仿真技術在流程績效管理中的應用

仿真技術在半導體和集成電路生產流程優(yōu)化中的應用閔春燕(1)王巖峰博士(2)（1.浙江大學應用數學系計算機圖形圖象研究所杭州3100272.刃之礪信息科技（上海）公司總經理）摘要：半導體和集成電路制造是一個流程高度復雜，資金高度密集的加工過程。與其他產品的制造過程相比，半導體和集成電路制造的特殊性表現在產品工序的繁多，對設備的高利用率要求，和最特殊的是，“再進入”（Re-entry）的流程特點，也就是產品在加工過程中要多次返回到同一設備進行不同工序的加工。這種特殊的工藝流程特點決定了半導體集成電路工序中的排隊優(yōu)化選擇策略比其他制造行業(yè)更為復雜，對生產效率和制造周期有更直接的影響。本文總結了當前研究較多的幾個排隊選擇策略，通過EXTEND仿真軟件對英特爾的一個微型晶圓試驗臺進行初步研究，來說明計算機仿真手段在半導體集成電路生產流程優(yōu)化中的作用。中圖分類號：TN3關鍵字：EXTEND軟件包；仿真；半導體集成電路；制造工藝流程；排隊策略；制造周期一．半導體和集成電路制造流程的特點如今，半導體（芯片或集成電路）越來越便宜，越來越普遍。然而集成電路（IC）的制造成本變得越來越高和工藝越來越復雜。隨著在工廠和設備上的大量投資，要處理多重再進入（Multi-Reentrant）工藝流程以及IC技術加快更新換代的速度，使得生產IC的工廠是最復雜，資金最密集的生產環(huán)境之一。無數事實證明，生產效率是利潤的關鍵。半導體行業(yè)中有研究用平均制造周期（MeanCycleTime）和理論制造周期（Sumofprocesstime）之比（稱作實際－理論率）來衡量二者的差距，發(fā)現這個比率在2.5倍和10倍之間波動，遠遠高于其他制造行業(yè)[3]。比率越大，越說明工藝處理流程的復雜和不確定。導致半導體制造流程生產效率波動的原因包括：產品工序的繁多，對設備的高利用率要求，和最特殊的是，“再進入”（Re-entry）的流程特點。此外，變動的質量帶來的重新加工工序，產品的批處理，靈活性要求較高的產品轉換，對制造周期的快速反應能力等等，都對半導體和集成電路行業(yè)的生產規(guī)劃增加了難度。對任何IC廠商，提高生產效率有三種方法：建立一個更有效的工廠，更新已有工廠或改變工廠的操作。包括英特爾，摩托羅拉在內的多家財富100強半導體生產商選擇利用計算機仿真模型研究生產流程，指導他們重組生產操作。事實證明，許多晶圓制造廠（FAB）的制造周期縮短了20％－30％，生產效率得到了很大的提高[1]。在改變晶圓生產運作之前，為了降低風險，對重大的改進進行模擬是很有必要的。不僅變化不能對現有生產產生巨大的影響，而且要有足夠的數據證明變化應該是有效果的。半導體生產商意識到建立晶圓生產的動態(tài)仿真模型可以在不破壞現有操作的情況下提供可證實的結果。包括摩托羅拉在內的許多半導體廠商選擇利用EXTEND仿真軟件包來模擬生產線運作，產生了非常理想的效果。通過計算機仿真，可以對以下問題進行深入研究：（1）多產品的混合組合對生產效率的影響；（2）在“再進入”（Re-entry)情況下的產品處理排序的選擇；（3）生產瓶頸和生產設備使用率的分析；（4）原材料和在制品的釋放速度對生產效率的影響；（5）生產需求，原料供給，設備使用，人員配置等的波動對生產效率的影響。摩（6）生產岔資源配置的邪合理性分析女；臘二延．EXTE肯ND仿真攀軟件的特點晝和在半導體陶制造中的應則用種E憐XTEND縣是由美國I仗magin另eTha灘t公司開發(fā)銹的可對離散倍和連續(xù)時間濁系統仿真的稻高靈活性選、五高可擴展性止，高性能價職格比的優(yōu)秀豪仿真平臺。罪在半導體和社集成電路制羨造領域，E門XTEND蕉也同樣得到郵了廣泛的應速用，客戶包吼括摩托羅拉誕，愛立信，層諾基亞，國發(fā)家半導體，遣德州設備等邀世界一流企地業(yè)。喬它在半導體斬行業(yè)的適用宵性體現在以兵下方面：股由于兆EXTEN材D裂具有削高度視柔韌性皮和高度擴展告性（可編程謝）成，子所以天可以根據費任何流程和搭運營特點“堤量體裁衣”梅式設計模塊央，搭建模型秒。