人工智能與半導(dǎo)體制造的深度融合
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編者按:這是SugarTalk第一期活動(dòng)的第三場演講,由美國國家儀器大中華區(qū)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與人工智能行業(yè)經(jīng)理郭翹帶來。通常人工智能應(yīng)用都是由互聯(lián)網(wǎng)公司來講,實(shí)際上人工智能在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域也已經(jīng)開花結(jié)果,但工業(yè)應(yīng)用中的人工智能畢竟與互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用有所不同,郭翹就以半導(dǎo)體制造為例,闡釋了人工智能在工業(yè)上的應(yīng)用。以下為演講實(shí)錄,有刪改。
來自美國國家儀器(NI),現(xiàn)在負(fù)責(zé)大中華區(qū)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能(AI)的行業(yè)拓展及項(xiàng)目落地。
NI成立于1976年,總部在美國德州的奧斯汀。NI公司一直立足于工業(yè),提供一個(gè)開放的軟硬件平臺,來給各行各業(yè)提供測試、測量或者監(jiān)測控制等方面的應(yīng)用。2017年NI營收大約為13億美金,全球大概有7000多名員工,中國是NI的最重要的市場,所以NI在中國有強(qiáng)大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)以及在各大城市都設(shè)有辦事處。
無論是交通運(yùn)輸,還是工業(yè)生產(chǎn),機(jī)器設(shè)備時(shí)刻都在產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),人工智能應(yīng)用的前提就是要有大量數(shù)據(jù)作支撐。NI在工業(yè)領(lǐng)域提供模塊化、開放式的平臺,幫助每個(gè)工業(yè)客戶更方便地獲取工業(yè)大數(shù)據(jù)。我們同時(shí)也會提供相應(yīng)的工業(yè)軟件,把各種信號處理或者機(jī)器學(xué)習(xí)算法部署在邊緣側(cè),最終完成對工業(yè)大數(shù)據(jù)的價(jià)值實(shí)現(xiàn)。
NI是處于OT(Operational Technology,操作技術(shù))端的玩家,我們并不是IT端,IT類公司是亞馬遜、谷歌、百度、微軟等等,但NI的開放平臺可以非常好地和各大主流IT廠商無縫集成。
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回到半導(dǎo)體,今天我的主題是半導(dǎo)體,所以先簡單介紹一下NI在半導(dǎo)體行業(yè)提供的一些方案。視頻里看到的是一個(gè)臺架,里面裝的是NI的模塊化儀器,無論是上游的半導(dǎo)體制造,還是下游的封裝測試,都可以用同一個(gè)架構(gòu)的NI半導(dǎo)體測試解決方案。NI的方案能夠?yàn)榭蛻籼嵘?,降低總設(shè)備擁有成本,保留最大可擴(kuò)展性。

今天主要是談NI的半導(dǎo)體解決方案,當(dāng)然也會談到NI如何將人工智能技術(shù)運(yùn)用到半導(dǎo)體領(lǐng)域。這里我引用人工智能學(xué)術(shù)界享有盛名的吳恩達(dá)先生的一句話,他說人工智能就是新時(shí)代的電力(AI is new electricity)。我覺得他說的這這句話非常好,幾百年前工業(yè)革命剛開始時(shí),我們還沒有意識到電對人類這么重要,但到現(xiàn)在,無論是家用或者是工業(yè)里面,電力無處不在。如今吳恩達(dá)已經(jīng)預(yù)言,在未來AI就像工業(yè)社會的電力一樣重要?,F(xiàn)在很多互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用背后核心技術(shù)其實(shí)都是AI,有些也許我們感覺不到,但也有很多我們能夠感受到,比如電商推薦商品,背后就是人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)的算法。
