在当今半导体晶圆厂中，自动化技术的飞速发展已经将生产流程推向了一个全新的高度，AMR（移动机器人）以柔性高效的物流模式成为先进制程场内物流的主要选择。在这背后，根植于工业物流自动化场景的AMR正在不断演进，从第一代的导轨式机器人到第三代集群作业的AMR矩阵，AMR正在从硬件性能持续优化的单体设备，转变为半导体整厂智能化系统下的智能因子，迈向机器人软硬件与整厂相关软硬件的融合演进时代。
自动化物流，是晶圆制造过程中不可或缺的一环。过去几十年来，晶圆厂内部的自动化物流设备主要依赖于天车，虽然天车在一定程度上解决了传统人工搬运的难题。然而，天车也存在着不可忽视的局限性：一方面由于其高昂的价格（包括天车本身价格以及对场景的布置），只有少数先进的12英寸晶圆厂能够承担全自动化物流设备的成本，8英寸甚至更小尺寸的晶圆厂很少能够全面采用天车。此外，天车有很多场景无法覆盖，就比如说在当前较先进的2.5D/3D封装工艺阶段，天车大幅度的纵向振动与晶圆片对纵向机位的敏感度矛盾的短板逐渐暴露出来。
近年来，随着移动机器人（AMR）技术的飞速发展，其凭借着柔性、灵活、高效等优势，逐渐成为晶圆厂自动化物流的新宠，有望填补天车无法覆盖的空白，助力晶圆厂实现全自动化升级。根植于工业物流自动化场景的AMR正在不断演进，从第一代的导轨式机器人到第三代集群作业的AMR矩阵，AMR正在从硬件性能持续优化的单体设备，转变为半导体整厂智能化系统下的智能因子，迈向机器人软硬件与整厂相关软硬件的融合演进时代。
从“单兵作战”到“集群协同”：
半导体AMR的进化
从第一代到第三代，半导体移动机器人经历了令人瞩目的发展历程，其技术水平和性能得到了极大的提升。
第一代移动机器人，也可以说是移动机器人的雏形，它们主要沿着固定的机械轨道或预定路线来实现自身的定位和抓取，缺乏灵活性，而且可能还需要人类操作员监督。尽管实现了物料的自动化运输，但是第一代移动机器人并没有得到大规模普及，主要原因是半导体洁净空间的造价太昂贵，地面的面积最好是用于放置生产设备，而不是铺设很多轨道占用宝贵的面积。
大约在2015年左右，激光导航技术的成熟为移动机器人带来了很大的提升。通过使用激光导航技术进行定位，第二代机器人彻底摆脱了固定轨道的物理约束，AMR使用内置传感器和摄像头以及先进的软件来识别周围环境，并采取最有效的路线到达目的地，安全地避开障碍物和人员，无需对晶圆厂物理环节进行安装和改造，直接可以在晶圆厂中运行。
虽然第二代机器人摆脱了物理轨道的限制，但是第一、二代机器人的工作逻辑都是一样的，它们在整个系统和硬件层面往往是以任务为主，系统采用单进程线性处理，功能较为单一，需要制定特定的指令，完成一些既定的工作，机器人之间也没有太多的交互工作。更准确的来说，第一、二代机器人可以称之为是自动化设备。它们只是简单了替代了部分人工，完成一些搬运和上下料的工作，无法自主决策处理复杂性的任务。
移动机器人真正迎来大的变革是从第二代向第三代的过程。
随着半导体工厂产线物流自动化需求攀升，局部产线改造开始向完整工序段扩张，随之而来的是，单个工厂内对于AMR的需求数量也增加至百台级，如何在保障生产物流稳定高效的前提下实现大规模AMR的集群调度，是二代AMR亟待突破的技术掣肘。
如果缺乏百台级AMR的集群调度能力，单体性能即使做到极致，也无法真正实现场内综合物流效率最优，那么自动化改造将会失去它原本的意义。由此，部分AMR厂商开始跳脱出传统AMR硬件优化的思维，转而以半导体整场物流综合效率提升的全局视角，以集群化重新定义AMR。
第三代AMR应运而生。
第三代AMR以集群作业形式出现
（图源：优艾智合）
从硬件上来看，大量机器人需要有资源池化的能力，具备多线程的并行处理能力。在这个资源池中，可能同时并发存在成百上千条任务。这个机器人集群的规模大约要达到100多台，相比之下，在二代的时候，数量调度基本不超过20台。
