晶片製造實現“完全自動化”，還有多遠？
更先進的技術和更高的營運效率，是半導體產業一直在追求的兩個目標。
如今，製程工藝邁入後摩爾時代，進展有限，而半導體製造業的工廠運作效率仍有極大的提升空間。儘管OHT（天車）等自動化技術已廣泛應用於晶圓廠，幫助其生產營運效率推向了新的高度，但由於OHT技術在靈活性等方面有著天然限制，較難實現更高層次的自動化、智能化。
在此背景下，以台積電、中芯國際為代表的晶圓代工龍頭紛紛引進AMR（自主移動機器人），使其工廠自動化程度及運作效率更上一層樓。隨著AMR單體硬體效能的不斷優化，機器人軟硬體融合程度的不斷提升，或有望幫助晶圓廠逐步邁入全自動化和智慧化時代。
Vol.1/ 起個大早趕了晚集？
移動機器人並非什麼新鮮事。
1953年，美國Basrrett電子公司便開發成功了世界上第一台自主導航車（AGV，移動機器人的重要分支），它由一輛牽引式拖拉機改造而成。 1954年，英國首次採用地下埋線的電磁感應引導技術，即AGV沿著早已規劃好的固定軌道行駛。 1980年代以後，逐步衍生出二維碼導航、GPS導航、慣性導航、標籤導航等導引技術。
依道理，能夠在一定程度上節省人力成本、提高營運效率的AGV技術是工業和大規模製造業的良配。但在2010之前，移動機器人技術並未在晶圓廠、封測廠大幅普及。在提升自動化率的道路上，半導體產業選擇了另一條技術路線－天車系統（空中走行式無人搬運車）。
移動機器人之前幾乎被半導體產業棄用的原因在於，彼時的AGV主要依賴磁軌導航，地面物理空間受限較大，而且在運作平穩性、設備潔淨度的要求方面也難滿足晶圓廠們的要求。天車系統的速度和成熟度則遠高於移動機器人為主的自動化解決方案，且前者對空間的利用率更加可觀，能夠有效利用有限的潔淨室生產空間，提高生產設備的利用率，減少製品量，縮短周期時間。
於是，當2000年後，半導體產業開始跨越到12吋晶圓製造時，OHT幾乎壟斷了半導體晶圓製造的全部AMHS系統（自動化物料搬運系統）。
Vol.2/ 從「替補」到新質生產力
隨著時間的推移，先進製程進展趨緩，諸多大廠在成熟過程展開大戰，穩定的產能和良率的追求倒逼著工廠不斷探尋智慧化升級之路。擁有完善的自動化生產體系，決定是否能在未來晶片競爭中拔得頭籌。
在此背景下，OHT也逐漸暴露出其固有缺陷。
OHT系統可以由幾公里長的軌道、數百輛車組成，並為多達數千個工具裝載口和緩衝區提供服務。受限於軌道鋪設、單維度運動等，OHT系統無法實現廠區的100%覆蓋。另外，OHT往往在晶圓廠設計之初即開始規劃，部分已建成的晶圓廠更是難以導入OHT系列。而且，OHT系統頗為昂貴，12吋以上的尖端晶圓廠才能引入，少有8吋晶圓廠應用OHT系統，反而運輸主要由人工完成，或部分由傳送系統完成。
因此，找到一個在自動化方面能為OHT系統做補充，兼顧營運效率同時有著高性價比的物流自動化方案，是許多晶圓廠多年來的心願。兜兜轉轉數十年，半導體產業的自動化解決方案終究還是落到了移動機器人頭上。
2012年後，AGV開始沿著更自主化的方向發展，在其基礎上發展出第二代產品，產業賦予了其新的概念－AMR（自主移動機器人）。
2015年前後，不同於先前的AGV，AMR使用雷射導航技術進行定位，搭載內建感測器和攝影機，借助先進的軟體，可以對周圍環境有著快速精確的識別。在軟硬體的配合下，AMR無需固定軌道的輔助，可以在廠區內實現幾乎無死角的移動，定位、移動的精準性、彈性遠非AGV可以比擬。最重要是的，選擇AMR作為物流自動化解決方案，晶圓廠無需對廠區進行再改造，可實現幾乎無縫對接，前期投入成本遠低於OHT。
