Factories Are Becoming Innovation Platforms

Heavy industry with its rigid processes has a reputation of being an antithesis of dynamic startup world. People think that a factory does not exactly perform agile pilots but stays the course dictated by its huge investments. This image is somewhat outdated.

Factories are becoming innovation platforms where several stakeholders can develop and try out new things. One central enabler for these activities is the Internet of Things (IoT). Furthermore, wireless networks, augmented reality, big data, or even artificial intelligence can create significant added value in a factory setting. Bringing these technologies to factories in an agile fashion is very attractive for startups.

Cooperation between heavy industry and startups requires planning and facilitation. A large corporation operates differently than a small company of two or three people, there’s no denying of that. Investment capabilities are on a completely other level, planning cycles differ, as do the capabilities for pivots. The most important thing to address is whether the factory and the startup both can identify enough business potential in their cooperation.

It is crucial to reach a situation where the risks and the benefits of cooperation are in a good balance for all participants. This way the “factory – IoT company mismatch” can be avoided. Together the consortium can pinpoint the grand challenges and go about solving them together. This is a three-step process:

  1. Scale-in: identifying the grand challenges and solving them with new technologies and pilots
  2. Scale-up: expanding the pilot results and new operating models throughout the factory
  3. Scale-out: exporting the new processes and operating models to other factories in Finland and abroad

It is not free to set up this kind of a program. A common goal is necessary but not enough; funding and risk-taking is also needed. To get things rolling, funding for pilots and business model development is a must.

Running a program like this in one factory costs roughly a million euros annually. This lump sum includes factory’s own projects, project coordination, and research modules supporting the projects. Part of the investment comes from the factory itself, part from public funding institutions like Tekes. Coordination and research is carried out by VTT and universities.

If planned and constructed well, an ecosystem as described above would create a virtuous cycle: startups expand their operations and get important references, factories obtain new innovations and operating models, and research institutions have an environment for validating their technologies. Finally, Finland will have new business to export.

Read more at: www.vttresearch.com/services/smart-industry

Marko Jurvansuu

 

Marko Jurvansuu
Principal Scientist, VTT
marko.jurvansuu(a)vtt.fi

Tehtaista tulee kasvualustoja innovaatioille

Raskas teollisuus jähmeine prosesseineen on perinteisesti nähty dynaamisen startup-maailman vastakohtana. Ajatellaan, että tehdas ei juuri ketterästi pivotoi vaan pysyy miljoonainvestointiensa mukaisessa kurssissa. Tämä mielikuva on monelta osin vanhanaikainen.

Tehtaista on nimittäin yhä enemmän tulossa innovaatioiden hautomoja ja alustoja, joissa useat toimijat voivat yhdessä kehittää ja testata uutta. Eräs keskeinen mahdollistaja tälle toiminnalle on esineiden internet (engl. Internet of Things, IoT). Lisäksi kuluttajamarkkinasta tutut teknologiat kuten langattomuus, lisätty todellisuus, datan käsittely tai jopa tekoäly, voivat luoda suuren lisäarvon tehdasympäristössä. Näiden teknologioiden nopea soveltaminen tehtaaseen sopisi hyvin startup-yrityksille.

Raskaan teollisuuden ja startup-yritysten yhteispeli tarvitsee kuitenkin suunnittelua ja fasilitointia. Korporaation toiminta on monessa mielessä hyvin erilaista kuin muutaman kaverin nyrkkipajan, tätä on turha kieltää. Investointikyky on aivan eri suuruusluokkaa, toimintaa suunnitellaan erilaisissa sykleissä ja herkkyys suunnanmuutoksille vaihtelee kuin yö ja päivä. Tärkein kysymys lieneekin se, näkevätkö tehdas ja startup tässä kannattavaa liiketoimintaa puolin ja toisin.

