在“萬物互聯(lián)”時代，工業(yè)4.0擁有巨大的潛力

目前工業(yè)的數(shù)字化轉型正在全面展開。幾乎每個人都在使用（工業(yè)）物聯(lián)網(wǎng)、智能工廠或信息物理（生產(chǎn)）系統(tǒng)這樣的流行語。在工業(yè)強國之一的德國，它被稱為Industrie 4.0，而在世界的其他部分則被稱為“工業(yè)4.0”。

然而，似乎沒有人知道它的確切含義——雖然存在各種不同的解釋，但沒有明確的定義。對許多人來說，邁向工業(yè)4.0已成為日常生活的一部分，不斷的重復使得這一概念不再新鮮。盡管數(shù)字化和網(wǎng)絡已經(jīng)成為頻繁使用的流行語，但對工業(yè)4.0的理解也毫無幫助。

聚焦于工業(yè)4.0，尤其是在德國，很多行業(yè)都受政治影響。但其他國家已經(jīng)認識到其對本國經(jīng)濟和競爭力的積極影響，鼓勵它們進一步創(chuàng)新。在這種情況下，政府官員正在推動一種將供應商視角和用戶公司視角結合起來的雙重戰(zhàn)略，主要領域是工業(yè)自動化和機械/制造工程。制造商一方面必須將新的高效智能技術用于自己的生產(chǎn)過程，另一方面還要將這些技術和產(chǎn)品投向市場。

相比之下，所有人都同意工業(yè)4.0不僅能推動新技術和智能產(chǎn)品發(fā)展，而且有助于擴展生產(chǎn)部門。這同時為駕馭現(xiàn)有及新興市場不斷增強的市場動能和復雜性創(chuàng)造了條件。能在多個領域發(fā)揮作用的公司似乎擁有特別好的起跑位置。

這點尤其適用于半導體行業(yè)中的公司。如ADI公司等半導體制造商已經(jīng)在消化這個復雜的概念，將自己的生產(chǎn)線轉變成全自動智能工廠。ADI公司還向制造業(yè)中的公司提供創(chuàng)新技術，幫助它們將其制造設施改造成智能工廠。但是，要開始這種轉變，必須認識到它在帶來附加值、提高生產(chǎn)率并相應地降低成本的同時，也需要付出大量努力。

工業(yè)4.0不僅意味著生產(chǎn)的變化和技術的擴張，而且意味著對創(chuàng)新商業(yè)模式的需求在不斷增加。關于工業(yè)4.0已進行廣泛的討論，并有很多不同的解讀，研究結果大致可以分為三個方面：新技術、新產(chǎn)品和新商業(yè)模式。所有這三個方面一起涵蓋了生產(chǎn)及其產(chǎn)品的整個價值鏈——從傳感器節(jié)點開始經(jīng)云端再到下游服務（圖1）。

圖1. 當前的信號鏈

通常會有一個含某種形式傳感器或執(zhí)行器的節(jié)點，其同時建立與真實物理世界的聯(lián)系通路。往來這些器件的信號常常相當小，并且是源自高噪聲的惡劣環(huán)境。必須對其進行處理、轉換并轉發(fā)到信號鏈中的下一個鏈路。由于此信號鏈存在問題，必須改變信號鏈。最初是將純數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，但已有越來越多的?shù)據(jù)處理發(fā)生在節(jié)點上，如圖2所示。

圖2. 未來的信號鏈。

這種數(shù)據(jù)處理需要節(jié)點上具備更高的洞察力和知識——將數(shù)據(jù)轉化為信息。這種智能檢測技術可降低整體功耗，減少帶寬浪費，促成反應型IIoT到預測型和實時IIoT的轉變。

這就涉及到技術。許多半導體制造商已將其列為其核心競爭力之一，并且需要不斷改進。

另外，能源效率也發(fā)揮著重要作用。半導體制造商受到鼓勵，不僅利用其專業(yè)知識進一步開發(fā)產(chǎn)品，而且發(fā)展自己的設計和工藝技術，因為聯(lián)網(wǎng)是IIoT整體解決方案的重要組成部分。無論有線還是無線，未來對這兩種技術的需求會越來越多，必須將二者納入解決方案組合中。

