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半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展迅猛而廣泛，目前已經(jīng)滲透并影響到我們生活的方方面面。半導(dǎo)體器件已經(jīng)應(yīng)用在我們的汽車、便攜式電子產(chǎn)品、辦公設(shè)備、醫(yī)療儀器、工業(yè)機械、通信基礎(chǔ)設(shè)施和無數(shù)的其他方面，幾乎無處不在。
盡管最近發(fā)生的影響廣泛的全球事件對每個行業(yè)都提出了挑戰(zhàn)，但半導(dǎo)體行業(yè)仍然充滿活力，并繼續(xù)保持增長勢頭。據(jù)行業(yè)分析公司 Statista 給出的預(yù)測數(shù)據(jù)，2021年半導(dǎo)體年出貨量達(dá)到歷史最高水平（如圖1所示），即出貨量將達(dá)到 1.14 萬億件，總價值約為 4700 億美元。這一創(chuàng)紀(jì)錄的增長也將為半導(dǎo)體行業(yè)帶來一系列挑戰(zhàn)。
圖1. 2000年以來的全球半導(dǎo)體出貨量
半導(dǎo)體公司必須提高產(chǎn)量來滿足需求，同時需要避免以往發(fā)展繁榮期之后出現(xiàn)的投資過度狀況。面對成本壓力，公司往往會被迫追求財務(wù)效率，半導(dǎo)體行業(yè)需要轉(zhuǎn)向新的投資方式。
本本將探討持續(xù)創(chuàng)新的需求如何改變半導(dǎo)體測試現(xiàn)狀，以及采購基本測試設(shè)備的替代方案如何幫助公司應(yīng)對其所面臨的挑戰(zhàn)。這些替代方案將提供一種更為靈活的方法，助力行業(yè)公司控制成本，同時保持生產(chǎn)靈活性，及時抓住稍縱即逝的市場機會。
半導(dǎo)體工業(yè)與摩爾定律
自19世紀(jì)早期發(fā)現(xiàn)第一批半導(dǎo)體材料后，接下來一個世紀(jì)的研究生產(chǎn)出了第一批半導(dǎo)體器件，包括用于無線電信號檢測的整流器。自從20世紀(jì)40年代貝爾實驗室的 William Shockley 及其團隊發(fā)明了晶體管之后，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展速度迅速加快，并自此以后，一直保持著不懈的發(fā)展步伐。
1958年，Jack Kilby（德州儀器公司的員工）展示了他的集成電路（IC）的原型。集成電路的特點是使用由相同半導(dǎo)體材料制成的一個晶體管和若干無源元件，并用導(dǎo)線連接在一起。隨著 IC 的誕生，電子系統(tǒng)變得更小、更便宜、更節(jié)能。
盡管源于 Kilby 原型的 IC 器件為電子系統(tǒng)小型化提供了可能方式，但仍然很難制造。這些問題在1960年得到了解決，當(dāng)時（飛兆半導(dǎo)體公司）的 Robert Noyce 獲得了“平面制程”的專利，通過這種工藝，將不同功能的元件（包括各元件之間的互連）堆焊在連續(xù)的沉積層中，可以大批量制造集成電路?；诠瑁⊿i）的 IC 的大規(guī)模生產(chǎn)成為電子技術(shù)發(fā)展的真正轉(zhuǎn)折點。
集成電路器件變得越來越復(fù)雜，而滾雪球式的需求帶來了更大的規(guī)模經(jīng)濟。這樣就降低了單位生產(chǎn)的相關(guān)成本，從而降低了客戶的價格。
通過推斷 IC 生產(chǎn)最初幾年的發(fā)展?fàn)顩r，Gordon Moore（他和諾伊斯一起創(chuàng)立了英特爾公司）做出了大膽預(yù)測，即眾所周知的“摩爾定律”。他表示，計算機芯片中的晶體管數(shù)量將每兩年翻一番，同時，相關(guān)的成本則會減半，這一觀點至今仍然適用。
圖2. 半導(dǎo)體發(fā)展時間線