On tärkeää saavuttaa tilanne, jossa liiketoimintariskit ja –potentiaali ovat kaikkien osapuolten kannalta tasapainossa. Tällä tavalla voidaan välttää tehtaan ja IoT-startupin yhteensopimattomuus. Yhdessä konsortio voi tunnistaa keskeisimmät haasteet ja lähteä ratkomaan niitä. Ratkominen tapahtuu kolmivaiheisesti:

  1. Sisäänajo: tärkeimpien haasteiden tunnistaminen ja niiden ratkominen uuden teknologian kokeiluilla ja piloteilla.
  2. Jalkautus: pilotin tulosten ja toimintatapojen laajentaminen koko tehtaaseen.
  3. Monistus: tehtaan uusien prosessien ja toimintamallien laajentaminen muihin tehtaisiin Suomessa ja ulkomailla.

Edellä kuvatun toiminnan pystyttäminen ja pyörittäminen ei ole ilmaista. Yhteinen tahtotila ei yksinään riitä, lisäksi tarvitaan rahoitusta ja riskinottokykyä. Jotta päästään liikkeelle, tarvitaan rahoitusta kokeiluille ja liiketoimintamallien kehittämiselle.

Karkeasti voidaan arvioida, yhtä tehdasta koskevan ohjelman pyörittäminen kustantaisi noin miljoona euroa vuosittain. Tämä summa pitää sisällään tehtaan omat projektit, yhteistyön muiden tehtaiden kanssa, projektikoordinaation ja tehtaiden projekteja tukevat tutkimusmodulit. Investoinnista osa tulee tehtaalta itseltään, osa on tarkoitus toteuttaa julkisella rahoituksella, esimerkiksi Tekesin avulla. Koordinoinnin ja tutkimustoiminnan suorittavat VTT ja yliopistot.

Hyvin toteutettuna ekosysteemi ruokkii itseään ja toiminnasta hyötyvät kaikki tahot: startup-yritykset pystyvät laajentamaan toimintaansa ja hankkimaan tärkeitä referenssejä, tehtaat saavat uusia innovaatioita ja toimintamalleja, tutkimustahot ympäristön validoida teknologioitaan ja lopulta Suomi uutta vientikelpoista liiketoimintaa.

Lue lisää: www.vttresearch.com/services/smart-industry/

Marko Jurvansuu

 

Marko Jurvansuu
Principal Scientist, VTT
marko.jurvansuu(a)vtt.fi

Etätodennus lisää luottamusta kriittisiin infrastruktuureihin

Kun keräät esimerkiksi lämpötilamittauksia esineiden internetistä (engl. Internet of Things, IoT), haluat olla varma siitä että kyseiset mittaukset ovat tuoreita. Lisäksi niiden tulee olla lähtöisin kalibroiduista ja peukaloimattomista sensoreista. Sensorien eheyden varmistaminen muodostuu entistä tärkeämmäksi IoT-laitteita vastaan suunnattujen hyökkäysten yleistyessä. IoT-laitteita myös hyödynnetään bottiverkkojen solmuina, kuten kävi Mirai-tapauksessa. Etätodennus (engl. remote attestation) on mekanismi systeemin sisäisen tilan mittaamiseen. Se raportoi tuoreen tilatiedon etävarmentajalle eheyden todentamiseksi.

Koko yhteiskunta on tulossa entistä riippuvaisemmaksi erilaisista hajautetuista järjestelmistä. Etätodennusta voidaan soveltaa kriittisten infrastruktuurien eheyden suojaamiseksi. Mitä kriittisempi järjestelmä, sitä tärkeämpää etätodennus on. Esimerkiksi energiantuotanto ja –jakelu, maksujärjestelmät sekä sotilaalliset verkostot ovat erittäin kriittisiä ja asianmukaisten todennusjärjestelmien tulisi olla kunnossa. Tällaisten hajautettujen järjestelmien laitteet voivat sijaita laajalla maantieteellisellä alueella, jolloin niitä tulee suojata hyökkäyksiltä sekä verkosta, että fyysisestä maailmasta. Tämä ei aina ole helppoa.

Sovelluksia ja teknologioita

Etätodennusta käytetään tyypillisesti lisätarkistuksena ennen pääsyä tarjottavaan palveluun. Esimerkiksi yritykset voivat pakottaa kannettavan tietokoneen vastaanottamaan ohjelmistopäivityksiä karanteeniverkossa ennen päästämistä ensisijaiseen langattomaan verkkoonsa. Pilvipalveluissa voi hyödyntää etätodennusta todistamaan, että virtuaalikone on asennettu asianmukaisesti ja luottamuksellisia laskentatehtäviä ajetaan asiaan tarkoitetulla erityisalueella (engl. enclave). Lisäksi etätodennusta voi käyttää kuten virus­skannausta verkon laitteiden eheyden tarkastamiseen. Kaikki nämä rutiinit luovat turvallisempia toimintaympäristöjä.