俯對半導體行膜業(yè)中的“再教進入”（R朗e-ent賀ry）流程道模式非常適遺用。鞋用導EXTEN紙D開放的代槽碼體系和強造大的編程工似具，來模擬相各種決策，絲包括產品混揮合比例，工令藝排序，返憤工處理等等壯。特別是和運EXCEL歷和數據庫的器接口，可以爺處理大量的待數據躬。時三替、雅EXTEN黨D澡仿真那半導體生產銜流程建?？喟咐走@個案例是罰用訂EXTEN度D帶仿真軟件，承建立半導體勸生產流程模言型，并通過朋對一系列在黨制產品排序個策略的考察天，找到適用瓣于流程特點權的最優(yōu)策略灣。瘋半導體晶圓該制造中5個由主要的加工察過程是化學梯清洗，平面眾光刻深，離子注入傻，金屬沉積摩/氧化，等許離子體/化耗學蝕刻。常央常會有某些解步驟被跳過云、重復或者叛用不同順序徹來完成。同臣一個晶圓謙能被某個特廉殊機器加工繡15到25蓄次之多，而類且每次退加工處理微所需的時間古都可能不同疫。生產線的掛“左再進入窗”是半導體兇加工的特征憑，這在其他惑工業(yè)加工過運程中并不常往見。晶圓群是以分批或涼者是批次形訪式在生產線掙上流動的。滾在同一時間寒內，某些加飯工步驟發(fā)生禮在一個晶圓仰上，一些步旁驟發(fā)生在一繡整批晶圓上描，一些步驟煤發(fā)生在很多都批晶圓枯上（即批處貌理）。陳在每一臺機竹器之前，會艙有許多不同疲種類，不同扭工序步驟的帆待處理產品資，如何選擇取最優(yōu)的匆排隊斯策略對整個哄生產系統的餅效率有著非傻常顯著的影貞響。排隊策劉略桐決痕定一個機器艙空下來和時其下一步雁要做的工作巾。機排隊原則經鎖常用于瓶頸朽區(qū)域禽。含此外，拉產品的霉釋放策略葉可以通過羊控制抖產品釋放到揚生產各環(huán)節(jié)貼的速度鑼方式，來獲對得更短的，鼻更現有效心的工藝流程趣時間?？紤]慮到郵半導體晶圓準加工過程中令流程的復雜雁程度、不可乘預知的事件欣、人為干涉灰等，確定一乳個嘆最優(yōu)的排隊神策略和釋放尼策略是非常鄰具有挑戰(zhàn)性雞的丙。羊為此，我們父利用一個英色特爾公司提紐供的一個懼簡化的叨晶圓生產流拼程來建立E涉XTEND燕仿真模型警[1嘴]慚。湊下圖是由抵英特爾拖制造系統首芹席科學家K柏arlK胸empf提膛供的懶試驗臺哈模型嬌。這個試驗碰臺是半導體巴FAB中一有個非常小的牽部分的一個管范例，也是分作為一個微問型FAB校而提出的癥。從擴散幼鋤恥平湯面光刻工藝歡刮魯浙離子注追入盛圖一.5臺西機器，6個輝步驟的糠微鎮(zhèn)型FAB豐工藝流程示由意圖匙微型FAB稱包括在3獎種不同的機清器組，仁6亂個步驟的工伯藝流程和至2種產品蘋晶片辯和試驗晶片供。在每個機舒器組，步驟鋸4，5，6懲處都是一個籠再進入入口竄。機器組包曉括擴散—C剃1（2個機秘器Ma和M畜b），離子苦注入－C2法（2個機器解Mc和Md表）和平面光粱刻技術－C嗽3（一個機問器Me）。撕通過離散事碌件模擬模型恩，機器利用展率能被觀察項到并虛做庫多方位蛛比較，件在制產品錦隊列的統計僚數據能被記垮錄下來，平燥均咸制造周期個和平均WI哥P陰能被算出，婦產出量可以報被仿真卷出，瓶頸容熟量可以膨隨意增加減燙少逗，預防性的鴿維修進程可重以被圍模擬，員工氧數量的波動碎影響塵可以被確定財。仿真可以臣讓管理層欠無需打亂工暴廠的現狀浴，窄花費最小地夕實驗各種假融想的情況腥。胸四勒、襪排隊策略簡的理論依據特半導體集成德電路中的優(yōu)訪化排隊策略涉的提出均據刷于排隊論中握兩個基本公萌式：蝦Littl壞e晝’琴sLaw采被和洋Kingm粉an另委Formu很la球。六Littl訂e’竊sLaw茂，更多情況撲下叫庫存規(guī)激律，委是指歡：憲在任意考察仁的系統中，型如果桶N何是骨存在于系統訂的所有裳產品慣總量貢，交λ塑是產品在加情工時扭進入系統的撲平均到達率聽，廟T儉是作停留在系統譽中的奔平均周憑期疼時間由（瘡包括趕累積濟加工時間加章上葉累積切等待時間雁）鞠，則有嫩Kingm啦an候Form傍ula亡則臥說明了我系統中產品扛存量，系統嫩波動（輸入昨波動和覽處理餡波動）及加殊工掩負荷哈之間的關系夏：番N紙=勿系統中產品描存量；伏V序=輸入變量捉+鏈處理偉變量；努ρ抽身=牌加工負荷系樣數齡1，翁可以看出序，當礎ρ蔥趨向1時，諸也就是當機殿器（系統）耽接近滿負荷建工作時，宿系統中產品湖存量曬對系統波動羞非常敏感。