如果深入系統(tǒng)層面并專注于垂直細分市場，則可以為客戶提供更完整的系統(tǒng)。就完整硬件平臺而言，節(jié)點可以與相應的軟件包一起提供。這可能還包括相關算法，用來分析節(jié)點中的已有數(shù)據(jù)，最終只將結果傳輸?shù)骄W(wǎng)絡（云端），減少信息的數(shù)據(jù)量。

雖然工業(yè)4.0是一個有意義且重要的話題，但半導體制造商在選擇過程中必須非常小心。整個市場仍處于摸索階段，有必要了解您在什么領域以及如何正確應用自己的實力和技術，以滿足客戶或應用的真正需求。

IIoT市場有哪些新需求？

考慮到工業(yè)價值鏈，市場需求在未來將會發(fā)生變化。這就是為什么半導體制造商必須將自己的企業(yè)和產(chǎn)品適應智能工廠的現(xiàn)實原因，當然還有其他原因。技術趨勢正朝著智能和超高效節(jié)能產(chǎn)品以及（如可能）集成安全安保功能和能源采集能力方向發(fā)展。圖3顯示了這樣一個器件或者說一個完整的系統(tǒng)，其中以ADI公司基于MEMS的加速度計ADXL356為例。

ADXL356是一款低功耗、低噪聲、3軸加速度計，具有超低失調(diào)漂移。由于其密封封裝，ADXL356特別適合惡劣環(huán)境條件下的精確傾斜測量，以及低功耗或電池供電無線傳感器網(wǎng)絡中的高性能（長時間）測量。這些應用需要預測性維護和狀態(tài)監(jiān)控。兩者均與工業(yè)4.0密切相關。在這些操作中，必須確定驅動元件的損壞程度，例如通過執(zhí)行永久或定期振動診斷來確定。

對于此類智能傳感器解決方案，如圖2所示，加速度計是整個系統(tǒng)的基礎。它通過其他功能實現(xiàn)擴展：利用模數(shù)轉換器、微控制器以及各種模擬和數(shù)字（部分隔離或無線）接口集成信號處理。無線接口支持以太網(wǎng)、6LoWPAN或WirelessHART等通信標準，具有最高的可靠性。特別是對于后兩種標準，SmartMesh IP?和SmartMesh? WirelessHart等無線通信網(wǎng)絡提供了非常好的解決方案。前者符合6LoWPAN標準，為每個節(jié)點提供原生IPv6尋址能力，并使傳感器數(shù)據(jù)易于從云端訪問。后者符合針對工業(yè)應用而設計的WirelessHART標準(IEC 62591)，能夠與其他供應商的WirelessHART設備進行互操作。兩者均提供極其可靠且安全的數(shù)據(jù)傳輸，采用AES 128位端對端加密技術，最多可擴展至50,000個節(jié)點。

最后，在這些系統(tǒng)的開發(fā)過程中不可忽視功能安全。為了能讓安全性成為完整系統(tǒng)解決方案的一部分，半導體制造商還應當投資于網(wǎng)絡安全解決方案(CSS)和加密等技術。

圖3. 基于MEMS的智能傳感器解決方案。

類似圖3所示的系統(tǒng)帶來的后果是，可用的芯片級標準產(chǎn)品會較少，因為將來可以將其集成在電路板上。標準產(chǎn)品的集成已經(jīng)在硅片上發(fā)生，或置于封裝中成為系統(tǒng)化封裝(SiP)。這意味著制造商必須對芯片級或者至少電路板級以及相應的生態(tài)系統(tǒng)有深入的了解。這樣，客戶可以更多地關注自己的應用，從而讓自己與競爭對手區(qū)隔開來。

ADI公司之類的供應商必須考慮使用或整合來自其他市場的成熟技術。這可能有助于降低高成本并延長生命周期。其他產(chǎn)品中成功實施技術的一個例子是MEMS。MEMS技術過去從未被用于創(chuàng)建加速度計之外的器件，但現(xiàn)在已被用于ADGM1304等超快速開關。這款集成驅動器的單刀四擲(SP4T)開關可在0 Hz/直流至14GHz的頻率范圍內(nèi)工作，因而是各種射頻應用或繼電器替代產(chǎn)品的理想開關解決方案。

這種技術組合不僅有助于服務個別客戶，而且可以幫助制造商進入不同（有時甚至是新的）市場。在很多情況下，制造商的各種技術可以通過這種方式輕松組合，創(chuàng)建新型高效應用。