Tyypillisiä todennusmekanismeja, -protokollia ja -arkkitehtuureja ovat esimerkiksi:

  • Eristetyt ajonaikaiset ympäristöt mittausten turvaamiseksi ja allekirjoitetun eheysraportin tarjoamiseksi, kuten Trusted Platform Module (TPM), Intel Software Guard Extensions (SGX) ja ARM TrustZone
  • Mittausmekanismit – käynnistysvaihe ja käyttäjätila, kuten Integrity Measurement Architecture (IMA)
  • Etätodennusprotokolla, kuten Open Cloud Integrity Technology (OpenCIT)

Ongelmia ja rajoituksia

Kuten mikään paradigma, etätodennuskaan ei ole täydellinen ratkaisu. Sillä on omat haasteensa kuten ajantasaiset valkoiset listat. Listojen ylläpitäminen on mahdollista sulautetuissa järjestelmissä kuten IoT-laitteissa, jotka on suunniteltu toteuttamaan vain rajallisen määrän tehtäviä. Täysveristen tietokoneiden tapauksessa puolestaan valkoisten listojen ylläpitäminen tulee erittäin haastavaksi, koska asennettuja ohjelmistoja ja ohjelmistopäivityksiä on paljon.

Toinen haittapuoli etätodennuksessa on keskittyminen pääasiassa suoritettaviin tiedostoihin niiden latausvaiheessa. Etätodennus ei auta enää hyökkäyksissä, jotka hyödyntävät ajonaikaisia haavoittuvuuksia kuten puskurin ylivuotovirheitä. Onneksi hyökkääjät kuitenkin jättävät haittaohjelmia asennellessaan jälkiä ja etätodennusmenetelmillä niitä voidaan myöhemmin seurata.

VTT_Cybersecurity

Kuva 1. Etätodennusprotokolla välittää eheysvarmistetut mittaustiedot verifioijalle.

Lopuksi

Etätodennusta voidaan hyödyntää verkon laitteiden eheyden varmistamiseksi. Sitä tulisi soveltaa verkoissa, jotka tarvitsevat normaalia parempaa tietoturvaa, erityisesti kriittisissä infrastruktuureissa.

Lataa ilmainen raporttimme kyberturvallisuudesta ja opi turvaamaan oma organisaatiosi ja varautumaan tietoturvaongelmia vastaan.

MarkkuKylanpaa

 

Markku Kylänpää
Senior Scientist, VTT
markku.kylanpaa(a)vtt.fi

 

Lisätietoja

Lee-Thorp A., “Attestation in Trusted Computing: Challenges and Potential Solutions”, Royal Holloway Series, http://cdn.ttgtmedia.com/searchSecurityUK/downloads/RHUL_Thorp_­v2­.­pdf .

Kylänpää M., Rantala A., “Remote Attestation for Embedded Systems”, In: Security of Industrial Control Systems and Cyber Physical Systems. CyberICS

Special competence in electronics is Finland’s ace in the hole

Finland has several things to be proud of. In addition to the clean nature, high-quality education, health care and many other oft-mentioned things, we should bring up our world-class research. The ecosystem formed by VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, universities, Tekes – the Finnish Funding Agency for Innovation, the Academy of Finland and companies produces innovations for different industries.

Finland possesses top-grade special competencies, for example in the fields of sensor and measurement technology, microelectronics and their integration, printed electronics and health technology. By grasping the new opportunities of electronics, we can develop IoT products, digitalise traditional industries and create new business and jobs in Finland.

The Internet of Things will explode the demand for sensors and electronics research

Over the last couple of years, the industrial Internet has been on the rise in Finnish and global industry. The Internet of Things (IoT) will connect increasingly varied devices to the Internet and bring automation to a whole new level. The first autonomous cars and ships, as well as care robots, are currently being introduced. In order to become a reality, a majority of the visions requires a significant number of sensors, and electronics integrated into the devices.

