晶圓廠調(diào)度如今非常復(fù)雜，迫切需要下一代智能軟件

來源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志

作者：Jamie Potter, FLEXCITON公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官昊，弗吉尼亞理工大學(xué)

對于整個晶圓廠所有工作的安排和調(diào)度而言，可以使用的方法確實是數(shù)不勝數(shù)，因此，從中找到最佳的方法是一項巨大的挑戰(zhàn)。這是一個多維問題，目前的啟發(fā)式調(diào)度軟件完全無法處理。Flexciton公司開發(fā)的一種解決調(diào)度復(fù)雜性的新方法，已經(jīng)在半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)生了重大影響。

全球性的大趨勢，如自動駕駛汽車、人工智能（AI）和高性能計算等，正在推動技術(shù)進(jìn)步，以及對更復(fù)雜芯片和更小工藝節(jié)點的需求。因此，晶圓制備過程變得更加精細(xì)復(fù)雜，某些類型的產(chǎn)品要求晶圓經(jīng)歷數(shù)千個工藝步驟，制造周期長達(dá)數(shù)月之久。除了復(fù)雜性的挑戰(zhàn)之外，人們還期望晶圓制備變得更加可持續(xù)和節(jié)能，同時提高生產(chǎn)率，并保持低的每片晶圓成本。

生產(chǎn)過程的復(fù)雜程度預(yù)計只會增加，除非晶圓廠采用新的方法來簡化和精簡管理，否則面臨的挑戰(zhàn)將變得勢不可擋。芯片公司必須通過解決其產(chǎn)品的復(fù)雜性問題來提高業(yè)績和產(chǎn)出。目前，晶圓廠應(yīng)對復(fù)雜性的常見方法是將一個大問題分解成多個較小的、更易于管理的問題，并指派特定的團隊來解決每項挑戰(zhàn)。原則上說，這種方法似乎是正確的，然而，在實踐中它有著明顯的缺點。晶圓廠內(nèi)的不同團隊往往具有不同的優(yōu)先事項和關(guān)鍵績效指標(biāo)（KPI），這導(dǎo)致他們的工作缺少關(guān)聯(lián)，相互孤立。當(dāng)各個團隊努力使自己的KPI最大化時，就會出現(xiàn)沖突，因為某個方面工作的KPI與另一個方面工作的KPI可能是對立的，這樣就會對晶圓廠的總體目標(biāo)產(chǎn)生負(fù)面影響。

例如，工藝工程師優(yōu)先考慮的是良率，工業(yè)工程師專注的是減少周期時間和提高產(chǎn)量，而制造操作人員尋求的則是每天移動次數(shù)的最大化。舉個例子，良率最大化的目標(biāo)可能會阻礙產(chǎn)量的增加。相反，如果通過更改配方來提高良率，則會影響產(chǎn)量和周期時間，特別是當(dāng)這些變更需要隨著時間的推移進(jìn)行優(yōu)化時。

01運用調(diào)度來克服復(fù)雜性

我們來更深入地探討一下復(fù)雜性的問題，尤其它是怎樣影響晶圓生產(chǎn)的調(diào)度的。這個過程包括不同的階段，比如：計量、光刻、擴散爐、外延等等，每個階段都有自己獨特的一套準(zhǔn)則和工具。最常見的調(diào)度方法是利用基于規(guī)則的軟件，此類軟件規(guī)定了晶圓加工的順序。

然而，每個區(qū)域的規(guī)則數(shù)量太多，可能會讓人不知所措，工業(yè)工程師常常依靠簡化和走捷徑的辦法來管理和控制每個階段的參數(shù)。此外，這些“捷徑”可能會導(dǎo)致計劃調(diào)度人員做出次優(yōu)決定，因而對性能產(chǎn)生負(fù)面影響。這種方法的另一個問題是，它需要熟練的工業(yè)工程師提供大量的手工輸入來編寫和維護規(guī)則，以試圖與晶圓廠的動態(tài)特性保持同步。在全面運轉(zhuǎn)的晶圓廠中，情況是不斷變化的，這就需要持續(xù)的人為干預(yù)，以確保主動監(jiān)控和更新調(diào)度規(guī)則。這是很有必要的，旨在適應(yīng)可能發(fā)生的任何變化，并在增添新工具、配方或產(chǎn)品組合的情況下創(chuàng)建新的規(guī)則。隨著芯片復(fù)雜性的增加，其生產(chǎn)的復(fù)雜性也是水漲船高，因此有必要對規(guī)則集進(jìn)行頻繁的更新和補充。