然而，半導體制造商僅僅擴展其傳感器和其他半導體器件的范圍是不夠的。為了繼續(xù)被視為全球市場參與者，并充分挖掘工業(yè)4.0的潛力，其產(chǎn)品組合也應該在通技術領域得到拓展。例如，在工業(yè)自動化領域可以清楚地看到向以太網(wǎng)（準確的說是確定性以太網(wǎng)）的轉變。出于該原因，ADI公司最近收購了確定性以太網(wǎng)領域的半導體和軟件解決方案供應商Innovasic。通過此次收購，ADI公司增加了關于高度同步網(wǎng)絡中的魯棒實時連接的專業(yè)技術，從而利用獨特的軟件解決方案擴展產(chǎn)品組合。因此，即使在數(shù)字化趨勢盛行的當下，許多半導體制造商的目標仍是從模擬技術轉向垂直系統(tǒng)領域，以提供連接物理與數(shù)字世界的完整系統(tǒng)解決方案。

然而，為了引起客戶對此類系統(tǒng)的興趣，可能有一些因素比較重要。不僅是適當?shù)能浖?，還包括軟件周圍的工具和合乎需要的生態(tài)系統(tǒng)，這將為客戶創(chuàng)造附加值。因此，未來還需要用于分析所生成數(shù)據(jù)的新服務和算法。

未來附加值對客戶意味著什么？

如今，客戶的資源越來越多地被引入軟件之中。這對整個半導體行業(yè)來說是一個挑戰(zhàn)，意味著必須向客戶提供更多更高效的開發(fā)工具，而且還要提供培訓機會、文檔和支持；可以是直接提供，通過生態(tài)系統(tǒng)提供，或是通過分銷商提供。當然，僅僅因為技術上可行就開發(fā)所有這些具備工業(yè)4.0功能的產(chǎn)品和系統(tǒng)是沒有任何意義的。重要的是必須為客戶帶來顯著的附加值。為了證明購買和運行工業(yè)4.0應用所導致的額外成本是正當合理的，必須讓客戶能看到并獲得此附加值。通常，與客戶相關的附加值可以歸為以下三大類：

* 通過節(jié)省時間、資源和金錢提高運營效率。* 通過分析使用數(shù)據(jù)提高客戶滿意度和忠誠度。* 通過擴展或創(chuàng)新商業(yè)模式創(chuàng)造額外的收入流。

智能產(chǎn)品的成功與附加值能否得到認可直接相關。這些因素最終決定了所有與實施相關的技術和商業(yè)參數(shù)，因此應詳細分析。分析的結果也可能是產(chǎn)品理念在經(jīng)濟上不可行，或至少目前尚不可行。為使開發(fā)更加可行，以及為了更快速、更有效地集成到系統(tǒng)中，來自制造商的支持將會發(fā)揮重要作用。制造商將把他們的專業(yè)知識嵌入客戶的開發(fā)流程中，從而減少客戶需要付出的額外努力和成本。此外，制造商可以繼續(xù)致力于其核心業(yè)務，無需浪費寶貴的時間去學習新技術，而合作伙伴和其他協(xié)作方可以幫助推動持續(xù)增長。

雖然工業(yè)4.0有諸多優(yōu)點，但問題是為什么許多企業(yè)尚未投資于智能工廠？

猶豫的原因

主要障礙之一是企業(yè)尚未認識到智能工廠會帶來重大利益，故不愿付出相關成本。例如，由于缺乏貨幣化評估標準，目前要計算投資回報率(ROI)仍然相當困難。因此，半導體制造商必須提高客戶的意識，提供教育資料以說明智能工廠的優(yōu)勢，同時指出投資智能工廠會獲得的價值。投資對于新技術和商業(yè)模式，以及開發(fā)和拓展營銷活動、資格認定措施、銷售管理都是必要的。

隨著生產(chǎn)部門的轉型，數(shù)據(jù)和IT安全等問題愈來愈重要。這些內(nèi)容不僅僅是成功導入工業(yè)4.0的重要要求，還必須在數(shù)字系統(tǒng)中作為關鍵的采納和成功因素加以實施。

此外，對于企業(yè)來說，重要的是要在開始實施工業(yè)4.0的早期階段制定基本戰(zhàn)略路線，收集相關技術經(jīng)驗。然而，這個過程需要耐心，因為許多相關技術可能要經(jīng)過5年、10年甚至更長時間才能充分展現(xiàn)其潛力。而且，由于缺乏明確的定義，工業(yè)4.0將于何時完全實現(xiàn)并沒有一個確切日期。與其談論“工業(yè)革命”，不如使用“工業(yè)演進”可能更有意義。