The need for electronics-based research and innovation is emphasised, and that is something we Finns excel at. Finland does not compete in the mass production of semiconductor electronics, or in consumer electronics, but once we start talking about sensors requiring special know-how, and their materials, manufacturing processes and applications, we are a world leader.

Analysis of foodstuffs at one hundredth of the price

VTT is strongly involved in applied research in the electronics industry. We have developed, for example, a Fabry-Perot interferometer that can be used to measure, e.g. air pollutants, foodstuffs or, let us say, the condition of the atmosphere from the space in a wholly unique way. Since then, Spectral Engines Oy has commercialised microspectrometer technology based on the Fabry-Perot interferometer that allows the implementation of a spectrometer suitable for analytics at one tenth to one hundredth of the price.

Spectral Engines recently won the main prize, EUR 800,000, in the Food Scanner competition arranged by the EU. The awarded concept combines an infrared spectrum identification module, advanced algorithms, a cloud service and a materials library that allow the user to measure, for example, the main components and total energy of foodstuffs.

Printed electronics are on the rise

In the early 2000s, VTT began research in printed electronics and also made a significant investment in pilot production lines. The risk paid off and today, when it is time to apply printed electronics and build new products and business on the foundation laid down by the research, we are a global frontrunner. The electronics meld into the surfaces of the products and follow their three-dimensional shapes. Organic solar cells or interior lighting can be a part of building architecture or the interior design of cars.

We recently introduced a display element laminated into the windscreen of a bus with Pilkington. Printed electronics are deeply integrated into traditional products, giving them added value. We must not squander this opportunity and headway and allow other countries to reap the benefits!

Rapid diagnoses on the spot

VTT possesses the ability to combine know-how in medical science, chemistry, printing technology and measurement technology into new and competitive products. One interesting application area for printed electronics can be found in the health care sector. The so-called ‘point-of-care diagnostics’ means making diagnoses on the spot instead of in laboratory conditions as in the traditional method. Disposable rapid diagnoses utilising printed electronics save both time and money.

The products are cheap and look simple, but when you start to consider how a sample of one thousandth of a milligram is managed, and how a specific illness or, for example, the blood alcohol content is reliably indicated, a clear role for research and competence becomes evident. For example: Promilless is a consumer product that costs a couple of euros and allows an uncertain driver to test their driving condition with a saliva test. The test is simple for the user, but it is based on years of research.

Need for an electronics research programme

There is a significant number of growth-oriented start-ups utilising electronics, photonics and printed electronics technologies in Finland, boosted by the Printocent company cluster, for example. They create export products, profitable business and jobs – which Finland needs.

Although innovating in electronics and measurement technology continues apace, there exists a need for a growth-oriented research programme that would bring together the resources of entire Finland. Public funding of electronics research has decreased radically, and the latest Tekes programme in this sector was ELMO that ended in 2005.

The goal of the programme jointly implemented by the actors in the sector should be the creation of new products and production in Finland. Manufacturing capability is fundamentally connected to the industrialisation of printed electronics, for example. Let us digitalise Finland and the traditional industries with electronics!

Jussi Paakkari VTT

Jussi Paakkari
Vice President, Sensing and integration

T&K-kumppani voi olla myös hyvä IoT-antureiden tuotantokumppani

”Miljardi anturia, miljoona sovellusta ja pirstaloituneet markkinat”

Pitkälle verkottuneessa esineiden internetin (IoT) maailmassa on helppo kuvitella, kuinka miljoonat anturit keräävät suuria määriä dataa, jonka avulla muodostetaan uutta tietoa. Tämä muokkaa sitä, miten elämme älykkäissä kodeissamme tai matkustamme itseohjautuvissa autoissamme. Ei ole todellakaan pulaa markkinatutkimuksista, jotka ennustavat anturien markkinoiden huomattavaa kasvua. Tämä puolestaan on synnyttänyt runsaasti keskustelua siitä, kuinka valtavia anturimääriä voisi valmistaa taloudellisesti ja tulisiko tätä tarvetta varten kehittää uusia tuotantoteknologioita, kuten rullalta rullalle -painamista.

