雲端時代的廠務平台發展趨勢

前言

雲端運算是一種新型態的運算應用概念，必需奠基於各項資訊技術逐漸發展而成，其中包含處理器多核心運算技術之突破、虛擬化之應用、行動裝置普及化以及網際網路的蓬勃發展，人們只要簡單透過瀏覽器，便能輕鬆使用各式服務，快速取得所需之資訊。這種運算模式已經成為資訊科技劃時代的變革，且同時也逐漸改變企業管理資訊設備的模式，雲端運算可以動態地支配各項運算資源，將其運算效能最佳化，此外也可透過虛擬化技術大幅降低網路設備數量，降低維運成本及空間，甚至達到節能之效益。在十二吋晶圓廠中，廠務系統既多且廣，廠務工程師開發了各式平台以提昇管理效率，而身處在「雲端」時代的我們，如何將雲端的概念逐步地應用在未來廠務平台發展上，顯然是一門值得深思的課題。

背景

「雲」一字早期是用於通訊產業，以人們熟知的意象來傳達抽象且複雜的網路架構。西元2007年，雲端運算一詞出現，由Google、IBM與美國大學開始研究，隨後Yahoo、HP及Intel也積極推進雲端運算^[1]，2010年，行政院也通過「雲端運算產業發展方案」，雲端運算演進歷程如 表1所示^[2]，顯示雲端運算已儼然成為資訊科技之新時代革命，且正在產生影響。

雲端運算的概念並非由單一企業或學者所獨創，發展過程中有許多不同的定義，而其中最廣受人們採納的是由美國國家標準與技術研究院（NIST）提出的定義：「雲端運算是一種模式，能方便且隨需求應變地透過連網存取廣大的共享運算資源（如網路、伺服器、儲存、應用程式、服務等），並可透過最少的管理工作及服務供應者互動，快速提供各項服務。」更進一步以5種基本特色、3種服務型式與4種部署模式來定義雲端運算，簡要概述如 圖1所示，以下將逐一進行說明。

圖1、雲端運算的定義^[4]

5種基本特色

雲端運算的5種基本特色包含自主服務、網路存取、資源共享、具有彈性的靈活度以及服務可計算，使用者只要透過網路使用運算資源，不需另外建構硬體設備，依照客戶的需求使用相關服務；而運算資源則可以被快速動態地調整以滿足不同用戶之需求，並且依服務量計價。總而言之，雲端能夠提供平價、彈性的運算基礎資源以滿足大眾需求。

3種服務型式

雲端運算另一個重要概念則是以服務為導向，可分為三大類，基礎設施即服務(Infrastructure as a Service, IaaS)、平臺即服務(Platform as a Service,PaaS)、軟體即服務(Software as a Service, SaaS)。

IaaS

提供用戶基本的計算資源，其中包含運算、儲存和網路，用戶也可掌控作業系統、儲存空間、部署的應用程式及防火牆等，但卻不需要知道如何去維護這些硬體。舉例而言，早期的用戶可能需要自己組裝電腦，甚至懂得如何維修硬體，但對使用雲端服務的用戶來說，完全不用了解這些架構，還是可以使用這些服務。

PaaS

提供用戶開發的平台環境、硬體資源及軟體開發工具，用戶可掌控運作應用程式的環境，但並不掌控作業系統、硬體或運作的網路基礎架構。例如：Force.com。

SaaS

提供用戶在雲端上直接使用應用程式，只要透過多元的連網裝置，例如瀏覽器即可取用服務，完全不需管理相關之基礎設施以及平台，也不用擔心軟體的安裝與升級問題。

4種部署模式

要實現雲端運算可能有眾多因素需要考量，例如高可靠度、高安全性以及成本概念，因此衍伸出不同的部署模式 圖2。

圖2、雲端運算的4 種部署模式示意圖^[4]

公有雲(Public Cloud)

通常是由一個大型供應商提供運算服務，用戶可能是一般大眾或是大型企業，透過Internet進行存取服務，優點是不需投資基礎設施，缺點則是資料的隱私及安全性相對較低。一般常見的Google Docs、Dropbox，都算是公有雲的應用。

