AI n a chip semiconductor

【為什麼我們要編譯這篇文章】美國正透過各項政策與實際作為降低對亞洲晶片產業的依賴,其中有一項技術正獲得各界關注:數位孿生(digital twin)。

下文,你將了解數位孿生技術將在半導體的哪個生產環節發揮效用,市場上又有哪些主要玩家?他們如何成為全球晶片產業的 game changer?(責任編輯:藍立晴)

數位孿生技術(digital twin technology)是指針對某項實體資產,透過數位技術創建出鉅細靡遺的虛擬版本,應用對象廣泛,可以小到單一元件、大到一整座工廠,目的是為了在實際執行某些決策前,事先模擬並評估決策效果。

在半導體產業裡,數位孿生用於晶片模型開發的產業案例正在日益增加,此種為晶片設計領域帶來革新性優化的做法,有助於調整全球晶片市場之供需失衡。外媒《FORTUNE》甚至指出,數位孿生技術可望提升美國製造晶片能力,從而減少對亞洲的過度依賴。

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數位孿生為晶片設計產業帶來 4 點新改變

採用數位孿生技術,設計師得以檢視半導體生命週期的初始階段,不須等到工廠開始生產,就能事先評估並調整設計細節,使設計過程盡可能簡化且高效,並且沒有任何傳統物理方法的相關風險。

數位孿生技術已將為晶片設計產業帶來以下 4 點改變:

1. 減少對實體產品原型的依賴

建立產品原型(prototyping)能幫助設計師在正式進入設計流程前,預先判斷想法的可行性;雖然數位孿生尚無法完全取代實體原型,卻能夠最小化其使用需求。

運用數位孿生打造產品原型,能大幅提升設計團隊的迭代效率,加速並維持生產力,且因為提供了彈性更高的虛擬測試場域,使設計師有更多餘裕展現創新。

Ansys 技術長 Prith Banerjee 指出,過去工程師會在硬體中建構多個產品原型,導致時間長、成本也高,現在透過數位孿生軟體就可擬真、建構整個虛擬模型,有助於幫助他們創建出最佳設計。

Ansys 是一家擁有 50 年歷史的工程模擬軟體公司,其模擬軟體正被先進半導體、衛星系統、救生醫療設備、交通產業等採納,也是台積電、英特爾等半導體公司的技術合作夥伴。

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2. 提升晶片設計流程的可視度(visibility)

有了數位孿生技術,半導體設計師能夠提早辨識出潛在問題,在生產流程初期就著手預防──這也是西門子(Siemens)選擇與矽智財公司 Arm 攜手合作開發數位孿生的原因之一。

現代智慧車款配備更多聯網裝置,隨之而來的更多變數也意味著更多技術挑戰。如同西門子自動駕駛與 ADAS 全球技術經理 David Fritz 所言:「在汽車單晶片系統的設計流程中,所輸入的參數龐雜到幾乎像是『一整個世界』,比如天氣和路況。而進到驗證階段後,則必須確保晶片輸出正確,上路後不會撞到任何人。」

在汽車進入量產階段前,數位孿生技術就能做到子系統 (subsystem)與單晶片系統(SoC)之模擬與驗證,預先透過各指標數據去評估該汽車晶片效能,協助設計師辨識出哪些已運行良好、哪些晶片細節仍待改進。

3. 使生產決策更加完善

另外,像是在決定印刷電路板要以何種技術進行焊接前,設計師可以先透過數位孿生檢視晶片功能,判斷是否要用無鉛銲接或其他自動化選項(例如波峰焊接)來維持高生產效能與品質。

4. 改善半導體供應鏈之平衡與安全性

根據 2019 年的數據顯示,美國晶片設計市場規模,約佔全球的 85%,然而在半導體製造方面,僅佔了 12%。因此美國政府正努力將半導體製造業帶回本土,期望在晶片付之闕如的情況下,增強自身產業供應鏈的穩定性。

美國國防部就鼓勵晶片設計與生產部門導入數位孿生技術,試圖解決供應鏈問題,例如在實際武器製造前,先使用數位孿生去驗證晶片組成,或檢驗個別元件。

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這些半導體企業都已經在導入數位孿生技術

如今有越來越多晶片廠導入數位孿生技術,用以改進效能、改善研發測試,並確保企業營運維持順暢無阻。

例如,全球五大半導體設備公司之一的科林研發(LAM Research),以及已在德國廠區使用數位孿生技術的工程與電子跨國企業博世,還有半導體材料工程解決方案供應商應用材料(Applied Materials) 等,都選擇用機器學習代理工具、數位孿生技術,來取代傳統慣用的實體模擬,達成更精確且快速的測試成果,速度甚至能提高 100 萬倍。

技術供應方面,則有 Tignis、AspenTech、Ansys 等科技新創致力於發展 AI 與 ML 的前端應用,使數位孿生能夠更廣泛運用於製造工業之生產與營運優化。

本文開放夥伴轉載,參考資料:Semiconductor DigestYahoo FinanceFortune,圖片來源:Canva