摩爾定律提供了一個標(biāo)桿，在過去50年里推動了半導(dǎo)體行業(yè)創(chuàng)新，同時推動各公司不斷探索新的設(shè)計和制造方法。這種不斷的迭代和改進伴隨著半導(dǎo)體行業(yè)“繁榮”和“蕭條”的周期性循環(huán)，因為對新一代技術(shù)的需求首先會超過當(dāng)前供應(yīng)，導(dǎo)致生產(chǎn)過剩。半導(dǎo)體行業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，在不過度投資的情況下，滿足當(dāng)前不斷加速發(fā)展的需求。這就需要在投資下一代技術(shù)的同時滿足發(fā)展需求，以在未來五十年及更長時間內(nèi)延續(xù)摩爾定律的效用。
半導(dǎo)體測試方式的改變
自60年前提出最初概念以來，IC 的設(shè)計和制造取得了巨大進步。目前，最先進的圖形處理單元（GPU）芯片可包含超過500億個晶體管柵極。而 Kilby 的初始 IC 原型中只包含有一個晶體管柵極。
雖然第一個 IC 出現(xiàn)在60多年前，但芯片制造商的目標(biāo)自此時起就很少改變。通過利用最新的技術(shù)進步，制造商必須持續(xù)生產(chǎn)不斷提高性能的器件。每一代新器件都需要提供更多的功能，減小 PCB 占用面積，并降低功耗。
據(jù)估計，2021年半導(dǎo)體行業(yè)的年度研發(fā)（R&D）總支出將超過 710 億美元（資料來源：IC Insights），比上一年增長了4%。不出所料，英特爾和三星是其中的最大支出者（兩者的總支出額接近 200 億美元），而英偉達(dá)、聯(lián)發(fā)科和 AMD 也名列前十之內(nèi)。
并且，目前還沒有放緩的跡象，總體支出額度將繼續(xù)攀升，預(yù)計到2025年投資額將超過 890 億美元。
生產(chǎn)線和研發(fā)實驗室中使用的測試設(shè)備占到前面所述的研發(fā)投資的一大部分，因此半導(dǎo)體制造商需要明智地做出預(yù)算，以便確保從中獲得最大收益。不幸的是，事情并不總是按照最佳預(yù)期來發(fā)展的。
市場分析咨詢公司 Frost and Sullivan 匯編的數(shù)據(jù)表明，科技公司的測試設(shè)備的有效利用時間可能只占到約20%。像這樣的低利用率表明，這些公司的庫存管理和設(shè)備采購實踐并不是最優(yōu)的。因此，越來越多的公司正在尋求從他們的測試和測量庫存和運營活動中獲得更大的價值。
圖3. 測試工程師的設(shè)備優(yōu)先級
了解混合設(shè)備采購方案
雖然大多數(shù)半導(dǎo)體制造商仍然會選擇購買所需的測試設(shè)備，而這種情形主要是出于習(xí)慣，而不是通過對可用方案進行仔細(xì)評估后做出的選擇。研發(fā)和質(zhì)量保證經(jīng)理越來越擔(dān)心公司測試成本的上升，以及不確定未來將采用何種技術(shù)，半導(dǎo)體行業(yè)的公司迫切需要重新考量他們的采購方案。
以下情景著重說明了當(dāng)前的一些市場挑戰(zhàn)，并舉例說明公司深思熟慮的采購解決方案如何幫助克服這些挑戰(zhàn)。
1.滿足突然增加的需求
如果由于 OEM 需求原因，生產(chǎn)廠商需要突然提高產(chǎn)量，就需要額外的設(shè)備。但這種需求可能無法持續(xù)，因此可能會導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備變得多余。在經(jīng)歷了多年的行業(yè)周期性繁榮和蕭條之后，制造商必須做好充分準(zhǔn)備，在隨著產(chǎn)品獲得商業(yè)吸引力而擴大生產(chǎn)規(guī)模的同時，需要保護自己免受過度投資的風(fēng)險。租賃等更靈活的設(shè)備采購解決方案有助于降低過度投資風(fēng)險。
2.管理受限預(yù)算
越來越多的無晶圓廠初創(chuàng)公司需要像規(guī)模更大的同行企業(yè)一樣，能夠測試和表征他們的器件產(chǎn)品。但由于可用資本有限，這些公司面臨著更大的財務(wù)限制。因此，避免大量前期投資的測試設(shè)備策略需求不僅僅是可取的，而且是絕對必要的。IC 設(shè)計公司也是如此，因為這類公司的規(guī)模相對較小，工作也具有較大可變性，他們通常需要在項目之間進行轉(zhuǎn)換，并且每個項目都有自己獨特的測試要求。在這些情況下，設(shè)備租賃成為一個極具吸引力的選擇，也是分散成本來適應(yīng)融資周期的較佳財務(wù)解決方案。