可以說，若僅僅定位為OHT系統查漏補缺的自動化設備，第二代自主移動機器人非常合格，它們在指令之下，可以在特定環節完成特定的工作任務，但若將其看做是半導體製造工廠自動化和智慧升級的希望，第二代自主移動機器人還力有不逮捕，其功能和工作特性較為單一，而且往往是單兵作戰，機器人之間沒有太高頻、複雜的交互，也就很難實現大規模的集群調度。
所以，AMR真正被半導體製造業再度重視，是從第三代機器人產品開始。
Vol.3/ 第三代AMR 半導體廠「完全自動化」的新選擇
那麼，第三代AMR相較第二代產品先進在哪？
答案是，第三代AMR從自動化向自感知、自適應、自決策的方向進化，且其最大的優勢不再是局限於機器人單體性能，而是機器人群的組群調度，可以提供更靈活高效率的綜合效率。
AMR之所以會是這樣的演化方向，在於下游需求的推動。
隨著半導體製造廠產線物流自動化需求日漸攀升，單體自主移動機器人數量的需求也從十數台驟增至上百台。在此背景下，如何實現機器人集群的組間調度，最大程度提升物流運輸效率，成為許多自動化解決方案商需要思考的問題。
優艾智合機器人工業物流事業部總經理許瑨指出，「隨著AMR在半導體產業應用的群聚化、規模化、普遍化，移動機器人自動化物流的核心技術研究方向已從機器人本身的功能性、適用性轉變為從整廠Fully Auto出發的綜合物流效率優化。更注重於機器人軟硬體與整廠內其他相關軟硬體的融合演進。
於是，以優艾智合為代表的解決方案商跳出傳統思維的束縛，不再局限於單體硬體的升級迭代，而是從軟體、硬體兩方面著手，以硬體升級為基礎，提升機器人之間的互動和資訊有效傳遞，借助智慧軟體系統將業務數據和營運資訊進行大數據演算法優化，從而實現大規模AMR的集群調度。整合的自動化解決方案可以優化利用數據來實現製造規劃、控制和運行的同步，從而幫助用戶實現各項目標，包括提高裝置性能、良率、收入、盈利能力並最終擴大市場份額。
現代半導體製造業對於AMR的需求，類似現代足球的演化方向。上世紀六、七十年代，足球的防守體系（可類比自動化需求難度）相對鬆散，球隊從以貝利、馬拉多納等單體強點為核心便能贏得勝利。而現階段，足球領域的防守更成體系、更具層次，單體爆破贏下比賽難度太大且效率不高，反而在各個位置擺上單體能力略強，彼此之間交流和更會閱讀賽場的球員，並以此形成的進攻體系在整體效率上更優更符合現代化方向，也更能贏得比賽。
「從硬體來看，大量（100+台）機器人要能夠執行多進程的平行處理，在多任務和並發條件下移動機器人需要有資源池化的能力。因此，相較於二代，第三代移動機器人實現了從單機柔性到集群柔性的發展變化。此前，有自身專業人士接受采訪時表示，“真正賦予智能倉儲靈魂的是背後的智能軟體系統，物流機器人核心的競爭壁壘也在於此。”
也正是第三代AMR在協同、自主決策方面展現的能力，讓晶圓廠們看到了前者將在半導體製造業引發的革命性變化，便將其作為工廠智能化、自動化升級的希望。
因此，當AGV、磁導AGV在國內市場總銷售量佔比下降的同時，AMR仍維持成長。根據GGII數據，2023年國內市場AMR銷量或將達2.4萬台，增速達34%左右，預計到2027年，銷量預計超過12.5萬台，國內市場規模預計超過145億元，2023-2027年複合增速將超40%。
Vol.4/ 第四代AMR將如何演化？
