半導體技術的發展迅猛而廣泛，目前已經滲透並影響到我們生活的方方面面。半導體器件已經應用在我們的汽車、可擕式電子產品、辦公設備、醫療儀器、工業機械、通信基礎設施和無數的其他方面，幾乎無處不在。
儘管最近發生的影響廣泛的全球事件對每個行業都提出了挑戰，但半導體行業仍然充滿活力，並繼續保持增長勢頭。據行業分析公司 Statista 給出的預測資料，2021年半導體年出貨量達到歷史最高水準（如圖1所示），即出貨量將達到 1.14 萬億件，總價值約為 4700 億美元。這一創紀錄的增長也將為半導體行業帶來一系列挑戰。
圖1. 2000年以來的全球半導體出貨量
半導體公司必須提高產量來滿足需求，同時需要避免以往發展繁榮期之後出現的投資過度狀況。面對成本壓力，公司往往會被迫追求財務效率，半導體行業需要轉向新的投資方式。
本本將探討持續創新的需求如何改變半導體測試現狀，以及採購基本測試設備的替代方案如何説明公司應對其所面臨的挑戰。這些替代方案將提供一種更為靈活的方法，助力行業公司控制成本，同時保持生產靈活性，及時抓住稍縱即逝的市場機會。
半導體工業與摩爾定律
自19世紀早期發現第一批半導體材料後，接下來一個世紀的研究生產出了第一批半導體器件，包括用於無線電信號檢測的整流器。自從20世紀40年代貝爾實驗室的 William Shockley 及其團隊發明了電晶體之後，半導體行業發展速度迅速加快，並自此以後，一直保持著不懈的發展步伐。
1958年，Jack Kilby（德州儀器公司的員工）展示了他的積體電路（IC）的原型。積體電路的特點是使用由相同半導體材料製成的一個電晶體和若干無源元件，並用導線連接在一起。隨著 IC 的誕生，電子系統變得更小、更便宜、更節能。
儘管源於 Kilby 原型的 IC 器件為電子系統小型化提供了可能方式，但仍然很難製造。這些問題在1960年得到了解決，當時（飛兆半導體公司）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）堆焊在連續的沉積層中，可以大批量製造積體電路。基於矽（Si）的 IC 的大規模生產成為電子技術發展的真正轉捩點。
積體電路器件變得越來越複雜，而滾雪球式的需求帶來了更大的規模經濟。這樣就降低了單位生產的相關成本，從而降低了客戶的價格。
通過推斷 IC 生產最初幾年的發展狀況，Gordon Moore（他和諾伊斯一起創立了英特爾公司）做出了大膽預測，即眾所周知的“摩爾定律”。他表示，電腦晶片中的電晶體數量將每兩年翻一番，同時，相關的成本則會減半，這一觀點至今仍然適用。
圖2. 半導體發展時間線
摩爾定律提供了一個標杆，在過去50年裡推動了半導體行業創新，同時推動各公司不斷探索新的設計和製造方法。這種不斷的反覆運算和改進伴隨著半導體行業“繁榮”和“蕭條”的週期性迴圈，因為對新一代技術的需求首先會超過當前供應，導致生產過剩。半導體行業面臨的關鍵挑戰是，在不過度投資的情況下，滿足當前不斷加速發展的需求。這就需要在投資下一代技術的同時滿足發展需求，以在未來五十年及更長時間內延續摩爾定律的效用。
半導體測試方式的改變
自60年前提出最初概念以來，IC 的設計和製造取得了巨大進步。目前，最先進的圖形處理單元（GPU）晶片可包含超過500億個電晶體柵極。而 Kilby 的初始 IC 原型中只包含有一個電晶體柵極。
雖然第一個 IC 出現在60多年前，但晶片製造商的目標自此時起就很少改變。通過利用最新的技術進步，製造商必須持續生產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 佔用面積，並降低功耗。
據估計，2021年半導體行業的年度研發（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、聯發科和 AMD 也名列前十之內。並且，目前還沒有放緩的跡象，總體支出額度將繼續攀升，預計到2025年投資額將超過 890 億美元。