3.應(yīng)對意外的測試需求
項目預(yù)算通常是預(yù)先確定的，但是在項目過程中測試需求可能會發(fā)生變化，這就需要額外的測試設(shè)備。而在項目開始后，很難獲得此類測試設(shè)備的額外預(yù)算。這樣可能會有損項目工程設(shè)計，扼殺創(chuàng)新。短期內(nèi)從專業(yè)供應(yīng)商處獲得設(shè)備，即可獲得完成運營預(yù)算資助項目所需的最新測試技術(shù)。這樣就避免了可能阻礙項目進展的冗長的資本支出審批，以及購買未來可能不再需要的設(shè)備的財務(wù)負(fù)擔(dān)。
4.適應(yīng)技術(shù)變革的步伐
各類新標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)布，尤其是需要支持的嵌入式接口和無線通信標(biāo)準(zhǔn)。購買的設(shè)備有可能很快過時。更具適應(yīng)性的測試設(shè)備采購策略，即正確組合采購方案，包括設(shè)備租賃、二手設(shè)備購買及分散購買成本和風(fēng)險的財務(wù)解決方案，能夠促進研發(fā)活動更好地適應(yīng)市場條件的任何變化。如此，半導(dǎo)體行業(yè)公司可運用靈活性來有效利用潛在業(yè)務(wù)機會，并且避免因過度投資而使自身陷入財務(wù)窘境。
在嚴(yán)峻的成本與物流壓力下，半導(dǎo)體行業(yè)公司必須制定更符合其實際需求的測試設(shè)備采購策略。他們需要采用更多的采購靈活性，而不是堅持根據(jù)情況購買新設(shè)備的傳統(tǒng)方法。如此，他們能夠應(yīng)對特定項目的需求，或者關(guān)注潛在的測試能力波動，而避免了因購買冗余測試設(shè)備而承擔(dān)財務(wù)負(fù)擔(dān)的風(fēng)險。
還應(yīng)注意的是，當(dāng)前的芯片短缺現(xiàn)狀正在影響 OEM 工程師開發(fā)先進系統(tǒng)解決方案的能力。為了防止生產(chǎn)停滯，避免錯過業(yè)務(wù)機會，設(shè)計往往需要在短時間內(nèi)返工。因此，半導(dǎo)體行業(yè)公司在測試過程中必須運用更大的靈活性，可以靈活地將現(xiàn)有設(shè)備更換為與新設(shè)計更相關(guān)的測試設(shè)備。
通過資產(chǎn)優(yōu)化釋放庫存價值
除了改變設(shè)備采購方案，半導(dǎo)體行業(yè)公司還可通過更好地了解他們擁有的測試設(shè)備庫存以及具體如何使用這些庫存來提升資產(chǎn)效率。根據(jù)設(shè)備品牌、型號和關(guān)鍵規(guī)格相關(guān)的數(shù)據(jù)，以及設(shè)備當(dāng)前位置、最近維護時間、校準(zhǔn)狀態(tài)等相關(guān)信息，公司可以做出更明智的采購決策。公司還可以調(diào)查設(shè)備利用率水平，使采購經(jīng)理能夠更容易地決定是否需要購買額外的設(shè)備。公司可以出售未使用的設(shè)備，以騰出現(xiàn)金投資于其他方面。
利用這些資產(chǎn)優(yōu)化工具，許多客戶能夠?qū)⒃O(shè)備利用率提高一倍。在某些情況下，客戶公司能夠減少 70% 計劃外設(shè)備采購，并且公司的員工花費在管理公司測試資產(chǎn)或搜索有即時需求的項目上的時間要少得多。公司還可以通過對設(shè)備庫存的進一步了解來做出更好的采購決策。
器件表征、一致性測試是創(chuàng)新必備
在所有實時示波器中，Keysight Technologies In?0?3niium UXR 集成了功能最強大、技術(shù)最先進的模擬前端。這款儀器的可用帶寬為 5 至 110 GHz，針對先進技術(shù)提供了一套全面的探測、分析應(yīng)用和測量方案。采用領(lǐng)先的磷化銦芯片技術(shù)、定制薄膜多芯片模塊封裝和集成法拉第籠結(jié)構(gòu)。并且可保證提供捕捉和測量當(dāng)前和未來高帶寬低壓信號所需的速度、低噪聲和高可靠性。