云由圈Littl蠟e須’苗sLaw蒜轟和季Kingm顏an蝕Form繡ula氣看出，弱為了要減少午整個FAB嗽的周期時間膝，則在產品嶺加工平均到弟達速度不變碎的情況下，藏根據憐Littl梅e織’短sLaw醬，要減少暑系統產品紙存量巷N井；跨同時又根據招Kingm判an護Form欺ula倍，在司ρ肥不變的情況客下減少軟系統波動局V腐來達到觀減少系統產愉品存量站。叢五點、排隊策略犧的禽仿真結果違利用計算機街仿真模型，股我們考察了喇幾個在半導背體集成電路扯行業(yè)中研究稠較多的如下常排隊策略：嫂排隊策略名馳稱下解釋堆First垮Come愿Firs謙tSer輕ve(F闖CFS)定按照在制品廢到達機器的幅先后次序，膽先來先處理皆First淘Buff妄erFi喘rstS環(huán)erve碰(FBFS葡)霉按照盈工序順序標軋識軌緩沖，S1嗽-S2-S氧3-S4-框S5-S6羅,FBF與S將高優(yōu)先浴級賦予工序凳在先的拳緩沖內的在鵝途產品。對盼于同一機器彼，低優(yōu)先級核的緩沖中的材產品必須等勁到高優(yōu)先級舉緩沖中的產候品全部處理膏完畢之后，呈才開始處理橡。吸Last累Buffe泳r絲First她Serv掃e（LBF廉S）館按照工序順律序標識緩沖攪，S1-S繩2-S3-胡S4-S5傳-S6,救FBFS將壇高優(yōu)先級賦辦予工序在后茅的緩沖內的租在途產品。伐對于同一機競器，低優(yōu)先受級的緩沖中暮的產品必須躺等到高優(yōu)先沈級緩沖中的床產品全部處館理完畢之后島，才開始處國理。段Minim氣umRe沒maini享ngPr備ocess錢Time伸(MRP農T)防對于同一緩按沖中的產品仆，計算產品圖平均讀剩余蔽（理想）染制造時間總臺和，杠將排隊優(yōu)先跪順序賦予最番小守剩余制造時枕間的產品。淡Fluct糊uatio孫nSmo添othin貸g-Mea粒nCyc類leTi維me(FS顏MCT)暫對于同一緩慰沖中的產品陸，計算到交催貨期為止跳的允許剩余娘時間和從此痰緩沖到簡下一個緩沖掃所需要的實尸際平均時間伙之間的松弛宜量約。松弛量越席小，優(yōu)先級昌越高。瘋FCFS一睬般用來作為見新策略效果埋的比較基準陣。是半導體集成鉤電路的制造辣周期（Cy露cleT茅ime）的之績效目標有民兩個方面，極一方面是減晴少制造周期辛的平均時間想，而另一方限面是減少制偶造周期的波城動范圍差。前者是為俗了提高生產拉效率和設備谷利用率，而居后者是為了刻取得一貫和真持久的好的臘結果。附鵲在文章[5浙]當中，K跨umar捕提出LBF躍S甲可以對減少家制造周期的軍平均時間有廢益。因為，僑根據Lit礎tle’s展Law,售如果要減簽少制造周期股的平均時間磚，在產品釋故放到系統的半速率不變的濤情況下，就纏要減少在途等庫存。因此賄，機器的最羊佳策略就是汁盡可能快的桐將存留在系興統中的產品屆清理出去，衣越是離處理刊結束越近的經產品，越需撞要盡快處理硬掉光。腔但是這個理錯論對于多產掠品種類，并欄且產品工藝鋸路線和處理竿時間都不相海同的處理情篇況就顯得過泉于簡單了。徒為此，MR垃PT旱秉持同樣的牢理論依據，墾但是考察每熔種產品的平邪均剩余制造壁時間的總和油。血最簡單的做略法就是將每摟種產品剩余發(fā)工序的定額韻時間累積起選來陜（Sum斤ofre休maini鏈ngpr夜ocess肢time蠻）膚，時間越少齒，優(yōu)先級越傲高。蜘但是，根據澇前文所述，宮在半導體集姻成電路行業(yè)桌中，平均制隔造周期（M礙eanC碧ycle洽Time）撤和理論制造睛周期（Su桿mof陣proce膚ssti幻me）之比迅（稱作實際牙－理論率）匙在2.5倍甘和10倍之叫間波動，遠勝遠高于其他梁制造行業(yè)。澆用定額時間芹作為排序依之據會與實際品情況相差過雨大。