△圖1：基于規(guī)則的調(diào)度要求采取主動且耗時的規(guī)則維護，以保持性能。

如圖1所示，這些不斷的變化對基于規(guī)則的調(diào)度的執(zhí)行造成影響。雖然有些時候它能做出正確的決定，但是，由于缺乏智能算法，所以它在另一些場合則可能做出并非最優(yōu)的決定。為了保持規(guī)則的執(zhí)行效能，它確實需要主動的規(guī)則維護，以及專職工業(yè)工程資源來負(fù)責(zé)此項工作。目前這本身就是一個問題。該行業(yè)正在遭受熟練勞動力短缺的困擾，而且工業(yè)工程師的需求量尤其大。晶圓廠通常建在偏遠(yuǎn)地區(qū)，事實證明，要想吸引新一代的工業(yè)工程師（IE）到那里工作，顯然是一大難題。如果對基于規(guī)則的調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)的工作占用了這些工業(yè)工程師大量的能力，我們只會讓這一挑戰(zhàn)變得更加棘手。

02更聰明（而不是更費力）地工作

我們?nèi)绾尾拍苡行У毓芾砩a(chǎn)復(fù)雜性而不損害其蘊藏的潛力？試圖簡化數(shù)據(jù)并不是解決方案，因為正是其復(fù)雜性使之成為一種強大的工具。相反，通過全面采用智能制造技術(shù)，使我們能夠充分利用豐富的數(shù)據(jù)，從而可以更完整、更準(zhǔn)確地了解晶圓廠的運作情況。工作重點應(yīng)該是精簡工藝流程，而不是簡化數(shù)據(jù)。

03Flexciton軟件是怎樣工作的？

對于整個晶圓廠所有工作的安排調(diào)度而言，可以使用的方法確實是數(shù)不勝數(shù)，因此，從中找到最佳的方法是一項巨大的挑戰(zhàn)。這是一個多維問題，目前的啟發(fā)式調(diào)度軟件完全無法處理。

Flexciton的下一代調(diào)度軟件是目前市場上唯一能夠化解這個問題的解決方案。它將強大的數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)與智能分解技術(shù)相結(jié)合，以找出具有完全自主性的解決方案。這種先進(jìn)的智能軟件能夠在短短幾分鐘內(nèi)生成優(yōu)化的生產(chǎn)計劃，運用的方法是將數(shù)十億種方案仔細(xì)搜尋一遍，專注于研究可以實現(xiàn)整體關(guān)鍵績效指標(biāo)的最佳可行方案。這種重復(fù)、迭代的過程確保它不斷地更新計劃時間表，以顧及到晶圓廠環(huán)境條件或商業(yè)目標(biāo)的任何變化（圖2）。

△圖2：與傳統(tǒng)的基于規(guī)則的軟件相比，F(xiàn)lexciton的軟件能夠以更大的自主性保持最佳性能。

重要的是，該軟件不需要熟練的工業(yè)工程師來創(chuàng)建一套初始規(guī)則，也不需要總是在修改或創(chuàng)建新的規(guī)則。這種智能軟件一直在學(xué)習(xí)如何優(yōu)化晶圓廠的運行，以滿足既定的關(guān)鍵績效指標(biāo)。如果目標(biāo)發(fā)生改變，那么它就在無數(shù)可能的方案中尋找符合新目標(biāo)的方案，這就是為什么它不需要任何規(guī)則來給予指導(dǎo)的原因。這使得它成為第一個、也是唯一一個以目標(biāo)為中心的自適應(yīng)調(diào)度解決方案。

04希捷（Seagate）公司案例研究

光刻區(qū)有一個很長且高度可重入的工藝過程，包含1600個步驟，是晶圓廠的核心，所以擁有優(yōu)化的時間表是至關(guān)重要的。下面的結(jié)果來自于實時生產(chǎn)環(huán)境中的一個工具集，它具有一個內(nèi)部光罩庫（reticle library），光罩可以在半導(dǎo)體制造工藝設(shè)備（工具）和光罩盒（cabinet）之間單獨移動。