Vaikka joitain sovelluksia varten varmasti tarvitaankin suuria määriä antureita, tilanne on varsin erilainen, kun markkinaennusteita tarkastellaan lähemmin. Ne kertovat enemmänkin suuresta pirstaloitumisesta, sillä sekä itse markkinat että niillä olevat sovellukset ovat valtavan moninaisia. Elektronisten antureiden markkinapotentiaali koostuu pohjimmiltaan tuhansista markkinaraoista, joiden vuosivolyymit voivat vaihdella sadoista tuhansiin antureihin. Sellaiset sovellukset, joissa tarvittaisiin miljoonia tai miljardeja täysin samantyyppisiä antureita, ovat hyvin harvassa.

Miksi tällä on merkitystä?

Nykyiset puolijohteiden prosessointi- ja pakkaustekniikat pystyvät enimmäkseen täyttämään uusien antureiden kysynnän, ja itse asiassa monia sovelluksia varten kiekkoja tarvitaan varsin vähän. Jos otetaan esimerkiksi tyypillinen 150 mm kiekko, jossa anturin koko on 4 mm2, yhdessä 25 kiekon erässä pystytään tuottamaan lähes 90 000 anturia (olettaen, että saanto on 80 %). Määrä on riittävä tyydyttämään useammankin yrityksen vuotuiset tarpeet. Useimpia sopimusvalmistajia näin alhaiset kiekkomäärät eivät edes kiinnosta. Lisäksi varsinaiset tuotantokustannukset kutistuvat sen rinnalla, mitä anturin kehittämisen vaatima t&k-työ sekä mahdollinen teknologiansiirto uuteen tuotantolaitokseen maksavat.

Wafers

Anturin kehitystyö vs. tuotantokustannukset

Uusien MEMS-, mikro- tai nanoelektronisten anturien kehitysprosessi voi olla varsin kallis. Anturin monimutkaisuudesta ja teknologia-alustan kypsyydestä riippuen kehityskustannukset voivat nousta miljooniin euroihin ja työ voi viedä kaksi vuotta tai kauemmin. Vaikka jotkin yritykset tekevät kaiken kehitystyön itse, useat tekevät yhteistyötä t&k-organisaatioiden kanssa. Näin ne voivat hyödyntää julkista rahoitusta ja kansallista infrastruktuuria kehittääkseen teknologia-alustan sellaiseksi, että on mahdollista tehdä useita yksittäisiä tuotteita.

Havainnollistetaan asiaa VTT:n esimerkin avulla: hyperspektrisen MEMS-anturin tuotantoalustan kolme vuotta kestänyt kehitystyö on voinut maksaa 5 miljoonaa euroa, ja kuitenkin yhden 25 kiekon erän valmistus tiettyä sovellusta varten saattaa maksaa 50 000–100 000 euroa ja tuottaa yli 50 000 anturia. Jos kyseiset anturit sitten integroidaan laitteeseen, jota myydään 1 000 euron kappalehintaan, 50 miljoonan euron liiketoiminnan ylläpitämiseksi riittää varsin pieni kiekkojen tuotantovolyymi.

Traditional cost model

Vallitsevana logiikkana on ollut viedä kehitetty prosessi mukanaan ja siirtää se tuotantolaitokseen, mutta onko siinä aina järkeä? MEMS-antureiden tuotantoprosessit ovat surullisenkuuluisia siitä, että niissä prosessinkulku, sovellettu resepti ja kehityksessä käytetty laitteisto ovat erittäin yksilöllisiä. Tällöin teknologiansiirtohankkeeseen ryhtyminen voi olla kallista ja aikaa vievää. Jos tuotantovolyymit ovat tämän jälkeen pieniä, ei ole taloudellisesti järkevää kehittää prosessia uudelleen uutta tuotantolaitosta varten, sillä kyseiset kustannukset voivat helposti ylittää käynnissä olevan pienvalmistuksen kulut.