過為此，Lu長[3]根據捐Littl愧e’sL翻aw提出珠了一類排序寧策略叫波動釣平穩(wěn)策略（頸Fluct弱uatio射nSmo艦othin會g）。這類某策略認為產行品流到各個閑處理機器的傻類似“脈沖營”的不規(guī)律筑的波動性是段導致制造周裝期變長的根申本原因。如趕果將產品在慧復雜生產系珍統中的移動夾看作是產品拍流，這類策捧略試圖使這畫些產品流變杰得更加平穩(wěn)洪，波動更加罵趨緩。餐這類策略叮之一的Fl完uctua義tion鎖Smoot摩hing-件Mean窄Cycle肉Time織(FSMC愁T)是可以買既減少平均允制造周期，永又可以減少養(yǎng)制造周期波僑動的比較好犁的辦法。單雖然文獻[捎3]中對原宅理做了解釋捷，但更側重乓于單種產品灰的復雜再進該入流程，而方我們則借助彼計算機仿真鑄模型，對朱多種產品種芬類的再進入私流程跑應用FSM閱CT跳也做個研究堆，得到同樣廊類似的結論菜。陵以FCFS肺的平均制造火周期為基準日，下表列出書了我們對以杏上幾種排隊悟策略對制造她周期的縮短并率斗：查排隊策略華比FCFS令基準制造周闊期縮短時FBFS殖17.1%廟MRPT減19.6%認LBFS洞22.4%報FSMCT貸30.2%監(jiān)雖然，FC嚇FS的平均逮制造周期最逝長，但是制餐造周期的恥波動性鵲（Vari藍abili軟ty聚）并不一定窗最大。我們隙仿真的結果閥顯示FSM帥CT不但使殘平均制造周緞期縮短最多浸，而且使制賊造周期的波賭動性（標準留方差）最小圣。五．總結長EXTEN共D提供了有批力的工具來健研究多種策傍略對績效指些標的影響。郊按照國外厭文獻記載，擠許多排序策笨略和釋放策張略可以比居FCFS線策略縮短制兩造周期達2奔0％到30溫％攝[2]立，而且隨漸著生產流程軋和工序的復步雜程度不斷譯增加，優(yōu)化柱策略對生產禾效率的提高浮將更加明顯遺[1]棗。鑒于這片渴文章成稿之畢時，許多策沒略還在試驗論之中，更多丹的研究結果績將會不斷得迷出，符歡迎感興趣挪的讀者和本績文作者聯系踢。（仁王巖峰的聯食系是yan櫻feng.棒wang@店edges厭tone-抗it.co流m內;租閔春燕的聯紡系是mcy援@zju.槽edu.c潔n佳）。慌參考文獻：倒眾【1】居K那EMPF熟碑K羽,“De宅taile綿dDes刷cript辰iono健fMul體tiple范Prod暗uctR切e-ent糕rant燥Semic玻onduc千torM遍anufa趴cturi滲ngSy槍stem樂Examp雖le,”頭Prepa算redr匯eport漂,Int維elCo跳rpora室tion,匆Tech陵nolog在y,an三dMan兩ufact肚uring界Grou貍p,Au宰gust,枕1994拖.獨【2】虛C誓OLLIN藥S演培D.W然耽andH乖OPPEN濫STEAD瑞T族鳥F.C爽,“In綱vesti哥gatio餅nof主Minim鄭umIn暮vento房ryVa秒riabi駝lity恥Sched慕uling滾Poli饒cies辰ina斜Large聚Semi爭condu述ctor疾Manuf酸actur愧ingF畫acili每ty,”毅1997亂Ameri冷canC片ontro息lCon御feren楚ce捉,俗Albuq施uerqu絨e天,沃NewM度exico罩,栗音June夏4-6,軟1997幣.誠【3】丑L艱U繩澡S.C.魂H供,展Ramas吳wamy土棉D鍋,and雪使Kumar片嘗P.R塘,"肉Effic蟻ient海姜sched藝uling嘉廟polic豈ies切tor淘educe燃mean館and袖varia欄nceo篇fcyc痛le--t波imei嚇nsem襖icond迎uctor鋼manu溪factu懲ring邪plant車s,"I諒EEET荒ransa丟ction蜂son揚Semic壽onduc撥torM始anufa攀cturi格ng,俯Augus父t199棉4絞,喚vol.瞇7,pp吩.374鍵--385展.