仿真技术在流程绩效管理中的应用.docx

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1、仿真技术在半导体和集成电路生产流程优化中的应用闵春燕(1)王岩峰 博士(2)（1. 浙江大学应用数学系计算机图形图象研究所 杭州 310027 2. 刃之砺信息科技（上海）公司总经理 ）摘要：半半导体和和集成电电路制造造是一个个流程高高度复杂杂，资金金高度密密集的加加工过程程。与其其他产品品的制造造过程相相比，半半导体和和集成电电路制造造的特殊殊性表现现在产品品工序的的繁多，对设备备的高利利用率要要求，和和最特殊殊的是，“再进进入”（Re-enttry）的流程程特点，也就是是产品在在加工过过程中要要多次返返回到同同一设备备进行不不同工序序的加工工。这种种特殊的的工艺流流程特点点决定了了半导体体

2、集成电电路工序序中的排排队优化化选择策策略比其其他制造造行业更更为复杂杂，对生生产效率率和制造造周期有有更直接的的影响。本文总总结了当当前研究究较多的的几个排排队选择择策略，通过EEXTEEND仿仿真软件件对英特特尔的一一个微型型晶圆试试验台进进行初步步研究，来说明明计算机机仿真手手段在半半导体集集成电路路生产流流程优化化中的作作用。中图分类类号：TTN3关键字：EXTEEND软软件包；仿真；半导体体集成电电路；制制造工艺艺流程；排队策策略；制制造周期期一半导导体和集集成电路路制造流流程的特特点如今，半半导体（芯片或或集成电电路）越越来越便便宜，越越来越普普遍。然然而集成成电路（IC）的制造造

3、成本变变得越来来越高和和工艺越越来越复复杂。随随着在工工厂和设设备上的的大量投投资，要要处理多多重再进进入（MMultti-RReenntraant）工艺流流程以及及IC技技术加快快更新换换代的速速度，使使得生产产IC的的工厂是是最复杂杂，资金金最密集集的生产产环境之之一。无无数事实实证明，生产效效率是利利润的关关键。半导体行行业中有有研究用用平均制制造周期期（Meean Cyccle Timme）和和理论制制造周期期（Suum oof pproccesss tiime）之比（称作实实际理理论率）来衡量量二者的的差距，发现这这个比率率在2.5倍和和10倍倍之间波波动，远远远高于于其他制制造行业

4、业3。比率率越大，越说明明工艺处处理流程程的复杂杂和不确确定。导导致半导导体制造造流程生生产效率率波动的的原因包包括：产品工工序的繁繁多，对对设备的的高利用用率要求求，和最最特殊的的是，“再进入入”（RRe-eentrry）的的流程特特点。此此外，变变动的质质量带来来的重新新加工工工序，产产品的批批处理，灵活性性要求较较高的产产品转换换，对制制造周期期的快速速反应能能力等等等，都对对半导体体和集成成电路行行业的生生产规划划增加了了难度。对任何IIC厂商商，提高高生产效效率有三三种方法法：建立立一个更更有效的的工厂，更新已已有工厂厂或改变变工厂的的操作。包括英英特尔，摩托罗罗拉在内内的多家家财富

5、1100强强半导体体生产商商选择利利用计算算机仿真真模型研研究生产产流程，指导他他们重组组生产操操作。事事实证明明，许多多晶圆制制造厂（FABB）的制制造周期期缩短了了20300，生生产效率率得到了了很大的的提高1。在改变晶晶圆生产产运作之之前，为为了降低低风险，对重大的的改进进进行模拟拟是很有有必要的的。不仅仅变化不不能对现现有生产产产生巨巨大的影影响，而而且要有有足够的数数据证明明变化应应该是有效果的的。半导导体生产产商意识识到建立立晶圆生生产的动动态仿真真模型可以以在不破破坏现有有操作的的情况下下提供可可证实的的结果。包括摩摩托罗拉拉在内的的许多半半导体厂厂商选择择利用EEXTEEND仿

6、仿真软件件包来模模拟生产产线运作作，产生生了非常常理想的的效果。通过计算算机仿真真，可以以对以下下问题进进行深入入研究：（1）多多产品的的混合组组合对生生产效率率的影响响；（2）在在“再进进入”（Re-enttry)情况下下的产品品处理排排序的选选择；（3）生生产瓶颈颈和生产产设备使使用率的的分析；（4）原原材料和和在制品品的释放放速度对对生产效效率的影影响；（5）生生产需求求，原料料供给，设备使使用，人人员配置置等的波波动对生生产效率率的影响响。（6）生生产资源源配置的的合理性性分析；二EXXTENND 仿仿真软件件的特点点和在半半导体制制造中的的应用EXTEEND是是由美国国Imaagin