羅德與施瓦茨公司的 R&S? ZVA 網(wǎng)絡(luò)分析儀適用于表征最新的 RF 收發(fā)器，是半導(dǎo)體測試工程師的寶貴工具。這款儀器的頻率范圍很寬，10MHz 至 110GHz，頻率分辨率為 1Hz。載波中每個測試點的測量時間低于 3.5 μs，200 多個測試點的頻率掃描可在 5 ms 內(nèi)完成。這款儀器具有 140dB 動態(tài)范圍，支持識別信號丟失的原因。
羅德與施瓦茨公司針對高通量一致性測試進行了優(yōu)化，提供了 R&S? CMW500 寬帶無線通信測試儀。這款儀器可用于檢測蜂窩、 WLAN 和藍(lán)牙芯片的運行參數(shù)，以確保符合必要的協(xié)議。并且還可用于驗證集成到現(xiàn)代車輛設(shè)計中的 C-V2X 通信 IC 。
Keysight UXA 信號分析儀用于支持工程師在 5G、802.11ax/ay、衛(wèi)星、雷達(dá)、電子戰(zhàn)等領(lǐng)域表征當(dāng)今最具挑戰(zhàn)性的信號 — 快速跳頻、寬帶、瞬態(tài)信號。這款儀器具有業(yè)界領(lǐng)先的相位噪聲和寬無雜散動態(tài)范圍，可提供最具挑戰(zhàn)性信號的更寬（高達(dá) 1 GHz）、更深視圖。并可利用無間隙實時頻譜分析捕捉間歇信號，利用改進的 DANL 低噪聲路徑捕捉低雜散信號。
結(jié)論
隨著 IC 生產(chǎn)進入第七個十年，IC 的普及程度比以往任何時候都要高。半導(dǎo)體制造商在測試產(chǎn)品方面的投資占到其年度資本和運營成本中相當(dāng)大的一部分。因此，必須以經(jīng)濟高效的方式進行測試，盡可能提高設(shè)備利用率，并將計劃外采購和庫存降至最低。
通過遵循基于謹(jǐn)慎組合的租賃、購買（新的和二手設(shè)備）和有效分?jǐn)偝杀镜呢攧?wù)解決方案的綜合測試設(shè)備采購策略，半導(dǎo)體公司可以適應(yīng)任何可能發(fā)生的情況。隨著相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)的改變，可以很容易地使用最新的設(shè)備，然后替換為其他設(shè)備。這樣就消除了多余購置不再需要的昂貴儀器的風(fēng)險，并避免了不必要的持續(xù)運營成本（保險、財務(wù)還款、維護等）。
益萊儲的全球設(shè)備庫存價值超過 10 億美元，客戶可以直接從設(shè)備庫存中獲得數(shù)千種測試設(shè)備。并且可通過各種不同的方案獲得測試設(shè)備。其中包括短期租賃、租購、運營租賃和先租后買方案，以及經(jīng)過認(rèn)證的二手設(shè)備。益萊儲的測試設(shè)備具有即時可用性，即表明這些測試設(shè)備可以在短時間內(nèi)部署應(yīng)用到客戶現(xiàn)有的工作流程中，因此，生產(chǎn)需求不會受到阻礙。益萊儲團隊隨時準(zhǔn)備幫助客戶匹配到符合其技術(shù)要求的合適設(shè)備，并提供最合適的采購解決方案。
采取這種更加深思熟慮的設(shè)備采購方案，同時優(yōu)化現(xiàn)有測試資產(chǎn)的利用，可以顯著提高客戶資產(chǎn)利用率，通常會提高40%以上?？蛻粼僖膊恍枰獮殚e置的硬件預(yù)備資金。這種方案可以優(yōu)化和降低測試費用，同時隨著新設(shè)計更快進入市場，客戶利潤也會增加。此外，通過資產(chǎn)優(yōu)化，客戶將能夠提高運營效率，提高生產(chǎn)率，減少浪費。以前無法獲得的營運資本可以引導(dǎo)應(yīng)用于客戶公司的其他業(yè)務(wù)方面。
通過確保在需要時可獲得所需的設(shè)備，工程師可以專注于他們最擅長的領(lǐng)域，發(fā)展創(chuàng)新，創(chuàng)造新的半導(dǎo)體器件，推動未來50年的發(fā)展。