目前，第三代AMR正在半導體製造業快速普及，但這並不意味著其自動化升級已至終點，仍只是階段性的最優解，一如2010年之前的OHT系統那般。
隨著AMR在半導體產業應用的群聚化、規模化、普遍化，移動機器人自動化物流的核心技術研究方向已從機器人自身的功能性、適用性轉變為從整廠Fully Auto出發的綜合物流效率最佳化。對於AMR方案來說，一方面需要在機器人領域深厚的研發功力做到機械效率最優，另一方面更需要深度的行業頭部廠商協作探索綜合效率最優的融合方案，瞄準整廠產能、良率、庫存效率指標定義物流解決方案。
總而言之，即晶圓廠等需要下一代AMR在智慧化方面有更多亮眼表現，以此來推動自身物流運作效率的提升。若以汽車的自動駕駛為參考，當前第三代AMR所展現出的智能化水平，近似於L1級別的車道維持輔助、自適應巡航等功能，而第四代AMR所能得到的智能化水平則相當於L2等級自動駕駛，支援高速或快速道路的領航輔助駕駛。
智駕從L1至L2的升級，一方面有賴於汽車智駕硬體的升級，一方面則有賴適配智駕軟體的迭代。而第四代AMR的發展之路，也非常近似。以優艾智合為代表的國內頭AMR方案商，也制定了軟硬體同步迭代的路線，推動下一代產品的發展。
硬體層面，逐步向「極限單品」演進，將擁有三個特徵，首先是多維精度控制融合，0定位耗時，機器人運行表現將徹底摒棄「定位」的環節，具備0延時條件下的亞毫米級操作精度。其次是整機自由度融合控制，SWAP時間低於15秒，移動操作機器人具備N個自由度融合控制和互相補償的能力，以柔順、連貫、協調的整體運動將單次SWAP時間壓縮至15秒以內。最後則是多模感知，意圖識別，運動效率提升超50%，移動機器人本體上、環境中的多種模態感知訊號完全融合，透過AI運算大大提升機器人系統的感知能力增強整體系統的安全性，機器人運轉速度限制高於2m/s，整體運動效率提升超50%。
軟體層面，則主要瞄準智慧物流全端系統強耦合。許瑨表示，「智慧工廠-智慧製造-智慧物流-智慧機器人是上下高度關聯的系統。每一級系統的演進方向都是為了提升上一級系統關注的核心指標。移動機器人的軟體系統與MCS強耦合，以實現整廠在製庫存的一體化管理、調配；與RTD強耦合，以確保派工邏輯能最大化榨取機器人剩餘價值；與EAP強耦合，以確保上下料協作順暢；有些先進場景下與MES強耦合，以預判未來生產節拍對物料的需求。
透過軟硬體的協同，第四代AMR可透過攝影機和激光雷達取代人眼，透過深度學習神經網路進行環境感知，可實現VSLAM三位地圖建構、360°避障、自主規劃路線，整個解決方案不僅實現了強大的單機可用能力，也具備複雜的多智能體群集調度能力。相較於第三代AMR，將具備三個大特徵，第一，即時動態決策，調度效率提升超100%；第二，AMR即Buffer，在製庫存效率提升超80%；第三，機器人作物動率趨於100%。
Vol.5/ 寫在最後
世界最大的不變即一直在改變。
一度被半導體產業棄用的移動機器人，如今被許多晶圓廠重新拾起。而誰能想到，在AGV領域，中國的發展曾落後世界幾十年，但在其衍生的AMR領域卻能站在全球前列。
在未來，作為智慧化重要載體的AMR將在半導體製造業中扮演更重要的角色，將深深融入產業的肢體、血肉、筋骨當中，為半導體製造的新篇章拉開序幕。而在這個過程當中，以優艾智合為代表的本土AMR方案商將大有作為，其在實現自我價值的同時也將賦能本土半導體產業鏈走向更加明媚的明天。（芯師爺）