回到工業(yè),人工智能到底可以給工業(yè)帶來什么價(jià)值?在談這個(gè)問題之前,我給大家先重溫一下人工智能的基本概念,它背后的數(shù)學(xué)原理。人工智能最重要的是機(jī)器學(xué)習(xí)算法,機(jī)器學(xué)習(xí)有幾大關(guān)鍵詞,首先,必須有海量的數(shù)據(jù)。如果沒有數(shù)據(jù),人工智能就無從談起。比如Alpha Go擊敗了柯潔,但第一代Alpha Go利用了大量的歷史棋譜,在過去成百上千萬的棋譜里面學(xué)習(xí)別人下棋的邏輯。在工業(yè)場合,第一要素也是要有大量的歷史數(shù)據(jù)。
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第二個(gè)關(guān)鍵詞。大家可能不知道機(jī)器學(xué)習(xí)背后在做什事情,簡短概括一下的話,機(jī)器學(xué)習(xí)其實(shí)就是做數(shù)學(xué)最優(yōu)化的求解。不知道大家大學(xué)有沒有上過最優(yōu)化的課程,比如線性擬合,它其實(shí)就是最優(yōu)化的問題。機(jī)器學(xué)習(xí)有非常多的算法,每個(gè)算法背后都有未知的參數(shù)在里面,我們可以用數(shù)學(xué)最優(yōu)化的辦法擬合求解的參數(shù),這是機(jī)器學(xué)習(xí)做的事情。
一旦訓(xùn)練好,模型確立,這個(gè)模型就是代表該算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式。我們的目的是利用該訓(xùn)練好的模型,對新輸入的數(shù)據(jù)做出更加智能的決策,將數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值挖掘出來。比如圍棋里面下一步應(yīng)該往哪里走,比如工業(yè)里面設(shè)備未來運(yùn)行的狀況預(yù)測,這是人工智能給我們帶來的好處。
很多企業(yè)都在談人工智能,每個(gè)企業(yè)通常都是從自己擅長的模式作為出發(fā)點(diǎn)去談,大家聽到的人工智能講座更多的是由互聯(lián)網(wǎng)公司來講。但應(yīng)用于工業(yè)的人工智能與互聯(lián)網(wǎng)人工智能畢竟還有很大差異。這里我給大家簡單總結(jié)一下工業(yè)人工智能與互聯(lián)網(wǎng)人工智能之間的差異。
首先要強(qiáng)調(diào),兩者數(shù)據(jù)量有非常大的差異,互聯(lián)網(wǎng)或者金融行業(yè)數(shù)據(jù)量,絕對遠(yuǎn)超工業(yè)人工智能場景,這是一個(gè)很大的區(qū)別。還有一點(diǎn)要強(qiáng)調(diào),在分析結(jié)果精度要求上,互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)也有非常大的差異性。剛剛我提到的電商推薦相關(guān)商品,有時(shí)候它推薦錯(cuò)了,大家也覺得無所謂。

據(jù)我所知,在某知名電商舉辦的大數(shù)據(jù)推薦商品人工智能算法比賽中,如果推薦準(zhǔn)確率在10%以上,就可以拿到冠軍,但10%的準(zhǔn)確率,在工業(yè)應(yīng)用中絕對不能接受。工業(yè)里的人工智能必須利用算法告訴用戶,設(shè)備是不是真的要壞了需要檢修,如果預(yù)測準(zhǔn)確率只有10%,那還不如去做定期保養(yǎng)與定期維護(hù)。所以,這兩點(diǎn)我想強(qiáng)調(diào)的工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的最大區(qū)別。