05瑞薩（Renesas）公司案例研究

在晶圓廠調(diào)度需要處理的事情中，時鐘鏈約束（timelink constraints）是最復(fù)雜的問題之一。它們規(guī)定了晶圓生產(chǎn)工藝步驟之間的最大允許時間。時鐘鏈的正確安排對于幫助實現(xiàn)氧化或污染風(fēng)險的最小化至關(guān)重要。如果晶圓在工具外等待加工的排隊時間過長，就會發(fā)生這種氧化或污染的情況，導(dǎo)致報廢或返工，因而損害利潤率。瑞薩電子（Renesas Electronics）請Flexciton看看它的智能調(diào)度軟件是否能改善其晶圓廠擴散區(qū)中這方面的調(diào)度。

造成時鐘鏈約束非常難以安排的原因是其相互依存性。例如，通過從步驟1移至步驟2，晶圓進(jìn)入了第一個時鐘鏈。當(dāng)離開步驟2時，晶圓進(jìn)入第二個時鐘鏈，該時鐘鏈一直持續(xù)到步驟4。然而，在步驟3和步驟4之間也可以有第三個時鐘鏈約束（稱為嵌套時鐘鏈），它與第二個時鐘鏈約束重疊（見圖4）。因此，步驟3的安排必須允許步驟2和步驟3的時鐘鏈約束均得到遵守。討論的這個例子只是針對幾個步驟，但實際上，可能有數(shù)百個步驟和許多重疊的時間約束，需要持續(xù)不斷地予以考慮。這就制造了晶圓廠中最復(fù)雜的調(diào)度問題之一，任何違反時鐘鏈的行為都會對財務(wù)產(chǎn)生負(fù)面影響。

△圖4：本圖給出了4個連續(xù)步驟之間的時鐘鏈系統(tǒng)示例。重疊的時鐘鏈意味著在完成步驟3之后，該批次開始一個新的時鐘鏈(timelink3)，同時仍然過渡到現(xiàn)有的時鐘鏈(timelink2)。

該軟件在一種模擬環(huán)境中運行，復(fù)制Flexciton的調(diào)度器在瑞薩晶圓廠現(xiàn)場運行的方式。結(jié)果顯示，在減少時鐘鏈違例方面取得了顯著的改善，可以實現(xiàn)29%的降幅。額外的改進(jìn)將可能是批次數(shù)量減少22%，排隊時間縮短11%，盡管這兩項關(guān)鍵績效指標(biāo)是存在沖突的（見圖5）。這是因為減少批次的數(shù)量自然意味著增加每批次中的晶圓數(shù)量，但這就導(dǎo)致每個批次的排隊時間增多，因為操作人員需要等待新的晶圓到達(dá)加工工具，然后才能一起處理它們。目前，大多數(shù)晶圓廠在生產(chǎn)過程中對未來批次的到達(dá)時間都無法提前知曉，因此操作人員有時會為了實現(xiàn)批量規(guī)模的最大化而沒有必要地等待，從而導(dǎo)致排隊的晶圓數(shù)量增多，并損害生產(chǎn)率。獨特的是，F(xiàn)lexciton調(diào)度器能夠看到批次是如何及時移動的，因此可以優(yōu)化批次數(shù)量與排隊時間之間的平衡，從而在這些相互沖突的關(guān)鍵績效指標(biāo)上獲得可觀的改善。

△圖5：對照Renesas Electronics的基線結(jié)果，在時鐘鏈違規(guī)、批次數(shù)量和排隊時間方面取得的KPI改進(jìn)。

06案例研究：歐盟（EU）的一家晶圓廠

由于面對復(fù)雜的時鐘鏈約束，因此這家晶圓廠竭力提高潔凈區(qū)和熔爐的效率。采用一種類似的模擬環(huán)境離線方法來運行Flexciton的調(diào)度軟件?？蛻魧@款軟件的印象非常深刻，目前已經(jīng)在該晶圓廠進(jìn)行了實地部署。

Flexciton公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Jamie Potter解釋說：“我們的方法有一個關(guān)鍵的與眾不同之處，就是我們的軟件能夠根據(jù)晶圓廠（或晶圓廠中的在制品）的當(dāng)前狀態(tài)來預(yù)測未來可能發(fā)生的事情。它在許許多多可能的解決方案中尋找最佳的解決方案，不斷尋找滿足KPI的最佳時間表，以最大限度地提高晶圓廠的生產(chǎn)率和利潤率。人類和啟發(fā)式算法完全做不到這一點。”

審核編輯 黃宇