Paljon antureita, mutta vain vähän kiekkoja – käytä t&k-kumppanin tuotantopalvelua

Kun jatkuva tuotannontarve on suhteellisen pieni (<1 000 kiekkoa vuodessa), kannattaa harkita t&k-kumppanin ottamista ensi- tai toissijaiseksi antureiden valmistajaksi. Se tarjoaa suoran tien tuotannon aloittamiseen sekä merkittäviä etuja. Se, että pystyy välttämään kalliin ja mahdollisesti riskialttiin teknologiansiirtohankkeen, kompensoi todennäköisesti minkä tahansa komponenttituotannossa saavutettavan hintaedun, jonka siirtyminen puhtaasti tuotantolaitokseen saattaisi tarjota.

New cost model

Näin pystytään myös nopeuttamaan markkinoillepääsyä useilla kuukausilla, mikä voi olla erityisen hyödyllistä pk-yrityksille, joille kassavirta on ratkaisevan tärkeä ja ajan tuhlaaminen tarkoittaa tulonmenetystä. On myös syytä huomata, että vaikka anturi onkin se tärkein osatekijä useissa järjestelmissä, tuotteen arvo syntyy useimmiten järjestelmä-/palvelumallitasolla ja itse anturin osuus koko järjestelmän kustannuksista on suhteellisen pieni. Miksi ryhtyä riskialttiiseen teknologiansiirtoon laskeakseen 10 euron anturin tuotantokustannuksia 3 eurolla, kun koko järjestelmää myydään 300 tai peräti 3000 eurolla?

Key question

Liiketoimintastrategian näkökulmasta on tärkeää kysyä, riittääkö tuleva marginaalikustannussäästö, joka tuotantolaitoksessa tapahtuvan valmistuksen avulla saavutetaan, korvaamaan kaikki ne kulut, jotka tuotannon viivästyminen, riskitekijät ja teknologiansiirron kustannukset aiheuttavat? Jokaisella teknologiansiirrolla tulisi olla vahvat taloudelliset perusteet, jotka mitataan odotetun valmistusajan ja järjestelmän kokonaiskustannusten kautta.

Saumaton tie t&k-vaiheesta sarjatuotantoon

Erinäiset tutkimus- ja teknologiaorganisaatiot, kuten VTT, tarjoavat tuotantopalveluita, sillä se on hyvä tapa hyödyntää kalliita tuotantojärjestelmiä ja varmistaa näin taloudellinen kestävyys ja tulevat investoinnit. Voi olla hyödyllistä, että myös tuotteen kehittäneet tutkijat ovat helposti saatavilla ratkaisemaan mahdollisia tuotannon aikana ilmeneviä ongelmia. Tästä huolimatta tiettyjä karikoita on syytä vältellä (erityisesti puhtaasti t&k-toimintaan suunnattuja toimintatapoja ja laadunvalvontamenetelmiä), ja tulisi aina varmistaa, että t&k-kumppanilla on sellainen organisaatio, joka hoitaa tuotantotoiminnan ammattimaisella tavalla, jotta taataan sekä prosessinhallinta että toistettavuus.

Mikäli t&k-kumppanisi pystyy tarjoamaan tarvittavat toimintavalmiudet ja laatusertifikaatit, se voisi olla myös uskottava tuotevalmistajasi, joka tarjoaa antureille saumattoman reitin t&k-vaiheesta sarjatuotantoon.

Howard Rupprecht VTT

Howard Rupprect
Vice President, Micronova manufacturing services

IoT sensors – why your R&D partner could also be your ideal manufacturing partner

‘A trillion sensors, a million applications and a fragmented market ’

In a hyper-connected IoT world it is not hard to imagine a trillion sensors collecting rich amounts of data that will provide new insights that will shape the way we live in our intelligent homes or commute in our self-driving cars. There is certainly no shortage of market research predicting healthy growth in the market for such sensors. This has led to much discussion about how to economically manufacture large volumes of sensors and the potential need for new manufacturing technologies, such as roll-to-roll printing, to meet these needs.

While there will undoubtedly be a need for high volumes in some applications, a closer look at the market predictions tells a different story – one of deep fragmentation where there is tremendous diversity in both markets and applications within those markets. Essentially the opportunities for electronic sensors comprises of thousands of niches where annual volumes can range from hundreds to thousands of sensors – with very few applications with requirements for millions or billions of sensors of the exact same type.

Why does this matter?