7、ne TThatt公司开开发的可可对离散散和连续续时间系系统仿真真的高灵灵活性、高可扩扩展性，高性能能价格比比的优秀秀仿真平平台。在在半导体体和集成成电路制制造领域域，EXXTENND也同同样得到到了广泛泛的应用用，客户户包括摩摩托罗拉拉，爱立立信，诺诺基亚，国家半半导体，德州设设备等世世界一流流企业。它在半半导体行行业的适适用性体体现在以以下方面面：l 由于EXXTENND具有有高度柔韧韧性和高高度扩展展性（可可编程），所以可以以根据任任何流程程和运营营特点“量体裁裁衣”式式设计模模块，搭搭建模型型。对半半导体行行业中的的“再进进入”（Re-enttry）流程模模式非常常适用。l 用EXTT

8、ENDD开放的的代码体体系和强强大的编编程工具具，来模模拟各种种决策，包括产产品混合合比例，工艺排排序，返返工处理理等等。特别是是和EXXCELL和数据据库的接接口，可可以处理理大量的的数据。三、EXXTENND 仿仿真半导导体生产产流程建建模案例例这个案例例是用EEXTEEND仿仿真软件件，建立立半导体体生产流流程模型型，并通通过对一一系列在在制产品品排序策策略的考考察，找找到适用用于流程程特点的的最优策策略。半导体晶晶圆制造造中5个个主要的的加工过过程是化化学清洗洗，平面面光刻，离离子注入入，金属属沉积/氧化，等离子子体/化化学蚀刻刻。常常常会有某某些步骤骤被跳过过、重复复或者用用不同顺顺

9、序来完完成。同同一个晶晶圆能被被某个特特殊机器器加工115到225次之之多，而而且每次次加工处处理所需需的时间间都可能能不同。生产线线的“再进入入”是半半导体加加工的特特征，这这在其他他工业加加工过程程中并不不常见。晶圆是是以分批批或者是是批次形形式在生生产线上上流动的的。在同同一时间间内，某某些加工工步骤发发生在一一个晶圆圆上，一一些步骤骤发生在在一整批批晶圆上上，一些些步骤发发生在很很多批晶晶圆上（即批处处理）。在每一台台机器之之前，会会有许多多不同种种类，不不同工序序步骤的的待处理理产品，如何选选择最优优的排队队策略对对整个生生产系统统的效率率有着非非常显著著的影响响。排队队策略决决定一

10、个个机器空空下来时时其下一一步要做做的工作作。排队队原则经经常用于于瓶颈区区域。此外，产品的的释放策策略可以以通过控控制产品品释放到到生产各各环节的的速度方方式，来来获得更更短的，更有效效的工艺艺流程时时间。考考虑到半半导体晶晶圆加工工过程中中流程的的复杂程程度、不不可预知知的事件件、人为为干涉等等，确定定一个最最优的排排队策略略和释放放策略是是非常具具有挑战战性的。为此，我我们利用用一个英英特尔公公司提供供的一个个简化的的晶圆生生产流程程来建立立EXTTENDD仿真模模型11。下图是是由英特特尔制造造系统首首席科学学家Kaarl Kemmpf提提供的试试验台模模型。这这个试验验台是半半导体F

11、FAB中中一个非非常小的的部分的的一个范范例，也也是作为为一个微微型FAAB而提提出的。扩散 平面面光刻工工艺 离子子注入图一.55台机器器，6个个步骤的的微型FAAB工艺艺流程示示意图微型FAAB包括括在3种种不同的的机器组组，6个步骤骤的工艺艺流程和和2种产产品晶片片和试验验晶片。在每个个机器组组，步骤骤4，55，6处处都是一一个再进进入入口口。机器器组包括括扩散C1（2个机机器Maa和Mbb），离离子注入入C22（2个个机器MMc和MMd）和和平面光光刻技术术C33（一个个机器MMe）。通过离散散事件模模拟模型型，机器器利用率率能被观观察到并并做多方位位比较，在制产产品队列列的统计计数据

