本文作者是 ADI公司現場應用工程師 Thomas Brand

目前，一場頻繁地被稱為工業4.0（德國稱為Industrie 4.0）的范式轉變正在發生。在國際使用中，像（工業）物聯網、智能工廠或信息物理（生產）系統這樣的術語都指代相同的東西，它們常常可以互換使用。工業4.0指的是工業價值鏈及其產品轉向數字化與聯網的全球趨勢。

特別地，在德國工業4.0不僅僅在商業界具有高知名度，。由于其經濟影響，工業4.0也受到政治推動，例如進一步發展德國制造業的競爭力。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略，主要領域是工業自動化和工廠工程。為此，制造商必須將最新技術用于自己的生產過程，另一方面還要將這些技術和產品投向市場。

從主導供應商的角度來看，信息或通信技術與傳統高科技方法的整合主要是為了擴展生產部門及其技術。為了實現這一擴展，需要滿足不斷增強的市場動能和市場復雜性所產生的先決條件。從制造企業的角度來看，重要的是為新市場設計智能技術和產品，并相應地為這些市場服務。為了滿足供應商和制造商的需求，企業需要兼顧這兩種視角的戰略。例如，半導體行業中的公司就很擅長運用此類雙重戰略。

如ADI公司等半導體制造商正在消化這個復雜的概念，將自己的生產線轉變成全自動智能工廠。此外，這些制造商還向制造業中的其他公司提供創新技術，幫助他們將其制造設施改造成智能工廠。因此，中小企業便被賦予了一個重要角色，它們占德國工業企業絕大部分（超過98%）。可能獲得什么樣的支持，半導體制造商面臨哪些挑戰，以及工業4.0會帶來哪些機會——這些問題將在下文進行探討。

企業需要判斷，將其生產設施轉變為智能工廠是徒勞無益的努力，還是會真正提高生產率并降低成本。

為了找到以下關鍵問題的答案，許多市場研究公司進行了大量研究。他們都得出了同樣的結論：工業4.0將為中小企業提高附加值，它們應該抓住相關機會以鞏固公司的成功。尤其是對半導體制造商來說，研究結果可分為三個方面：新技術、新產品和新商業模式。所有這三個方面一起涵蓋了生產及其產品的整個價值鏈——從傳感器節點開始經云端再到下游服務。

Figure 1. Signal chain of a smart factory.

圖1.智能工廠信號鏈

為實現智能工廠轉型，必須提供智能和節能產品，或者說完全自主的系統，它們可以很簡單地集成到現有生產結構中（例如即插即用）。這些系統由各種半導體器件和傳感器組成，并與模擬和數字信號處理IC相結合。價值鏈從這些器件開始：首先，傳感器負責從真實的物理世界收集數據，之后將它們轉換成數字信號，再在數字領域中進行處理（見圖1）。

新需求有哪些？

隨著價值鏈的發展，市場需求將需要改變。這就是為什么半導體制造商必須將自己的企業和產品適應智能工廠的現實原因。技術趨勢正朝著智能節能產品以及集成安全安保功能和能源采集能力方向發展。在圖2中顯示了一個器件或者說一個完整的系統，其中以ADI公司基于MEMS的加速度計ADXL356為例。

ADXL356是一款低成本、低噪聲、3軸加速度計，測量范圍可達±40 g （FSR）。該器件的主要特性是超低失調漂移和低功耗。由于其密封封裝，ADXL356特別適合惡劣環境條件下的精確傾斜測量，高分辨率振動測量，以及低電流或電池供電無線傳感器中的高性能（長時間）測量，適用于結構健康監測（SHM）、姿態和航向參考系統（AHRS）或其他具有突然過大作用力的應用等。ADXL356是構成一個系統的基礎，并且可以通過其他功能實現擴展：利用模數轉換器、微控制器以及各種模擬、數字（部分隔離）或無線接口集成信號處理，支持以太網、6LpoWPAN或ADRadioNet等通信標準。ADRadioNet是由ADI公司開發的通信標準，其特點是采用無線自愈式多跳頻的通信協議，具有高擴展性，且內存消耗低。此外，它還集成加密方法（例如AES-128和AES-256）可阻止可能的網絡攻擊，提高了安全性。最后但同樣重要的是，功能安全在這些系統的開發過程中起著重要作用，因為這對智能工廠而言也非常重要。

對于半導體制造商來說，未來僅擴充傳感器和其他半導體器件的品種是不夠的。為了成為市場上的全球性玩家，以及充分發掘工業4.0的潛力，其現有產品范圍必須通過通信和低功耗微處理器技術加以擴展。考慮到這一點，ADI公司已經在其產品組合中提供了相關解決方案。例如在通信領域，有多種采用HART?調制解調器的解決方案。通過使用現有基礎設施來實現新的節能技術，這些HART解決方案能夠以相當簡單的方式改進傳統擁擠不堪的通信網絡。

Figure 2. MEMS-based smart sensor solution.

圖2.基于MEMS的智能傳感器解決方案

市場研究還顯示，中小型企業希望得到制造商和供應商的大力支持，以便更快更有效地將新產品集成到其系統中。通過這種方式，企業可以減少額外的工作量，繼續聚焦于其核心業務。具體說來，供應商和企業之間的合作或協同努力便屬于支持類型。

雖然工業4.0有諸多優點，但是現在的問題是為什么許多企業尚未投資于智能工廠？

猶豫的原因

投資的主要障礙之一是企業還沒有認識到智能工廠會帶來利益，故不愿付出相關成本。例如，由于缺乏貨幣化評估標準，目前要計算投資率仍然相當困難。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勢，同時指出投資智能工廠會獲得的價值。

但是，不僅僅是有興趣將自己的設施變成智能工廠的中小企業需要進行投資，像半導體制造商之類的智能解決方案提供商也必須投資于自己的產品，可能的話還需要重組其各個業務部門。這些投資對于新技術和商業模式，以及開發和拓展營銷活動、資格認定措施、銷售管理都是必要的。

隨著生產部門的轉型，數據和IT安全等領域會一再發揮重要作用。這些方面不僅僅是成功引入工業4.0的重要需求，而且還應該作為關鍵的成功要素持續地貫徹到數字系統中。

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

隨著生產環境的改變，新的參與者和競爭者也將出現或影響市場。聯盟即將出現，并會對塑造生產形象產生重大影響。在未來的工業或企業廠房中，人會越來越少。軟件和服務業也將發揮重要作用，因為只有將虛擬與現實世界聯系并融合起來才能提供巨大的生產潛力。

很明顯，對于企業來說，正在加速當前的發展步伐，如果錯失機會，他們將很難趕上。

因此，企業不再相信工業4.0是暫時的炒作。與此同時，目前的市場清楚地顯示出工業4.0和智能工廠不可逆轉的發展趨勢。而對于缺少標準、缺乏安全性、知識不足等方面的最大問題正在變得越來越小。此外，關于未來生產環境的困惑也在減少。

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