數(shù)字孿生（Digital Twin）正在幫助制造業(yè)公司虛擬地復(fù)制物理環(huán)境。作為一家每年生產(chǎn)數(shù)百萬臺設(shè)備的公司，這個虛擬工具是一種研究制造過程、識別瓶頸和運行各種測試的方法，并且減少了實際的開銷。最終目標(biāo)是通過提高產(chǎn)量和減少開支來提高我們的運營效率。
在這篇文章中，我們將介紹數(shù)字孿生的概念以及如何利用它來改進SoC芯片制造。
數(shù)字孿生的定義
簡單地說，數(shù)字孿生是一個物理實體的虛擬副本。數(shù)字孿生使用軟件模擬單個設(shè)備、工具、流程、系統(tǒng)，甚至人或城市。
數(shù)字孿生體最大的特點在于：它是對本體的動態(tài)仿真。而且，數(shù)字孿生體不是隨便亂“動”。它“動”的依據(jù)，來自本體的物理設(shè)計模型，還有本體上面?zhèn)鞲衅鞣答伒臄?shù)據(jù)，以及本體運行的歷史數(shù)據(jù)。
一些世界上最大的制造商，從飛機制造商到數(shù)據(jù)存儲供應(yīng)商，已經(jīng)將數(shù)字孿生作為一種提高裝配線生產(chǎn)率、改進產(chǎn)品設(shè)計和通過虛擬環(huán)境加速產(chǎn)品測試的方法。甚至有人希望通過數(shù)字孿生一點一點地重建有著850年歷史的巴黎圣母院。
數(shù)字孿生可以幫助解決哪些挑戰(zhàn)?
數(shù)字孿生被用于各種各樣的應(yīng)用。一個重要的用例是改進制造流程，通過使用數(shù)字孿生，公司可以動態(tài)模擬其智能工廠，識別跨系統(tǒng)、流程和其他環(huán)節(jié)上的瓶頸，測試可能的解決方案，并估計組件之間的交互和操作過程中可能發(fā)生的隨機變化的結(jié)果——所有這些都在虛擬環(huán)境中進行。這樣做既避免了對本體的影響，也可以提高效率、節(jié)約成本。
數(shù)字孿生的另一個用途是產(chǎn)品設(shè)計和測試。以噴氣發(fā)動機為例，發(fā)動機的制造需要成千上萬個單獨的部件和全面的安全測試。與其建造一個昂貴的真實引擎，還不如建造一個數(shù)字孿生體來創(chuàng)建一個飛機引擎的3D復(fù)制品。然后，可以根據(jù)適當(dāng)?shù)囊?guī)范對虛擬引擎進行分析、檢查和測試。還可以為現(xiàn)有的飛機引擎創(chuàng)建一個數(shù)字孿生，通過組件分析提供可預(yù)測的維護建議。
“復(fù)制粘貼”整個上海工廠
數(shù)字孿生幫助我們模擬工廠操作，預(yù)測和解釋預(yù)期的周期時間變化，以滿足閃存需求的動態(tài)變化。利用在中國上海的半導(dǎo)體制造廠（fab）藍圖，我們創(chuàng)造了這個fab第二層的數(shù)字孿生。這一領(lǐng)域包括我們的自動機器人車輛（ARV）和基于閃存系統(tǒng)芯片的在線測試器。
我們的方法是將運籌學(xué)和隨機Q-time理論結(jié)合起來，創(chuàng)建一個歷史上精確的數(shù)字孿生。將該數(shù)據(jù)分為兩個部分:試驗臺被測設(shè)備(DUT)的歷史等待時間和服務(wù)時間分布，以及ARV運動分布。我們計算了給定機器人將一個測試單元(這里為SoC)轉(zhuǎn)移到給定測試機器的預(yù)期服務(wù)時間。我們的目標(biāo)是優(yōu)化整體服務(wù)時間，從而提高工廠的產(chǎn)量和效率。
12周的快速學(xué)習(xí)周期
我們團隊的許多數(shù)字項目每隔12周運行一次，我們稱之為“快速學(xué)習(xí)周期”。我們花了12周的時間來試驗、修補數(shù)字孿生體的各種輸入，并分析預(yù)期的輸出。在此期間的十周內(nèi)，我們對實驗結(jié)果進行評估，并決定是繼續(xù)全面推進該項目，還是終止該項目。
在學(xué)習(xí)周期結(jié)束后，在未來6 - 12周內(nèi)會進行試點。以我們的ARV數(shù)字孿生為例，試驗在六周內(nèi)分階段實施，并逐步發(fā)布從數(shù)字孿生那里學(xué)到的業(yè)務(wù)決策規(guī)則。我們使用漸進的方法來避免在首次發(fā)布期間出現(xiàn)意外問題。最新升級的ARV路線規(guī)劃已經(jīng)從今年1月開始全面運行。
數(shù)字孿生導(dǎo)致了99%的ARV自動化
通過使用數(shù)字孿生優(yōu)化工廠操作，我們的服務(wù)型機器人的ARV利用率提高了25%。我們在車間創(chuàng)建了多個服務(wù)區(qū)，并在特定區(qū)域放置ARV；這有助于減少總的移動時間。我們還為每個機器人創(chuàng)建了專門的功能：一些專用于加載測試機器，而另一些專用于卸載測試機器。
數(shù)字孿生現(xiàn)在已經(jīng)使ARV的使用實現(xiàn)了99%的自動化。最后，我們使用數(shù)字孿生來模擬增加機器人對工廠效率的影響。通過估計機器人將如何影響生產(chǎn)線，我們可以快速有效地擴大規(guī)模。
把數(shù)字孿生帶到硬盤操作
展望未來，我們將使用相同的數(shù)字孿生來優(yōu)化HDD操作的吞吐量。具體來說，我們希望在HDD裝配線上使用定量和定性分析。我們的目標(biāo)是通過適當(dāng)?shù)膮?shù)和性能組合來減少周期時間和優(yōu)化資本支出。
