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每分钟发出800万派工命令 台积电:晶圆制造是「全世界最复杂的棋局」

随著半导体技术的推进,制程的复杂度呈现翻倍成长,台积电形容晶圆制造应是世界上最复杂的制造产业之一。李建梁摄

随著半导体技术的推进,制程的复杂度呈现翻倍成长,台积电因此形容,晶圆制造应是世界上最复杂的制造产业之一。台积电智能制造中心副处长黄楙智日前受邀出席「智能制造产业关键应用大会」时向外界分享了部分台积电目前的智能化进展。他指出,在自动化与智能化系统的导入下,现在台积电有许多过去在一线生产现场的员工,陆续因自动化而工作转型,琐碎重复的动作由自动化系统辅助,进而专注于更高值化的工作上。

也许外界自然而然就将人工智能(AI)、大数据、物联网等创新技术与智能制造连结在一起,然而黄楙智在分享台积电对于推动智能制造的看法时表示,比起强调人工智能的投资、或智能制造引用了多少尖端技术,台积电更关注于如何增值作业流程,让营运价值与获利最佳化,而其中的关键就是增益人与机台的有效集成。

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台积电智能制造中心副处长黄楙智向外界分享部分台积电目前的智能化进展。廖家宜摄

他表示,现在台积电有许多过去在第一线生产现场的员工,逐渐工作转型,从机台操作转为系统监控,这个改变是将长年累积的生产知识和技术与AI结合,发挥最大制造效益。

根据台积电2018年的年报资料显示,台积电提供261种不同的制程技术、为481个客户生产超过1万种不同产品。可以想见的是,在同时承载多样且多量的技术服务下,要同步满足不同客户的需求,背后的制造管理与生产技术绝对是既复杂又艰钜的挑战。

除了产品的多样多量,还有一个挑战是生产设备的控管。黄楙智指出,台积电最新的超大晶圆厂,面积约有4座日本甲子园棒球场大,厂内机台数量规模浩大,在如此庞杂的制造规模下,无法完全靠人力完成生产管理,一来物料搬运辛苦没有效率,且庞大的决策规模超越人脑可以负荷的极限,因此台积电便在思考,如何透过自动化以及智能化,有效运用工厂设备产能资源,以期生产顺利的同时,亦满足不同客户需求。

晶圆制造:全世界最复杂的棋局

黄楙智分别以物料搬运与派工流程为例,说明部分台积电目前的智能化进展。他表示目前台积电在物料传送系统上,已采用智能全自动化的物料搬运系统,每座工厂平均建置长达50公里的运输轨道、2,000台搬运车,而每日发车次数高达60万次,忙碌程度不亚于一个都会捷运系统。

密集穿梭于整厂的全自动化物料搬运系统之所以能够顺畅运行,其背后成功关键是必须让搬运车、生产机台以及原物料三方都能够实时达到互联互通,为了达到互联调度的最佳化,台积电在这背后也透过自行研发的AI大脑来统筹车辆相关系统的运行。

而真正体现AI大脑所带来的巨大影响,则是台积电晶圆制造的派工决策系统。在巨量的晶圆生产流程中,派工系统必须决定什么时候把料送进机台、或是下一站到哪里个机台可拥有最佳生产效率与质量。又因半导体制造流程属于循环式加工流程,一片晶圆的加工程序可超过上千道次工序,难以透过单一工站便决定生产顺序,因此在执行派工决策时,必须集成考量制程上下游关系进行排程与派工。

黄楙智以简单地微影制程到离子植入制程回流举例:在这段循环式的生产流程中,通常晶圆会来回经过同一工站、在同类型机台中执行不同制程,因此形成一反复来回的排列组合,而错综复杂的上下游关系一旦派工失误,便会导致生产路径回堵,使得某一工站的在制产品堆积,进而形成生产线运行的瓶颈站点。

「这应是全世界最复杂的棋局!」黄楙智因此形容。就像围棋盘上每一子的行动等同于半导体生产每一次的生产排程与派工,且晶圆制造越趋复杂,一旦没有上下游派工妥善控管,生产进度就会产生类似于围棋棋局上的围堵效应。

面对全世界制造业最复杂的一盘棋局,台积电利用人工智能来进行派工决策,黄楙智指出,在台积电的超大晶圆厂中,智能排程系统每天模拟超过10200排列组合、平均每天每分钟会发出600万到800万次的派工命令,以满足多面向的生产需求,且由于生产变量大,系统1分钟之内就必须下达指令,因此台积电的派工决策,是一项非常庞大的AI运算任务。

超大晶圆厂 同时也是超大数据库

此外,台积电超大晶圆厂每月量产超过十万片晶圆,其中数千台生产设备布满上百万组传感器,每秒可产生数百万笔资料,用以追踪与管制原物料生产进度与质量,形成庞大的晶圆厂大数据,导入大数据技术便为晶圆厂提供工程资料分析、制程质量管制或是生产力效益最佳化等丰富的资料分析。

藉由AI、大数据等先进信息技术的导入,让台积电的生产制造更加智能化,但黄楙智认为,智能制造的成熟与落实,除了在于精进企业的竞争力外,也让员工因此能专注于高值化的工作上。例如过去台积电有许多员工在第一线操作机台与处理物料,而经过职务转型后,如今则是坐在晶圆厂的战情中心计算机前,透过集成系统平台,监控管理高复杂度的生产线,用增益智能(Augmented Intelligence)来管理人工智能,确保工厂顺利运行,也为人机集成做了最好的诠释。


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