What this means is that the demand for new sensors can be mostly satisfied by existing semiconductor processing & packaging techniques and in many application cases, the volume of wafers required will actually be quite low. If we take a typical 150mm wafer with a sensing element that is 4mm2, a single batch of 25 wafers can produce close to 90,000 sensors (assuming an 80% yield) – enough to satisfy the annual needs of many companies. Such low wafer volumes are not interesting to most contract manufacturers and the actual production cost is dwarfed by cost of R&D to develop the sensor and to potentially transfer the technology to a new facility.

Wafers

Sensor development versus manufacturing costs

The process of developing new MEMS, micro or nano-electronic sensor elements can be an expensive business. Depending on the complexity of the sensor and the maturity of the technology platform, development costs can run into millions of euros and take upwards of 2 years. While some companies do all of the work in-house, many others partner with R&D organizations, leveraging public funding and national infrastructure to develop the technology platform to a level of maturity where realization of multiple individual products is viable.

To use an example from VTT, a hyperspectral MEMS sensor manufacturing platform may have cost €5M to develop over 3 years yet a single batch of 25 wafers for a specific application might cost between €50 & €100k to manufacture and could yield upwards of 50,000 sensors. If these sensors are subsequently integrated into an instrument that sells for €1,000 per unit, then a €50M business is enabled and sustained from a very low wafer manufacturing volume.

Traditional cost model

Historically, the prevailing logic has been to take the developed process and then transfer to a production facility but does this always make sense? Manufacturing processes for MEMS sensors are notoriously specific to the process flows, recipes and equipment on which they were developed and undertaking a technology transfer project to a new facility can be expensive and time consuming. If the subsequent volumes are low, it does not make economic sense to redevelop processes for a new facility as these costs may well exceed the ongoing low-volume manufacturing costs.

Many sensors but few wafers – Manufacture in an R&D Fab

When ongoing production needs are relatively low (<1000 wafers per year) it’s worth considering your R&D partner as a primary or secondary production source for sensor elements. In fact it offers you a direct path to production with some major benefits. Being able to save on conducting an expensive and potentially risky technology transfer project will likely offset any component price benefit gained by moving to a pure production fab.

New cost model

In an increasingly fast moving world, it is also possible to accelerate time-to-market by many months which can be especially beneficial to SMEs where cash flow is critical and lost time is lost revenue. It’s also worth noting that while the sensor element is the key enabler of many systems, the product value tends to be created at a system / service model level, with the actual sensor being a relatively small part of the overall system cost. Why undertake a risky tech transfer to reduce the cost of a €10 sensor by €3 when the system as a whole sells for €300 or even €3000?

Key question

From a business strategy perspective, the important question to ask is “Does the future marginal cost benefit of manufacturing in a production facility, exceed the combined value of the lost time, risk and cost of a tech transfer project?” Any technology transfer project should have a sound financial justification measured over the expected production timescale and total system costs.

A seamless route from R&D to volume manufacturing

There are a number of RTOs such as VTT that will offer manufacturing services as it’s a good way to better utilize expensive fabrication facilities and ensure financial sustainability and future investments. It can also be useful to have the researchers who developed the product, be readily available to troubleshoot if production issues occur. That said, there are pitfalls to be avoided (particularly operational and quality procedures that are geared purely towards R&D) and you should ensure that your partner has an organization that is managing the fab operations in a professional way to ensure both process capability and repeatability.

By providing the necessary operational competence and quality certifications your R&D partner could be your credible production source – offering you a ‘seamless route from R&D to volume manufacturing’ in sensor production.

Howard Rupprecht VTT

Howard Rupprecht
Vice President, Micronova manufacturing services

Theme energy: The world of IoT comes home

VTT arranged the “Growth from the energy transition” seminar in Helsinki on 13 September 2016. During the event, VTT’s extensive know-how in the energy sector – the related research findings, scenarios and visions – was showcased. Together with our partners, we also pondered the energy revolution and growth prospects in Finland. The seminar themes are explored in more detail in our energy-themed blog series.

A wide range of visions have been presented and produced on the future of energy consumption in homes. One of the most familiar is the idea of the energy-flexible home. In addition, houses can be energy self-sufficient or, where appropriate, even generate energy for others.