回到半導(dǎo)體,半導(dǎo)體是NI今后的幾大重點(diǎn)方向之一。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)非常復(fù)雜,上游有原材料,半導(dǎo)體主要用硅片,面板廠可能用玻璃片,原材料之后就是設(shè)計(jì)、制造與封測,半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、制造與封測的每一環(huán)節(jié)都有很多玩家,也有英特爾這樣設(shè)計(jì)、制造、封測全部覆蓋的廠商,我們稱之為IDM(整合元件制造商)。
人工智能到底可以給半導(dǎo)體行業(yè)哪些玩家?guī)硎裁礃拥暮锰帲拷酉聛砦蚁Mo大家來做一些介紹。
對于半導(dǎo)體來說,不管封測廠還是晶圓廠,最關(guān)心的只有兩點(diǎn),首先是提升制造過程的良率,然后在保證一定良率情況下如何減少測試時(shí)間,從而縮短上市時(shí)間,讓產(chǎn)品上市更加及時(shí)。
物聯(lián)網(wǎng)思維讓芯片更新?lián)Q代周期越來越快。幾年前還想不到共享單車這么普遍,其實(shí)所有共享單車?yán)锩嬉灿幸粔K物聯(lián)網(wǎng)芯片。出現(xiàn)這么多共享單車,對芯片制造廠家和半導(dǎo)體上下游廠家來說,減少測試時(shí)間是最重要的一個(gè)考核點(diǎn),怎么用人工智能提升良率或者減少測試時(shí)間,這是所有半導(dǎo)體廠家都關(guān)注的問題。
但是半導(dǎo)體制造又有和其他行業(yè)很不一樣的地方,與其他行業(yè)相比,半導(dǎo)體設(shè)備最昂貴,也最復(fù)雜。一個(gè)12寸晶圓廠,要通過化學(xué)、物理的變化,在極為狹小的空間里面,能夠生成出這么多的電路,對于設(shè)備的要求顯然非常高。在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域,晶圓廠里面用的很多設(shè)備都是數(shù)百萬美元起的價(jià)格。這些設(shè)備通常只是完成一個(gè)工序,比如曝光或者化學(xué)沉積過程等,半導(dǎo)體有十幾個(gè)這樣的工序,需要十幾臺不同的機(jī)器。而且還有一點(diǎn),制造過程要求也最高,半導(dǎo)體制造環(huán)境需要無塵無菌,任何外來雜質(zhì)都會影響到良率,所以進(jìn)晶圓廠要穿專用工作服。
還有一點(diǎn),半導(dǎo)體制造里數(shù)據(jù)量在整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域是數(shù)一數(shù)二。近幾年由于芯片工藝向前演進(jìn)到10納米級別,半導(dǎo)體制造過程的數(shù)據(jù)爆炸式增長,以上是區(qū)別半導(dǎo)體和其他行業(yè)非常重要的幾個(gè)特點(diǎn)。
所以在半導(dǎo)體生產(chǎn)中實(shí)施人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)是最具有挑戰(zhàn)的事情,我剛才提到,半導(dǎo)體設(shè)備非常昂貴,也非常復(fù)雜,潛在的故障模式也最多,一臺設(shè)備可能有數(shù)百種故障模式,對高鐵來說可能最重要的就是軸承,一個(gè)軸承有4種潛在故障模式,但半導(dǎo)體制造則完全不一樣。作為半導(dǎo)體廠商,當(dāng)然希望人工智能將這數(shù)百種故障模式都能預(yù)測,提前告訴用戶哪里可能會出問題。
其次,制造過程是動(dòng)態(tài)變化的,因?yàn)橹圃飙h(huán)節(jié)有化學(xué)變化,所以制造設(shè)備中會有一些易損件或消耗品,會因?yàn)橹圃旃に嚥煌兓?