鉗【4】填Wein熟服L.M勻,廉“缺Sched辦uling刷semi棟condu亦ctor王wafer崖fabr擱icati律on賭,"IE腦EETr情ans.刺Semic罰onduc須torM閱anufa宣cturi隆ng,v臉ol.1斥,要妻Aug.桶1988撥,揚pp.涌115-1抓30版.掘【5】輝Kumar枕化P.R素,"Re商--ent座rant謹lines調,"Qu螞euein孫gSys容tems:閱Theo娃ryan途dApp協licat杏ions:勉Spec毀ialI行ssue監(jiān)onQu歪euein支gNet旦works鐵,vol摧.13,營握May1總993廳,循pp.8幫7--11則0.作者簡介：集閔念春燕，碩士銜，浙江大學痰應用數學系猴計算機圖形瓣圖象研究所肉，主要從事察輔助幾何設半計，曲線曲蒸面造型設計稍等開發(fā)研究尤工作半。假聯系方式疤mcy@z氏ju.ed尚u.c牛n.獸勞王巖忍峰，美國波享士頓大學制籌造工程（工申業(yè)工程）系佛博士畢業(yè)。坊現為刃之礪酷信息科技（好上海）有限渾公司創(chuàng)始人獎和總經理。鼓曾工作于美騰國i2T蟻echno嶺logie齊s,Ty智coEl概ectro滅nics,服Pana蕩sonic申，從事利用扭計算機仿真妄技術進行流尸程效率改善淋和供應鏈且物流陶管理披，服務的客亂戶包括許多絨世界500椅強企業(yè)，例添如Ford慮,Cat犬erpil獨lar,糟Bosch慌,Toy筐ota等等驕。攪聯系方式極：上海徐匯粗區(qū)漕溪路1素35號金浦奮大樓406踢室（200列235）；徒電子郵件昂yanfe刺ng.wa來ng@ed缸gesto箭ne-it即喪.兵天Simul希ation像Tech懸nolog墾yApp同licat剩ioni區(qū)nOpt撤imal罰Semic貧onduc朝tora害ndIn雨tegra仿ted蜜Circu變it語Manu教factu義ring戴Proce膀ssMa齊nagem賀ent泡Abstr憶act仰Thep詳roces遍sof劃semic誘onduc林tora嗓ndIC增厘manuf豬actur起ing轎ish濫ighly歸comp贏lexa紛nd禾capit舞al握inte玩nsive冶.Dif田feren徹tfro納moth拆erma陡nufac問turin叼gpro宇cesse違s,th壽euni不quec宿omple帖xity流exhib亦ited屢in據semic摸onduc色tor槽indu庫stry帥comes員from票mult孕iple死produ變ctmi初x,hi由ghde濾mand取form良achin受euti紀lizat焦iona黨nd,據“就re-en育try獅”糞char芹acter室istic雕,i.e鄰.,a患batch牛ofp盼roduc燦tsha京sto穗re-en亂teri扔ntot救hesa鐘mema溪chine概躁sever歲al櫻time萍sto暮compl定etet惕hepr州oduct識ion厘recip閘e芝duri厘ngit連srou能ting.訓Ina里dditi烘on,r塔e-wor磨kfro召mqua梅lity近fluct丘uatio四n撫,bat儉chpr遞ocess餅,fle翅xible疏chan圓geove趣rand雙setu僚pand俊quic勝kres謀ponse蝦toc攀ycle疤time他alli德mpose贈grea共tcha結lleng段esto痰prod疾uctio插nsch悟eduli客ngan瓜dopt隔imal算resou鍬rcea浩lloca柿tion.按Cycl飼etim泳ered龜uctio畝nhas伯been封one迷ofmo探stim囑porta百ntre武searc蜂hsub滾jects農ins幕emico饞nduct仁orin倡dustr酷ydom誦estic派ally唉andi碧ntern顆ation敞ally.緣And燦itha在sbee餓nsho王wnth予atqu集euing腫t