The new technologies currently being tried and tested will provide the consumers of the future with the opportunity to consider various new, alternative types of energy production. As an example, let’s take the illustration in the picture of how a home of the future, with printed and energy-sensitive surfaces, might look. The wall surfaces and decorations could be energy-generating, in accordance with the situation. A table cloth, wall decoration, wallpaper or a computer’s surface could generate energy from ambient light. According to this vision, the design of living environments built around incoming light will gain a stronger foothold.

tuikka_futurehome

Future home.

In addition to gathering ambient energy, such a home could be smart and gather information on its surroundings and its own functions, communicating such information to cloud services or other devices. In this case, part of a home or office could be the subject of negotiated flexibility based on an agreed electricity contract, within the limits of the operational possibilities. The flexible use of energy is therefore dependent upon a definition according to the situation in question.

Consumer information and new services

In addition to energy systems, domestic appliances could ‘tell’ other devices about their own situation and ‘converse’ with each other. At the moment, it looks as though a platform economy is forming in which the so-called Internet of Things has a huge number and variety of actors at different levels. All manufacturers of home appliances and consumer electronics, and makers of sauna stoves or electricity meter readers, seem to be reaching out to consumers. Consumer information and its combination with other data appears to be the key to the new services. The impact of flexible energy consumption could be difficult to calculate in the absence of connected-up data. The greatest potential is thought to lie in the change in business models and new business opportunities. A wide range of estimates have also been made on the sums of money that the forthcoming IoT and platforms will involve worldwide.

Despite the great difficulty in estimating these sums, the change can be viewed as an opportunity in general. To ensure business continuity, it is important to identify the elements involved in such change. Legislation and various initiatives, technological transitions and standards will have an impact on activities in the long term.

For example, legislation can be used to define certain data as important to society and to rule that it must be open by law. What would the impact on business activities be if data generated by energy meters was defined as important to society and therefore open? This would avoid a closed system and data could be combined with other data, creating added value. There would undoubtedly be a major impact on business. Such situations are familiar in another context. Services related to payment services, in particular, are changing. The new Payment Services Directive will oblige banks to open up their own databases to third parties. External service vendors will gain access to a bank’s payment transactions. On behalf of customers, service vendors will be able to manage payments mainly online and through mobile channels. In fact, payments concern all services and both banks and other actors are now being consulted on the services to which payments can be connected. It is quite possible that this change will also cover energy solutions.

The role of the consumer is highlighted in the digital society. Consumers are interested in data related to their own activities and are becoming more interested in data and activities defined just for them. Digitalisation brings the service vendor closer to the consumer – the better digital services serve the consumer, the more certain it is that they will be used. Based on an integrated picture of household consumption and production, digital services can increasingly free consumers from vendor dependency. From the consumer’s perspective, the more flexibly and easily services work, the more attractive they are. Easy and clear switching between power supply agreements, comparison of terms and conditions, and integration of financial transactions with other services are already increasing consumer awareness of the alternatives and mobility on the energy markets.

To whom does data belong?

The transition will be based on a range of factors – such as regulations – and their combinations. To whom does data created by the internet, lamps, sauna stoves or televisions in households belong? This subject is so important that the European Commission has drawn attention to the matter by considering the rights to data within business chains. Another similar, but further advanced, regulation is the General Data Protection Regulation or the GDPR, which will define people’s right to their own data when it enters into force in 2018.

Secondly, standards are important when wondering what kinds of data communication layers to create. There are a number of initiatives and VTT is involved in several standards organisations and ventures. Thirdly, the technological revolution is unlikely to happen in isolation, but will require a suitable setting within the business environment. Although block chain technology is a new technical term, the passion surrounding it seems to have spread beyond the IT community. The term becomes more familiar when associated with the concept of virtual money and the word ‘bitcoin’. In this case, the interesting thing is that no single operator has centralised control over the data.  It is said that transparency and decentralization make this approach trustworthy. Examples are merely illustrative right now, but a moment may arrive when an electrical device can securely report energy quantities to a block chain.  The vision could consist of IoT devices making agreements with each other and engaging in regulated commerce in situations involving energy flexibility.

Tuomo Tuikka, Research Manager
Twitter: @tttuomo