隨著生產(chǎn)環(huán)境的改變，新的參與者和競爭者也將出現(xiàn)或影響市場。聯(lián)盟即將出現(xiàn)，并會對塑造生產(chǎn)形象產(chǎn)生重大影響。廠房里的活動對企業(yè)未來的影響將越來越小。另外，軟件和服務業(yè)也將發(fā)揮重要作用，因為只有將虛擬與現(xiàn)實世界聯(lián)系并融合起來，才能確保制造商實現(xiàn)最大生產(chǎn)潛力。

盡管如此，半導體制造商不應忽視其過去已獲成功或現(xiàn)在仍很成功的現(xiàn)有業(yè)務或產(chǎn)品。這些主要產(chǎn)品應該進一步發(fā)展，并通過保持適當?shù)闹圃炷芰υ谖磥砝^續(xù)予以支持。雖然當今的數(shù)據(jù)轉換器架構非常穩(wěn)定，也將繼續(xù)作為未來的基礎，但基于其基本架構進行改進仍有必要。例如，隨著更小尺寸的工藝被用于此類產(chǎn)品，要實現(xiàn)相同甚至更好的性能并不容易。

新市場趨勢下的適度增長

近年來的大型并購案引發(fā)了半導體市場的整合。銷售和分銷從器件轉向系統(tǒng)。要在未來取得成功，個人或公司必須認識到工業(yè)4.0中的顛覆性技術和新市場的潛力，從而重新找準定位。企業(yè)必須持續(xù)利用好半導體行業(yè)的少數(shù)幾個有機增長源。遺憾的是，半導體行業(yè)年銷售額增長30%至40%的輝煌已成往事，現(xiàn)在這種增長率似乎已經(jīng)結束。2015至2020年間，年均增長率預計只有3.4%。企業(yè)必須思考以下基本戰(zhàn)略問題：未來增長將源自何方？

以下增長來源可能至關重要：由碳化硅(SiC)制成的功率半導體目前被視為未來產(chǎn)品的新增長源。與普通硅制半導體產(chǎn)品相比，碳化硅產(chǎn)品速度更快、更魯棒、效率更高，因而被認為是顛覆市場的技術。由于對混合動力和電動汽車以及再生發(fā)電和某些工業(yè)應用的需求不斷增長，SiC及其姊妹技術——氮化鎵(GaN)技術——在未來幾年將占據(jù)主導地位。

結論

作為更大的物聯(lián)網(wǎng)（也被稱為“萬物互聯(lián)”）的一部分，工業(yè)4.0擁有巨大的潛力。在未來幾十年中，其市場價值預計在萬億級范圍。在工業(yè)4.0的幫助下，任何能夠提高生產(chǎn)力的東西都會讓不同規(guī)模的公司產(chǎn)生濃厚興趣。

為了充分發(fā)掘物聯(lián)網(wǎng)市場的全部潛力，需要的不僅僅是硬件。我們需要的是一個由硬件、軟件和服務組成的生態(tài)系統(tǒng)。這種新環(huán)境鼓勵小型靈活的公司與大公司開展合作。

但是，半導體制造商不應忽視當前趨勢和工業(yè)4.0熱潮之外的發(fā)展。有些技術傳統(tǒng)上屬于某個市場，但最終也會影響其他市場，比如5G。傳統(tǒng)上，5G是用于移動設備和基礎設施的通信技術。但在未來，推動5G需求的市場之一將是汽車市場。與其他系統(tǒng)的通信對于自動駕駛尤為重要。每輛車都成為一個復雜生態(tài)系統(tǒng)的一部分，其中通信起著關鍵作用。除了汽車之間的數(shù)據(jù)交換以外，這個生態(tài)系統(tǒng)還包括路邊基礎設施、5G網(wǎng)絡和大型數(shù)據(jù)中心。此外，車輛依靠攝像頭、激光雷達、雷達等傳感器來獲取有關環(huán)境的必要信息。整個通信系統(tǒng)必須協(xié)同工作。鑒于自動駕駛需要以更高速度、更低延遲和超強可靠性處理大量數(shù)據(jù)，5G似乎是目前最有前途的通信標準。

總之，工業(yè)4.0智能工廠的轉型以及其所需的技術，為半導體制造商創(chuàng)造了巨大的可能和成功。