12、能能被记录录下来，平均制制造周期期和平均均WIPP能被算算出，产产出量可可以被仿仿真出，瓶颈容容量可以以随意增增加减少少，预防防性的维维修进程程可以被被模拟，员工数数量的波波动影响响可以被被确定。仿真可可以让管管理层无无需打乱乱工厂的的现状，花费最最小地实实验各种种假想的的情况。四、排队队策略的的理论依依据半导体集集成电路路中的优优化排队队策略的的提出均均据于排排队论中中两个基基本公式式：Liittlles LLaw和和KinngmaanFoormuula。l Litttles LLaw，更多情情况下叫叫库存规规律，是是指：在任意考考察的系系统中，如果NN是存在于于系统的的所有产产品总量量，是

13、产品品在加工工时进入入系统的的平均到到达率，T是停留在在系统中中的平均均周期时间（包括累积积加工时时间加上上累积等待待时间），则有有l Kinggmann Foormuula则则说明了了系统中中产品存存量，系系统波动动（输入入波动和和处理波动动）及加加工负荷荷之间的的关系：N=系统统中产品品存量；V=输入入变量+处理变量量；=加工负负荷系数数1， 可以看出出， 当当趋向11时，也也就是当当机器（系统）接近满满负荷工工作时，系统中中产品存存量对系系统波动动非常敏敏感。由Litttlees LLaw 和Kinngmaan FFormmulaa看出，为了要要减少整整个FAAB的周周期时间间，则在在产

14、品加加工平均均到达速速度不变变的情况况下，根根据Liittlles LLaw，要减少少系统产产品存量量N；同时又又根据KKinggmann Foormuula，在不变的的情况下下减少系系统波动动V来达到到减少系系统产品品存量。五、排队队策略的的仿真结结果利用计算算机仿真真模型，我们考考察了几几个在半半导体集集成电路路行业中中研究较较多的如如下排队队策略：排队策略略名称解释Firsst CComee Fiirstt Seervee (FFCFSS)按照在制制品到达达机器的的先后次次序，先先来先处处理Firsst BBufffer Firrst Serrve (FBBFS)按照工序序顺序标标识缓冲

15、冲，S11-S22-S33-S44-S55-S66, FFBFSS将高优优先级赋赋予工序序在先的的缓冲内内的在途途产品。对于同同一机器器，低优优先级的的缓冲中中的产品品必须等等到高优优先级缓缓冲中的的产品全全部处理理完毕之之后，才才开始处处理。Lastt Buuffeer FFirsst SServve（LLBFSS）按照工序序顺序标标识缓冲冲，S11-S22-S33-S44-S55-S66, FFBFSS将高优优先级赋赋予工序序在后的的缓冲内内的在途途产品。对于同同一机器器，低优优先级的的缓冲中中的产品品必须等等到高优优先级缓缓冲中的的产品全全部处理理完毕之之后，才才开始处处理。Miniim

16、umm Reemaiininng PProccesss Tiime (MRRPT)对于同一一缓冲中中的产品品，计算算产品平平均剩余余（理想想）制造造时间总总和， 将排队队优先顺顺序赋予予最小剩剩余制造造时间的的产品。Flucctuaatioon SSmooothiing-Meaan CCyclle TTimee(FSSMCTT)对于同一一缓冲中中的产品品，计算算到交货货期为止止的允许许剩余时时间和从从此缓冲冲到下一一个缓冲冲所需要要的实际际平均时时间之间间的松弛弛量。松松弛量越越小，优优先级越越高。FCFSS一般用用来作为为新策略略效果的的比较基基准。半半导体集集成电路路的制造造周期（Cycc

17、le Timme）的的绩效目目标有两两个方面面，一方方面是减减少制造造周期的的平均时时间，而而另一方方面是减减少制造造周期的的波动范范围。前前者是为为了提高高生产效效率和设设备利用用率，而而后者是是为了取取得一贯贯和持久久的好的的结果。在文章章5当中，Kummar 提出LLBFSS可以对对减少制制造周期期的平均均时间有有益。因因为，根根据Liittlless Laaw, 如果要要减少制制造周期期的平均均时间，在产品品释放到到系统的的速率不不变的情情况下，就要减减少在途途库存。因此，机器的的最佳策策略就是是尽可能能快的将将存留在在系统中中的产品品清理出出去，越越是离处处理结束束越近的的产品，越需

