1．半导体是工业4.0架构的基础

工业4.0强调互联互通，通过价值链上不同企业资源的整合，实现从产品设计、生产制造、物流配送、使用维护的产品全生命周期的管理和服务。同时，以智能工厂为基础，以工业物联网为载体，构建一个完整的制造业生态体系，实现生产型制造向服务型制造的转变，催生出制造业从技术和产品到模式、业态、产业组织等多方面的系统创新，尤其是以智能制造为标志的生产方式变革。具体的实现方法是基于信息物理生产系统（CPPS）和它的五级结构（5C），即连接（Connection）、转换（Conversion）、中枢处理（Cyber）、认知（Cognition）和构建（Configuration）。连接是实现整个生产结构变化的第一步，通过把数量庞大的机器和嵌入式系统进行全面无缝连接，达到机器向控制中心反馈，或者机器对机器（M2M）交换数据的目的。转换将数据转为有意义的信息，使得控制、设备与智能生产应用之间相互理解。中枢系统通过大数据分析建立设备装置的经验运行模型，从而完成过程模拟。以及更为高级的设备行为预测，同时还将不断向人类或自身进行经验学习，丰富自我知识。信息物理生产系统会通过认知过程对获得的数据信息和模拟决策结果进行评估，然后以合适的方式呈现给具有专业经验的人或设计者，经由人判断后做出选择支持计算机的结论或为它更新问题分析标准。人机交互结果反馈回到中枢系统，再由中枢积累这些反馈的信息，进行自我构建，自我完善后的系统会越来越精准地完成将来的工作。

工业4.0的核心理念是通过信息通信技术在制造业的深度应用，推动实体物理世界和虚拟网络世界的融合，在制造领域形成资源、信息、物品和人相互关联的信息物理系统，信息通信技术与制造业的深度融合是工业4.0的基本特征。工业4.0的整体架构大致由“云、网、端”三大部分组成。“云”是指工业大数据及工业云，对数据进行采集、反应和预测，形成可行为的大数据。“网”是指工厂内物联网及覆盖产业链整体的工业互联网。“端”是指智能机床、机器人、传感器、机器视觉等智能生产设备，AGV、服务机器人等智能物流设备。

半导体正是处于整个工业4.0架构的基础，它解决的是“云、网、端”架构中的联、感、知等基础问题和执行问题，为工业4.0提供底层技术支持。由于涉及自动机器人、物联网以及大数据分析技术等，在工业的生产制造、仓储、物流，甚至产品设计流程进行改造时，需要广泛采用处理器、传感器和微控制器等半导体产品。高精度的工业传感器是捕捉有效数据的关键，收集到有意义的数据后，高性能的微控制产品进行数据的分析和计算，从而发出指令对生产进行智能控制，微控制器再将指令传达给功率半导体，保障高能效地生产。此外，在整个生产流程中，数据的安全，设备的防伪贯穿始终，安全芯片可为智能生产的数据和信息安全提供保障，效能和安全是决定工业4.0实施能否成功的关键因素。半导体是制造产业，尤其是信息技术安全的基础。从国家安全角度来看，只有实现了底层集成电路的国产化，我国的信息安全才能得以有效保证。因此在国务院印发《中国制造2025》中将集成电路放在发展新一代信息技术产业的首位，为中国半导体产业带来了黄金发展时期。

2．工业4.0对半导体提出新的技术要求

工业4.0环境下的“云、网、端”系统结构的搭建，无疑会对底层的半导体技术形成新的更高要求。总结起来，大致包括几个重要趋势：(www.daowen.com)

第一，工业以太网的建设需要支持多协议的通信芯片。具体而言，包括生产设备联网实现自律协调作业的M2M，通过网络获取大数据的应用、开发、销售、ERP、PLM、SCM等业务管理系统与实际生产过程之间的协同。因为现代智能工厂有四大关键点：一是要连接所有网络以拿到数据；二是要有智能机器；三是大数据，将所有设备、所有人连接后，所有数据都大批量传送到智能终端上；四是分析，得到数据后从中抓取出对应的趋势来，提高设备状态的检测和预测。然而，不同厂商支持的工业以太网标准各不相同，这就需要开发同时支持多协议的通信芯片。

第二，终端的智能机床、机器人等，需要高性能、低功耗、安全性的芯片产品支持。在工业4.0中，连接到网络的设备无所不在。一方面，巨大的网络和大量的联网设备必然产生巨大的能耗；另一方面，高度智能化环境下的数据和信息安全是物联网发展的基本底线，物联网环境下敏感数据量越大，风险就越大，比如数据、ID、IP被盗用，数据被伪造或篡改，设备、服务器和网络被恶意操纵。因此，能效和安全是决定工业4.0实施能否成功的关键因素。

第三，高集成度是应对工业4.0时代的必备条件，越来越多的半导体供应商将MCU与传感器加以整合。在工业自动控制系统中，传感器居于系统之首。传感器类似于感官系统，能快速、精确地获取信息，是自动控制系统达到高水平的保证。可以说，没有众多质优价廉的工业传感器，就没有现代化工业的生产体系，更不用说工业4.0体系的构建。

根据美国SIA发布《赢得未来：美国在半导体技术领域持续领先地位的蓝皮书》的报告，美国在其中提及了影响未来的三大半导体技术：一是人工智能。人工智能是指模仿人类学习和决策的技术，人工智能具有改变经济的巨大潜力，对自动驾驶汽车、机器学习以及无数智能设备和应用至关重要。半导体和半导体加工技术将在AI革命中发挥关键作用。专家估计，到2030年，人工智能将给全球的经济带来13万亿美元的增长。二是量子计算。量子计算机有望增加计算机的运算能力，它比传统计算快一亿倍，和现在的超级计算机相比，也要快一千倍。按照这个速度，势必会影响整个行业和经济。量子信息科学的发展与半导体产业的研究密切相关，将得以克服“摩尔定律”的计算能力限制。三是先进无线网络。先进无线网络（如5G），凭借低延迟和相较现有网络100倍速率的提升，为物联网、无人驾驶汽车和机器人提供网络支持，将成为下一代数字经济的基础。正是由于先进网络速度和全新架构的巨大需求，底层半导体硬件解决方案的潜力尚未全部实现。下一代无线网络（如5G）实现半导体技术进步的国家，将获得显著的经济效益。