生產線和研發實驗室中使用的測試設備占到前面所述的研發投資的一大部分，因此半導體製造商需要明智地做出預算，以便確保從中獲得最大收益。不幸的是，事情並不總是按照最佳預期來發展的。
市場分析諮詢公司 Frost and Sullivan 彙編的資料表明，科技公司的測試設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備採購實踐並不是最優的。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. 測試工程師的設備優先順序
瞭解混合設備採購方案
雖然大多數半導體製造商仍然會選擇購買所需的測試設備，而這種情形主要是出於習慣，而不是通過對可用方案進行仔細評估後做出的選擇。研發和品質保證經理越來越擔心公司測試成本的上升，以及不確定未來將採用何種技術，半導體行業的公司迫切需要重新考量他們的採購方案。
以下情景著重說明了當前的一些市場挑戰，並舉例說明公司深思熟慮的採購解決方案如何幫助克服這些挑戰。
1. 滿足突然增加的需求
如果由於 OEM 需求原因，生產廠商需要突然提高產量，就需要額外的設備。但這種需求可能無法持續，因此可能會導致相關設備變得多餘。在經歷了多年的行業週期性繁榮和蕭條之後，製造商必須做好充分準備，在隨著產品獲得商業吸引力而擴大生產規模的同時，需要保護自己免受過度投資的風險。租賃等更靈活的設備採購解決方案有助於降低過度投資風險。
2. 管理受限預算
越來越多的無晶圓廠初創公司需要像規模更大的同行企業一樣，能夠測試和表徵他們的器件產品。但由於可用資本有限，這些公司面臨著更大的財務限制。因此，避免大量前期投資的測試設備策略需求不僅僅是可取的，而且是絕對必要的。IC 設計公司也是如此，因為這類公司的規模相對較小，工作也具有較大可變性，他們通常需要在專案之間進行轉換，並且每個專案都有自己獨特的測試要求。在這些情況下，設備租賃成為一個極具吸引力的選擇，也是分散成本來適應融資週期的較佳財務解決方案。
3. 應對意外的測試需求
專案預算通常是預先確定的，但是在項目過程中測試需求可能會發生變化，這就需要額外的測試設備。而在項目開始後，很難獲得此類測試設備的額外預算。這樣可能會有損項目工程設計，扼殺創新。短期內從專業供應商處獲得設備，即可獲得完成運營預算資助專案所需的最新測試技術。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備的財務負擔。
4. 適應技術變革的步伐
各類新標準不斷發佈，尤其是需要支援的嵌入式介面和無線通訊標準。購買的設備有可能很快過時。更具適應性的測試設備採購策略，即正確組合採購方案，包括設備租賃、二手設備購買及分散購買成本和風險的財務解決方案，能夠促進研發活動更好地適應市場條件的任何變化。如此，半導體行業公司可運用靈活性來有效利用潛在業務機會，並且避免因過度投資而使自身陷入財務窘境。
在嚴峻的成本與物流壓力下，半導體行業公司必須制定更符合其實際需求的測試設備採購策略。他們需要採用更多的採購靈活性，而不是堅持根據情況購買新設備的傳統方法。如此，他們能夠應對特定項目的需求，或者關注潛在的測試能力波動，而避免了因購買冗餘測試設備而承擔財務負擔的風險。
還應注意的是，當前的晶片短缺現狀正在影響 OEM 工程師開發先進系統解決方案的能力。為了防止生產停滯，避免錯過業務機會，設計往往需要在短時間內返工。因此，半導體行業公司在測試過程中必須運用更大的靈活性，可以靈活地將現有設備更換為與新設計更相關的測試設備。
通過資產優化釋放庫存價值
除了改變設備採購方案，半導體行業公司還可通過更好地瞭解他們擁有的測試設備庫存以及具體如何使用這些庫存來提升資產效率。根據設備品牌、型號和關鍵規格相關的資料，以及設備當前位置、最近維護時間、校準狀態等相關資訊，公司可以做出更明智的採購決策。公司還可以調查設備利用率水準，使採購經理能夠更容易地決定是否需要購買額外的設備。公司可以出售未使用的設備，以騰出現金投資於其他方面。