18、要要尽快处处理掉。但是这个个理论对对于多产产品种类类，并且且产品工工艺路线线和处理理时间都都不相同同的处理理情况就就显得过过于简单单了。为为此，MMRPTT秉持同同样的理理论依据据，但是是考察每每种产品品的平均均剩余制制造时间间的总和和。最简简单的做做法就是是将每种种产品剩剩余工序序的定额额时间累累积起来来（Suum oof rremaainiing proocesss ttimee），时时间越少少，优先先级越高高。但是是，根据据前文所所述，在在半导体体集成电电路行业业中，平平均制造造周期（Meaan CCyclle TTimee）和理理论制造造周期（Summ off prroceess ti

19、mme）之之比（称称作实际际理论论率）在在2.55倍和110倍之之间波动动，远远远高于其其他制造造行业。用定额额时间作作为排序序依据会会与实际际情况相相差过大大。为此，LLu33根据据Litttlees Laww 提出出了一类类排序策策略叫波波动平稳稳策略（Fluuctuuatiion Smooothhingg）。这这类策略略认为产产品流到到各个处处理机器器的类似似“脉冲冲”的不不规律的的波动性性是导致致制造周周期变长长的根本本原因。如果将将产品在在复杂生生产系统统中的移移动看作作是产品品流，这这类策略略试图使使这些产产品流变变得更加加平稳，波动更更加趋缓缓。这类类策略之之一的FFlucctu

20、aatioon SSmooothiing-Meaan CCyclle TTimee(FSSMCTT)是可可以既减减少平均均制造周周期，又又可以减减少制造造周期波波动的比比较好的的办法。虽然文文献33中对对原理做做了解释释，但更更侧重于于单种产产品的复复杂再进进入流程程，而我我们则借借助计算算机仿真真模型，对多种种产品种种类的再再进入流流程应用用FSMMCT也也做个研研究，得得到同样样类似的的结论。以FCFFS的平平均制造造周期为为基准，下表列列出了我我们对以以上几种种排队策策略对制制造周期期的缩短短率：排队策略略比FCFFS基准准制造周周期缩短短FBFSS17.11%MRPTT19.66%LB

21、FSS22.44%FSMCCT30.22%虽然，FFCFSS的平均均制造周周期最长长，但是是制造周周期的波波动性（Varriabbiliity）并不一一定最大大。我们们仿真的的结果显显示FSSMCTT不但使使平均制制造周期期缩短最最多，而而且使制制造周期期的波动动性（标标准方差差）最小小。 五总结结EXTEEND提提供了有有力的工工具来研研究多种种策略对对绩效指指标的影影响。 按照国国外文献献记载，许多排排序策略略和释放放策略可可以比FFCFSS策略缩缩短制造造周期达达20到30022， 而且随随着生产产流程和和工序的的复杂程程度不断断增加，优化策策略对生生产效率率的提高高将更加加明显1。鉴于

22、这这片文章章成稿之之时，许许多策略略还在试试验之中中，更多多的研究究结果将将会不断断得出，欢迎感感兴趣的的读者和和本文作作者联系系。（王岩岩峰的联联系是yyanffengg.waangedggesttonee-itt.coom; 闵春燕燕的联系系是mccyn）。参考文献献：【1】KKEMPPFK, “Dettailled Desscriiptiion of Mulltipple Prooducct RRe-eentrrantt Seemiccondducttor Mannufaactuurinng SSysttem Exaamplle,” Prrepaaredd reeporrt, Intte

23、l Corrporratiion, Teechnnoloogy, annd MManuufaccturringg Grroupp, AAuguust, 19994.【2】CCOLLLINSSD.WWandd HOOPPEENSTTEADDTF.C, “Innvesstiggatiion of Minnimuum IInveentoory Varriabbiliity Schheduulinng PPoliiciees iin aa Laargee Seemiccondducttor Mannufaactuurinng FFaciilitty,” 19997 Ameericcan Conntro

24、ol CConffereencee, Allbuqquerrquee, Neew MMexiico,Junne 44-6, 19997.【3】LLUS. C. H, RAMMASWWAMYYD, aand KUMMARPP. RR, Effficiienttschheduulinngpoolicciess too reeducce mmeann annd vvariiancce oof ccyclle-timme iin ssemiiconnducctorr maanuffactturiing plaantss, IEEEE TTrannsacctioons on Semmicoonduuct

