路的TCP/IP通訊協定,相容於IEEE 802.3標準,並會搭配不同的應用層來聯繫各自特有的協定,例如PROFINET 、Modbus-TCP、EtherCAT、EtherNet/IP、SERCOS III、SafetyNET p、VARAN以及Ethernet Powerlink等,讓硬體設備廠商捨棄傳統Serial Port而改用Ethernet Port,使用者就能利用一般CAT-5e網路線,來與其他設備或工業電腦做連線,不需額外的硬體配備。
此外,使用乙太網路的機台,不僅速度比傳統通訊埠還快,且既有的網路中繼器(Hub)、交換器(Switching Hub)、路由器(Router)、甚至無線基地台(Wi-Fi...
先進製程/異質整合帶來新挑戰 IC設計簽核走向多物理模擬
摩爾定律雖然已接近尾聲,但IC製程微縮的腳步仍持續往前緩步推進,5奈米、甚至3奈米製程的量產時程都已經排妥。另一方面,近年來廣受各方討論的異質整合技術,雖然讓IC設計者有機會藉由先進封裝技術,將更多功能整合到單一元件中,同時也將新的挑戰帶進IC設計流程。
安矽思(Ansys)全球半導體事業部總經理暨副總裁John Lee指出,傳統的IC設計流程是直線型的,從最初的RTL設計、合成(Synthesis)、繞線布局(Place & Route, P&R)、設計簽核(Sing-off)、布局驗證(Layout Validation)到投片(Tape out),IC設計團隊只要按這個流程一路往下走,就可以完成晶片設計。全球各大EDA工具供應商的產品線,大多也都按照這個邏輯進行布局。
但隨著製程線寬越來越細,加上以先進封裝技術將Chiplet兜成一顆元件的做法開始流行,現在的IC設計團隊在進行設計簽核的時候,要考慮的物理因素遠比以往更多。如何解決IR Drop、Timing Push Out,乃至異質整合所帶來的機械結構可靠度、熱管理等議題,都令IC設計者頭痛不已。
傳統上,IC設計人員在進行設計簽核(Sign-off)時,只須考慮電源一致性(PI)、訊號一致性(SI)的問題,但未來勢必要導入新的多物理模擬工具。這使得EDA工具鏈在設計簽核階段,出現了橫向擴展的趨勢。除了傳統的PI跟SI之外,諸如機械可靠度、熱、電磁、射頻、靜電放電等,也都成為IC設計團隊在進行設計簽核時,必須考慮到的面向。
基於多物理模擬的IC設計簽核工具,將改變IC設計流程,成為EDA工具的「機翼」。
Lee認為,在各種多物理模擬工作中,電磁模擬是特別重要的一環。由於異質整合常會使用矽中介層(Silicon Interposer),如果沒有矽中介層的電磁模型,並將其納入簽核範圍中,在進行異質整合的晶片設計時,失敗率是很高的。
此外,伴隨先進製程而來的IR Drop,不僅是電源的問題,同時也會對Timing造成影響,造成元件失效。這兩者間的關係相當複雜,因此Ansys正在發展相關的機器學習(ML)技術,盼藉由機器學習協助設計人員釐清IR Drop跟Timing Push Out的關聯性。
Ansys半導體事業部技術長張鴻嘉表示,目前該公司正在開發一項新的模擬技術,名為增強模擬(Augmented Simulation),其概念是用工具自動產生的資料來訓練模型,加快模型訓練的速度,使ML工具能更貼近IC設計工程師的使用需求。
其實,真實資料對IC設計團隊來說,往往不見得適合用來訓練模型,因為資料本身的結構、格式有時相當混亂,光是把資料清理到可用的程度,就要花很多時間。工具自動產生的資料則沒有這個問題,因為可控程度高,訓練模型的速度也快。
事實上,Ansys目前就已經有一款名為Path FX的時序跟時脈樹(Clock Tree)分析工具,搭配ML套件後便具備類似的功能。但明年將正式發表的新款工具,在功能方面會更全面。
機器人安全性大提升 明基/佳世達目標取代50%人力
過去工業機器人的危險性高,考量安全因素,多用圍籬與人員隔離,避免傷及工廠人員。而過去的協作型機器人在速度與精度又不及工業型機器人,使得工廠應用工業機器人時總是必須犧牲空間以確保安全性。但隨著自動化與科技演進,機器人安全機制的發展使得工廠機器人應用率提升,也釋放許多過去不能利用的空間。
佳世達智慧能源事業處處長黃氣寶表示,由於安全性的提升與各種因素,機器人在台灣工業製造應用率有顯著的提升。明基/佳世達的目標就是工廠機器人的應用要超過本來的50%,希望有一半的人力可以用機器人取代,只留下一半的人力搭配機器人。
黃氣寶指出,以目前台灣的電子業、組裝產業和傳統製造業的狀況來說,並不適合盲目地追求關燈工廠。由於現在產品少樣多量的需求趨勢推動,更適合推廣人機協作的彈性產線,保留部分人力從事特定機器人難以取代的工作,剩下的事就交由機器人完成。
但是在人機協作的過程中,安全性必須是首要考量。因此明基/佳世達與策略夥伴ABB備有機器人安全協作方案,又稱安全皮膚,安裝在工業機器人上,人員靠近到一定範圍時機器人便會開始減速,當觸碰到人員時,機器人動作便會停止。安全皮膚藉由壓力感測技術,當感測到1公斤的碰觸力道時便會即刻停止機器人動作,承受1公斤的力道人體雖然還是會有感覺,但是不會致傷。另外,安全皮膚利用設置在機器人周圍的地墊感測附近人員的距離,以判斷是否須要減速。
黃氣寶說明,台灣地狹人稠,實際上的工業用地其實非常少,但是由於過去工業機器人的危險性很高,必須要用圍籬將工業機器人與工廠人員隔開,而被圍起來的空間就不能夠利用,使原本就不多的空間更加壓縮。透過安全皮膚,就可以提升工廠廠房空間利用率,釋出過去被圍籬圍起來的工廠空間。工廠坪效的利用率就會大幅提升,透過這樣的機制,可以在一樣的空間內設置更多設備,而不須要增添新的廠房,回收過去不得不浪費掉的空間。
另外,黃氣寶也提到,傳統機器人是在固定位置進行固定工作,而現在發展的方向就是要提升機器人的機動性與靈活性。例如機械手臂搭配AGV,可以當作移動式工站機器人,可以做不只一個工站的工作,更能夠解決人力不足的問題,和提升產線資源調配的靈活性。AGV取代無效率搬運人力,提高物料到現線的準時性,減少線邊倉提高生產線坪效使用,目前包括大型汽車物料倉庫與台灣半導體大廠,均有採用明基/佳世達AGV解決方案。自主移動式機器人 (AMR)結合機器人和AGV ,採用最新SLAM的AGV搭配6軸工業機器人,使用於移動式工站使用,可以大幅節省人力與空間。
相較於傳統工業機器人,觸覺感測除了能讓機器人更像人一般靈活操作,觸覺感測除了能讓教導機器人上更加便利和靈活,也大幅縮短使用機器人的技術門檻,最重要的是還能確保使用上的安全性。此外,人機協作也完全符合少量多樣與客製化的製造趨勢。