利用這些資產優化工具，許多客戶能夠將設備利用率提高一倍。在某些情況下，客戶公司能夠減少 70% 計畫外設備採購，並且公司的員工花費在管理公司測試資產或搜索有即時需求的專案上的時間要少得多。公司還可以通過對設備庫存的進一步瞭解來做出更好的採購決策。
器件表徵、一致性測試是創新必備
在所有即時示波器中，Keysight Technologies Infiniium UXR 集成了功能最強大、技術最先進的模擬前端。這款儀器的可用頻寬為 5 至 110 GHz，針對先進技術提供了一套全面的探測、分析應用和測量方案。採用領先的磷化銦晶片技術、定制薄膜多晶片模組封裝和集成法拉第籠結構。並且可保證提供捕捉和測量當前和未來高頻寬低壓信號所需的速度、低雜訊和高可靠性。
羅德與施瓦茨公司的 R&S® ZVA 網路分析儀適用於表徵最新的 RF 收發器，是半導體測試工程師的寶貴工具。這款儀器的頻率範圍很寬，10MHz 至 110GHz，頻率解析度為 1Hz。載波中每個測試點的測量時間低於 3.5 µs，200 多個測試點的頻率掃描可在 5 ms 內完成。這款儀器具有 140dB 動態範圍，支援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化，提供了 R&S® CMW500 寬頻無線通訊測試儀。這款儀器可用於檢測蜂窩、 WLAN 和藍牙晶片的運行參數，以確保符合必要的協議。並且還可用于驗證集成到現代車輛設計中的 C-V2X 通信 IC 。
Keysight UXA 信號分析儀用於支援工程師在 5G、802.11ax/ay、衛星、雷達、電子戰等領域表徵當今最具挑戰性的信號 — 快速跳頻、寬頻、瞬態信號。這款儀器具有業界領先的相位雜訊和寬無雜散動態範圍，可提供最具挑戰性信號的更寬（高達 1 GHz）、更深視圖。並可利用無間隙即時頻譜分析捕捉間歇信號，利用改進的 DANL 低雜訊路徑捕捉低雜散信號。
結論
隨著 IC 生產進入第七個十年，IC 的普及程度比以往任何時候都要高。半導體製造商在測試產品方面的投資占到其年度資本和運營成本中相當大的一部分。因此，必須以經濟高效的方式進行測試，盡可能提高設備利用率，並將計畫外採購和庫存降至最低。
通過遵循基於謹慎組合的租賃、購買（新的和二手設備）和有效分攤成本的財務解決方案的綜合測試設備採購策略，半導體公司可以適應任何可能發生的情況。隨著相關測試標準的改變，可以很容易地使用最新的設備，然後替換為其他設備。這樣就消除了多餘購置不再需要的昂貴儀器的風險，並避免了不必要的持續運營成本（保險、財務還款、維護等）。
益萊儲的全球設備庫存價值超過 10 億美元，客戶可以直接從設備庫存中獲得數千種測試設備。並且可通過各種不同的方案獲得測試設備。其中包括短期租賃、租購、運營租賃和先租後買方案，以及經過認證的二手設備。益萊儲的測試設備具有即時可用性，即表明這些測試設備可以在短時間內部署應用到客戶現有的工作流程中，因此，生產需求不會受到阻礙。益萊儲團隊隨時準備説明客戶匹配到符合其技術要求的合適設備，並提供最合適的採購解決方案。
採取這種更加深思熟慮的設備採購方案，同時優化現有測試資產的利用，可以顯著提高客戶資產利用率，通常會提高40%以上。客戶再也不需要為閒置的硬體預備資金。這種方案可以優化和降低測試費用，同時隨著新設計更快進入市場，客戶利潤也會增加。此外，通過資產優化，客戶將能夠提高運營效率，提高生產率，減少浪費。以前無法獲得的營運資本可以引導應用于客戶公司的其他業務方面。
通過確保在需要時可獲得所需的設備，工程師可以專注于他們最擅長的領域，發展創新，創造新的半導體器件，推動未來50年的發展。
關於益萊儲
益萊儲/Electro Rent是全球領先的測試和技術解決方案供應商，幫助客戶加速創新並優化投資。自1965年以來，益萊儲/Electro Rent的租賃、銷售和資產管理解決方案為通信、航空航太和國防、汽車、能源、工業、教育和通用電子領域的行業領先創新者提供服務。更多資訊請訪問：www.electrorent.com。
