台積電首度公開智慧製造
張忠謀、魏哲家最關心的神秘數字
http://www.cw.com.tw/article/article.action?id=5082780
Semiconductor Technology at TSMC, 2011
https://www.youtube.com/watch?v=4Q_n4vdyZzc
圖片來源：黃明堂
作者：陳良榕 2017-05-27 Web Only
台積電生產主管秀出一張張嚴禁攝影的投影片，剖析如何善用機械學習、大數據，打造出超越三星、格羅方德的製程管理。一位台積公關主管事後都驚訝的說，「他怎麼講這麼多，難道不怕競爭對手拿去抄？」
走進新竹科學園區的台積電總部大廳，會看到牆上英文寫就的三大信條1：「技術領導，製造卓越、顧客信賴」2。其中，製造卓越（manufacturing excellence）一塊，台積電過去總是諱莫如深，極少談論細節，但在同業眼裡，卻是台積與三星、格羅方德拉開距離的真正關鍵。
五月底的2017年台灣技術論壇，台積電首度揭露部分先進製造的秘密。首先，共同執行長魏哲家在主題演講時透露，台積已將當年熱門的大數據、機器學習技術，應用在製程管理3，「都是為了降低我們的cycle time（生產週期）4。」
台積電董事長張忠謀去年接受《天下》專訪時，也曾強調「在我們公司裡，生產週期很重要。」
當前最先進的IC，內部結構像是一個層層疊疊的千層蛋糕，做出每一層所花時間的平均5，就稱為「生產週期」。
魏哲家說，早年在180奈米的時代（約15年前），一顆IC內部只有25層，但是生產一層得花上兩天。當前最先進的10奈米手機晶片，內部已高達80層，如果一層還是兩天，便代表一個產品要160天、將近半年才做得出來。「沒有人肯等你的，」魏哲家說。
他說，現在台積電10奈米的生產週期目前約1.1到1.2天。「我有一個夢想，以後要做到一層一天，不能再長，」魏哲家強調。
台積電共同執行長魏哲家。楊閔攝影。
生產週期已是產業勝負關鍵。一位台積客戶主管表示，格羅方德的生產週期約比台積慢上30%，這不但代表同樣一個廠，台積可多創造三成營收6，客戶產品上市的時間，也可快上將近一個月。而一個月，在變化快速的智慧手機業，往往就定生死。
而且，當半導體尺度開始逼近物理極限，生產週期還從生產力優勢，轉化為技術優勢7。
例如，台積與三星的7奈米競賽8。台積的7奈米，已經從上個月開始試產。而三星卻得等到明年，因為該公司堅持要採用最新的EUV微影技術。
一般業界認為三星研發能力與台積不相上下，但製造管理，不如台積。最先進的7奈米智慧型手機IC，內部結構高達一百層，而且部分結構得用到複雜的4P4E微影技術，大幅拉長生產週期。
只有台積有本事，在客戶能容忍的時間，以傳統微影技術生產出7奈米IC。「台積想先獨佔市場，因為只有他可以做，」一位IC設計大廠主管說。
而三星別無選擇，只能等待預計明年性能才能達到量產要求的EUV顯影技術，該技術的光線極細，可大幅加快生產速度，但設備價格極為昂貴9。
然而，為何台積電的製造能力能夠遙遙領先對手?
答案在技術論壇另一個演講。台積十二吋廠技術委員會10處長黃裕峰，主講台積電的「智慧精準製造」，也就是類似「工業4.0」的概念。
他表示，台積先進製造環境已採用「獨特的專家系統，和先進演算法，類神經網路自我學習的模式」11。
在工廠管理部分，10奈米產線收集的資料量，是過去40奈米的10倍。台積電以大數據與機械學習的方式，善用這些資料12。
以一個月產30萬片的晶圓廠為例，場內三千台生產機台13，每天會產生八百萬的派工命令14，台積電的工廠管理系統，可以在一分鐘之內計算出最佳的生產排列組合。成果是，準時交貨率99.5%，產品生產週期1到1.2天。
第二，是製程精密控制方面，隨著電晶體的尺度小到逼近物理極限，製程要控制的厚度變異量，甚至比一個原子要小。10奈米世代與28奈米相比，控制參數15多上20倍。
因此，每台生產機台裝了上千個感測器，台積電更發展出精密的調機系統，大數據分析過去累積很多調機記錄，再根據當下的機台狀況，即時回饋一個最佳的調機參數組合，例如溫度、氣體流量、電流等16。
第三，工廠一致性（fab matching），要確保在不同廠區17生產的客戶產品品質保有一致性。因此隨時監控不同廠區的機台參數，找出生產狀況最佳者，「找出好的模範生，所有人跟他學習，學完之後，就成為我們未來的標準18，」黃裕峰說。
注解：
3 製程管理：以最少資源（時間、設備、材料、人力）獲得最大產出。一般是「管理資源的有效運用，如設備的稼動率」，豐田是反向地「管理未被有效運用的資源、浪費，如庫存、品質不良。」
4 時間(Cycle Time, Lead Time)是各種技術的總和KPI。這裡的Cycle Time應是一層從開工經歷各製程（Manufacturing area）到完工時的時間，反比於半成品的庫存週轉率（Cycle Time 越短，周轉率越高），也是開工到完工的Lead Time。
5 我想這裡指的是從系統中取得的平均數字，包含製程時間、搬運、檢查與停滯（等待）時間。
6 同一面積的廠房，生產的流速增加30%，產量也增加30%。
7 從最簡單的時間指標（每個人都能感知），讓大家都可看到可改善的機會，必須改善的弱點、課題，有了共識，問題就好解決了。
8 這是典型的以軟體的技術vs.硬體設備的競爭的案例。成也硬體（投資），敗也硬體。
9 這是兩種不同的模式，台積電以技術與三星的設備競爭。設備可以買到，技術卻是外人無法窺探的黑盒子。
10「管理」技術標準的部門。
11 這本是管理、技術人員要做的事，人熟練之後才能有效率地交給電腦去做。反之則成災難。
12 常見收集了資料卻沒人活用。原因是龐大的資料需要強大的軟硬體來分析，但先得有人了解其來龍去脈、原理原則，這需要對技術的充分掌握，關鍵還是在具有與龐大資料相匹配能力的人，而且持續地需要。但電腦化之後，就少有人有機會掌握全局，一段時間之後，電腦即成黑盒子，沒人可掌握，又得回到培育人才的原點。
13 從後文要算出最佳組合來看，3000台機台可能是許多分散於不同區域的「機能別製程（function area）」，製品根據需求，要在不同的機能別間流動。而同一製程內又有多個機台。
14 複雜的系統，才需要複雜的管理，得請電腦來幫忙。
15 以設備為主的工廠，是以條件（操作參數）來做事前管理的。
16 事前檢證、計畫、設定，作業中管理（自働化），作業後再檢討改善的「良品條件」。
17 同一製品會在不同廠區、不同機台生產。這需要更強大的設備、技術、人力的管理能力。
18 第二、第三都說明了製程的每一個細節都要管理，環顧我們的周圍，放任的狀況何其多？