私有雲(Private Cloud)

通常是由用戶(企業或是大型組織)投入成本自行或是委託供應商建置，使用服務者僅有用戶內部，相當然爾，優點是資料的安全性及可靠度提高，缺點則是初期需投入建置成本及長期的維運成本。

社群雲(Community Cloud)

通常是由有共同需求的數個組織共享基礎設施，也可能為自行或是委託供應商進行建置與管理，算是私有雲的另一種延伸，使用這種模式的主要優點是用戶可享有高可靠度的服務，同時也能達到節省成本的效益。

混合雲(Hybrid Cloud)

顧名思義，即是由公有雲、私有雲、社群雲組成兩個或以上的運作環境，一部分的服務在私有或社群雲執行，另一部分的服務在公有雲執行，相較於公有雲及私有雲來得有彈性許多，同時又可兼顧資料的安全性。

為能夠滿足眾多用戶之運算需求，雲端運算需要大量的資源，並且能夠靈活的調度以及具備高效能的運算能力，因此雲端運算能夠快速發展係仰賴四大關鍵技術，分別為硬體技術的突破、分散式運算的發展、系統管理和網路技術的蓬勃發展，如 圖3所示。

圖3、促成雲端運算的關鍵技術^[1]

由雲端的概念看廠務平台未來的發展

虛擬化技術的引進與應用

虛擬化(Virtualization)是雲端運算中關鍵技術之一，起源於20世紀60年代美國的IBM大型機，後來隨著CPU核心運算能力之提升，也促成虛擬化應用逐漸普及。簡而言之，虛擬化便是能在同一個主機硬體上切割多個虛擬主機，且同時可運行而不互相干擾。若以 圖4來進行說明，在虛擬化前，共有三台伺服器，分別運行不同的應用程式，而透過虛擬化技術之應用，我們可以在軟體虛擬層(Virtualization Layer)上分別運行不同的作業系統，進而在其環境中運行各種應用程式。

圖4、虛擬機運作的概念圖

虛擬化應用的優勢有三：

• 計算機運算能力的提昇：現代計算機的運算能力非常強大，足以應付用戶所需，尚有閒置的資源可以應用。
• 單一伺服器之使用效率低：大多作業系統與應用程式僅使用一部份電腦資源，甚至用戶可能因考量系統環境衝突問題，若為環境需求差異過大的應用程式，通常不會置放在同台伺服器上運行。但以虛擬化建置，可以打造完全隔離的環境，同時也可提升系統運算效率，資源使用支配最佳化。
• 節省空間與綠色節能：虛擬化可降低實體伺服器的數量，當然機房所需空間便能節省，另外在電力消耗及機房冷卻系統的耗能，也能大幅降低管理成本。

加入技術成熟的時間

目前廠務資訊發展課針對未來300mm FAC新建廠規劃一套IT infrastructure標準架構，總共規劃五台伺服器，其上執行包含運轉相關、值班需求、資安管理等至少15支應用程式，且應用虛擬化的概念達到備援的能力，如 圖5所示，可以看到在標準架構中共設計三台伺服器用於運行應用程式(Application Program, AP)，其上各有兩台虛擬機以達到互相備援，如VM01就同時建構在AP1與AP3兩台伺服器上。透過虛擬化的方式，在不同的伺服器上進行備援，除可提昇資料穩定度，同時也充分利用伺服器的資源。

圖5、300mm FAC IT infrastructure 標準架構^[5]

此外十二吋廠廠務運轉資訊平台OneFAC，也是應用虛擬化之架構，其作法為竹中南科各擁有兩台虛擬機作為portal入口，並且搭載負載平衡技術來提高用戶使用時之響應穩定度。反觀在成廠區，由於早期IT基礎設施技術尚未如此純熟，大多數的狀況會在一台伺服器上運作少數的AP，而近期成廠區也陸續遭遇早期的伺服器硬體效能已不堪負荷現今AP所需之大量運算資源，若能在硬體升級之際，應用虛擬化的技術，在伺服器上規劃數個虛擬的作業系統，再評估將同屬性之AP置於同一虛擬作業系統運作，如此可將伺服器數量降低，其餘伺服器方能更進一步提供其他的運算資源，如能源管理。