第三,數(shù)據(jù)量很大。但數(shù)據(jù)量大并不意味著一定就能夠帶來人工智能,如何獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)這也是非常重要的過程。所以在傳統(tǒng)工業(yè)人工智能的場合,大量時(shí)間會花在數(shù)據(jù)上面,而不是算法上面。

NI現(xiàn)在有廣泛的半導(dǎo)體客戶群體,我們現(xiàn)在看到這樣的趨勢,主導(dǎo)力強(qiáng)的半導(dǎo)體制造廠商,自己配備了人工智能團(tuán)隊(duì)在做上述工作,但像面板廠商在產(chǎn)業(yè)鏈里話語權(quán)不夠強(qiáng),會被半導(dǎo)體設(shè)備商綁架,在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都沒有辦法分享到業(yè)主,如果面板廠商需要添加數(shù)據(jù)獲取功能,設(shè)備商往往會額外收取一筆非常昂貴的費(fèi)用。
正是這樣比較微妙的關(guān)系,導(dǎo)致工業(yè)里面半導(dǎo)體是人工智能發(fā)展最快的行業(yè)。相比于其他行業(yè)。半導(dǎo)體最早用大量的數(shù)據(jù)做各種提升良率的嘗試,當(dāng)然NI也服務(wù)了非常多半導(dǎo)體廠商,無論是制造設(shè)備廠商,還是晶圓廠或面板廠,我們都有非常成功的案例。所以NI也有一個(gè)生態(tài)圈,以NI在曝光機(jī)中的一個(gè)應(yīng)用為例來說明,曝光是半導(dǎo)體制造很重要的一個(gè)環(huán)節(jié),NI通過曝光機(jī)數(shù)據(jù)獲取,可以提前告知產(chǎn)線現(xiàn)當(dāng)前曝光過程晶圓或面板質(zhì)量有沒有瑕疵,如果有嚴(yán)重瑕疵,就不需要再執(zhí)行之后的工藝步驟,從而增加產(chǎn)出效率,降低成本。蝕刻環(huán)節(jié)也是如此。
最后,從NI的角度來觀察,在半導(dǎo)體制造與人工智能深度融合需要有什么樣的條件,或者說未來如何才能在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域發(fā)揮人工智能的作用。
首先,全供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)互通非常重要。這點(diǎn)在每個(gè)行業(yè)里存在挑戰(zhàn),汽車也有這樣的問題,汽車現(xiàn)在都面臨著被供應(yīng)商綁架的事情,但這就是發(fā)展人工智能先決的條件,只有全供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)的互通,才可以知道現(xiàn)在生產(chǎn)的瑕疵由上游哪個(gè)物料造成的,該物料來自哪一家供應(yīng)商,只有這樣,才可以做到更加智能的決策。
還有一些關(guān)鍵技術(shù)的突破。比如半導(dǎo)體制造里面,仿真現(xiàn)在做的相對少,在汽車等其他領(lǐng)域里面,仿真是非常重要的步驟,但是在半導(dǎo)體里面,仿真還需要加強(qiáng)?,F(xiàn)在正是深度學(xué)習(xí)火的時(shí)候,如何把深度學(xué)習(xí)技術(shù)用在半導(dǎo)體里面,這也是各大廠商和NI共同探索的事情。
最后有一點(diǎn)我想強(qiáng)調(diào),關(guān)于人工智能,有時(shí)候會聽到比較危言聳聽的判斷,比如什么時(shí)候有殺人機(jī)器人,或者機(jī)器取代人。但是從工業(yè)的角度,我覺得人工智能真正要取代人,還有很長的路要走,因?yàn)楣I(yè)不同的場合和應(yīng)用完全是不一樣的條件,根本不可能完全用純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn),所以專家知識在人工智能里面還是會發(fā)揮重要的作用,從而加速人工智能轉(zhuǎn)化成可付諸行動(dòng)的過程。
作為在工業(yè)超過40年的玩家,NI將持續(xù)不斷地針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和人工智能推出更好的解決方案,來幫助包括半導(dǎo)體在內(nèi)的各行各業(yè)從原始數(shù)據(jù)獲取分析出發(fā),到完成整個(gè)工業(yè)互聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)的鏈路。NI提供的生態(tài)不是一個(gè)封閉的生態(tài),我們不追求做行業(yè)里的唯一玩家,我們期待和上下游共同打造更完善的生態(tài)圈,把人工智能在工業(yè)里面落地,給大家?guī)碚嬲暮锰帯?