25、oor MManuufaccturringg, AAuguust 19994, voll. 77, ppp. 3744-3385.【4】WWEINNL. M, “Schheduulinng ssemiiconnducctorr waaferr faabriicattionn, IEEEE TTranns. Semmicoonduuctoor MManuufaccturringg, vvol. 1,Augg. 119888, ppp. 1115-1300.【5】KKUMAARP. R, RRe-enttrannt llinees, Quueueeingg Syysteems: Thheorry

26、aand Apppliccatiionss: SSpecciall Isssuee onn Quueueeingg Neetwoorkss, vvol. 133, MMay 19993, pp. 877-1110.作者简介介： 闵春燕燕，硕士士，浙江江大学应应用数学学系计算算机图形形图象研研究所，主要从从事辅助助几何设设计，曲曲线曲面面造型设设计等开开发研究究工作。联系方方式mccyn. 王岩峰峰，美国国波士顿顿大学制制造工程程（工业业工程）系博士士毕业。现为刃刃之砺信信息科技技（上海海）有限限公司创创始人和和总经理理。曾工工作于美美国i22 Teechnnoloogiees, Tycco E

27、Elecctrooniccs, Pannasoonicc，从事事利用计计算机仿仿真技术术进行流流程效率率改善和和供应链链物流管理理，服务务的客户户包括许许多世界界5000强企业业，例如如Forrd, Catterppilllar, Booschh, TToyoota等等等。联系方方式：上上海徐汇汇区漕溪溪路1335号金金浦大楼楼4066室（22002235）；电子子邮件yyanffengg.waangedggesttonee-itt.coom.Simuulattionn Teechnnoloogy Apppliccatiion in Opttimaal SSemiiconnducctorr a

28、nnd IInteegraatedd Ciircuuit Mannufaactuurinng PProccesss MaanaggemeentAbsttracctThe proocesss oof ssemiiconnducctorr annd IIC mmanuufaccturringg iss hiighlly ccompplexx annd ccapiitall inntennsivve. Diffferrentt frrom othher mannufaactuurinng pproccessses, thhe uuniqque commpleexitty eexhiibitted i

29、n semmicoonduuctoor iinduustrry ccomees ffromm muultiiplee prroduuct mixx, hhighh deemannd ffor macchinne uutillizaatioon aand, “re-enttry” chharaacteerissticc, ii.e., aa baatchh off prroduuctss haas tto rre-eenteer iintoo thhe ssamee maachiine sevveraal ttimees tto ccompplette tthe prooducctioon rr

30、eciipe durringg itts rrouttingg. IIn aaddiitioon, re-worrk ffromm quualiity fluuctuuatiion, baatchh prroceess, fllexiiblee chhanggeovver andd seetupp annd qquicck rrespponsse tto ccyclle ttimee alll iimpoose greeat chaalleengees tto pprodducttionn scchedduliing andd opptimmal ressourrce alllocaatioo

31、n. Cyccle timme rreduuctiion hass beeen onee off moost impporttantt reeseaarchh suubjeectss inn seemiccondducttor inddusttry dommestticaallyy annd iinteernaatioonallly. Annd iit hhas beeen sshowwn tthatt quueuiing theeoryy haas mmajoor iimpaact on thee effficcienncy andd maachiine utiilizzatiion in

32、semmicoonduuctoor pproccessses. Giivenn thhe ccompplexxityy off thhe nnatuure of thee prrobllemss, oone of mosst iimpoortaant andd poowerrfull annalyyzinng ttoolls iis tto uuse commputter simmulaatioon. By usiing EXTTENDD siimullatiion pacckagge, thiis rreseearcch hhas stuudieed sseveerall welll rre

33、seearcchedd quueuiing polliciies, inncluudinng FFCFSS, FFBFSS, LLBFSS, MMRPTT annd FFSMCCT, in prooducctioon ssequuenccingg foor aa Miini-FABB moodell prropoosedd byy Inntell annd tthiss arrticcle is to preesennt tthe iniitiaal oobseervaatioons. Thhe ssimuulattionn shhowss thhat a ppoliicy thaat cco

34、ulld rreduuce thee vaariaabillityy off thhe WWIP floow aamonng pproccesss sttepss woouldd noormaallyy reeducce tthe meaan ccyclle ttimee annd ooverralll vaariaabillityy. Key worrds: EEXTEEND Simmulaatioon; Semmicoonduuctoor aand IC Mannufaactuurinng; Prooducctioon SSequuenccingg; QQueuuingg Poolicciess; CCyclle TTimee Reeducctioon