資料也要上雲端必然的趨勢

根據統計，全球千人以上規模的中大型企業中，82%擁有「多雲混合」的IT環境，其中公有雲與私有雲混雜運用的比例更高達55%^[6]，顯示混合雲的應用已經是必然的趨勢。在廠務系統中，各式化學品的供應需要仰賴廠商灌充，當化學品低於安全量，則由人為通知廠商運送槽車，隨後槽車之運送動態也需要由人為電話追蹤。若是能夠將化學品之現量、根據近期平均消耗量估算剩餘供應時間等有效資訊即時拋到公有雲，而供應商能夠隨時隨地透過任何行動裝置得知，即早安排槽車運送，同時供應商也能將運送計劃、槽車運送即時動態上傳雲端供廠務進行存取，若未來還能搭載TSMC APP應用，讓氣化工程師、主管能夠隨時瀏覽，進行即時溝通調整，應能大幅提昇管理效率。在南科廠務執行FHM(Facility HPM Management)智能化之專案中^[7]，將現場氣瓶櫃、Chemical及Slurry各項參數統一蒐集至FHM，用以進行報表應用，如每日領料、即時用量等。同時，南科廠務也提出對GC物料管理之未來規劃^[8]，如 圖6所示，建議以雲端方式建立FHM主系統，將各廠之資料統一處理，以上兩者例子顯示在化學品管理這個領域，廠務同仁是很積極思考如何應用雲端概念來提昇工作效率。

圖6、GC 物料管理系統現況與建議

SaaS服務應用

近年來，廠務致力於人員之專業訓練，不斷深耕培養各項專業技能，因而也產生許多工程軟體的需求，如AutoCAD、CFD、Matlab等，現今各廠都有AutoCAD專屬電腦供工程師使用，傳統的這種模式會受到地點、設備之限制，然而軟體即服務(SaaS)的思維，勢必成為未來雲端運算架構下的重要商業模式，我們可以向提供軟體即服務的需求商租賃相關應用軟體，在自己的電腦上即可使用，不受地點限制，也不用擔心軟體版本的更新問題，甚至擁有更強運算能力的叢集。2009年，Autodesk即開始投入雲端市場^[9]，2014年，ITRI也與Matlab服務商合作^[10]，提供雲端服務供機構內同仁使用。

雲端種類的優缺點分析

凡事都有一體兩面，包含雲端運算也是如此，前面我們談及雲端應用能夠大幅降低IT基礎設施成本，透過虛擬化技術能夠提高資源之使用效益等優點，但同時也帶來了一些缺點，其中包含資料的可靠度可能降低，對於IT設施之維運缺乏掌控度，甚至大眾最普及所知的安全性問題，這些都是我們在應用雲端運算的同時，也需要納入評估考量的面向 表2。

結論

雲端運算應用普及化，是一個長遠漸進的過程，雖然目前雲端服務的資訊安全問題也是普遍大眾所顧慮的，但近年來已看到不少企業逐漸跳脫原本的觀念，漸漸改觀開始引進雲端。在這個雲端時代裡，廠務平台OneFAC等應用平台均是雲端概念的體現之一，十二吋廠的IT標準化架構也導入虛擬化之技術，顯示我們是持續朝著這個方向努力著，而身為廠務工程師也應該去思考未來資訊平台的管理方向，包含GC物料的管理系統等等。雖然要走到真正的雲端尚有一段長遠的路要努力，但我們可以先將雲端的基礎概念如混和雲、多雲與關鍵技術如虛擬化逐步引進，進而應用在廠務系統上，為未來雲端化就一些準備與規劃。不可諱言地，未來雲端運算將會變成類似水、電公共設施，對大眾而言是一種唾手可得的資源，希望能藉由本文，帶給大家一些啟發。