“总体来看，相比二代，第三代移动机器人主要实现了从单机柔性到集群柔性的发展变化。”优艾智合机器人工业物流事业部总经理许瑨表示。作为全国半导体AMR出货量最大的解决方案商，优艾智合在过去几年中积累了大量案例经验，形成了20万平米内1000多台AMR共场作业的调度能力，代表着第三代AMR致力于实现整场物流效率的提升。
需要强调的是，集群并不是一加一的累加问题，更多的是需要一个软件平台，能够自主决策如何排兵布阵，高效的完成一个系统化的复杂工程。
更具体的来说，在生产制造业中，人、机、料、法、环五大要素至关重要，机和料又是晶圆厂中最关键的两个。机指的是晶圆厂内各种自动化设备，主要由EAP（设备自动化平台）控制；料则是指各种物料，由MCS（物料管控系统）进行管控。过去，这两大系统在许多非自动化的晶圆厂中并未实现有效对接。优艾智合通过TMS（运输管理系统）、Fleet软件层、最底层的机器人这一套软硬结合的系统，已经实现了多机器人交互，为晶圆厂带来了更高的智能化水平。
可以看出，半导体移动机器人从第一代到第三代经历了从“单兵作战”到“集群协同”的进化，为半导体制造带来了革命性的变革。因此，AMR已经逐渐成为晶圆厂中关键的一部分。
布局第四代，AMR走向“极限单品”
移动机器人的市场正呈现蓬勃发展态势。根据market.us的《自主移动机器人市场》报告，2023年全球自主移动机器人市场价值为43亿美元，预计到2032年将达到182亿美元，复合年增长率达到18.1%。在国内，近年来新建晶圆厂数量大幅增加。据不完全统计，2022年至2024年全球新增30座晶圆厂，其中22座位于中国；2025年至2027年全球预计将新建62座晶圆厂，其中30座将在中国。新建晶圆厂的增多势必加大对移动机器人市场的需求，也倒逼移动机器人继续向前发展。
来源：market.us
其实自第三代移动机器人开始商用之后，客户更加注重的已经是生产效率，而不仅是一个自动化设备。
当下，优艾智合正着眼于第四代AMR的布局。第四代AMR将更加讲求群体智能，区别于三代，定位感知需要具备全域感知能力，能够动态进行系统决策。其终极目标是要支持智能工厂建设最底层的数据链条完整，它将与晶圆厂内部的自动化设备一样，构成生产力的一部分。
要达到这样的效果，第四代移动机器人需要在硬件和系统层面进行多层次效率革命。
在硬件层面，第四代AMR将逐步向“极限单品”演进。例如多维精度控制融合、整机自由度融合控制、多模感知等技术，在硬件层打磨成具有极致效率的细分场景级平台产品。据许瑨的介绍：“优艾智合目前在探索维精度控制融合技术，多维度的感知信息不再以特定次序逐级提升最终精度，而是以高度融合、实时补偿的方式在大范围移动过程中做到“百步穿杨”。机器人运行表现将彻底摒弃“定位”的环节，具备0延时条件下的亚毫米级操作精度。”
系统层面，则强调的是全栈系统强耦合。“智能工厂-智能制造-智能物流-智能机器人是上下高度关联的系统。每一级系统的演进方向都是为了提升上一级系统关注的核心指标。移动机器人的软件系统与MCS强耦合，以实现整厂在制库存的一体化管理、调配；与RTD强耦合，以确保派工逻辑能最大化榨取机器人剩余价值；与EAP强耦合，以确保上下料协作顺畅；有些先进场景下与MES强耦合，以预判未来生产节拍对物料的需求。”许瑨介绍。
最终，第四代移动机器人所能实现的将是群体智能，即数百台机器人能够协同合作，像一个整体一样进行动态决策。这将标志着机器人技术的革命性突破，为工厂乃至人类社会带来难以想象的变革。
图源：优艾智合
从最初的简单移动设备，到如今具备集群柔性的高级系统，移动机器人的发展历程展示了技术进步带来的巨大变革。如果将晶圆厂比作是一个大的“人体”，里面的各个半导体设备是人体不同的“器官”，那么AMR就像是“毛细血管”一样，携带着充足的“养料、养分、血红蛋白”，穿梭在各个工序之间，完成晶圆的跨物理搬运、上下料以及仓储的功能。
在未来，融入智能化要素的第四代移动机器人将在晶圆厂中扮演更加重要的角色，AMR将掀起晶圆厂自动化新篇章。
