仿真技術(shù)在流程績效管理中的應(yīng)用

1、仿真技術(shù)在半導(dǎo)體和集成電路生產(chǎn)流程優(yōu)化中的應(yīng)用閔春燕(1)王巖峰 博士(2)（1. 浙江大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系計算機(jī)圖形圖象研究所 杭州 310027 2. 刃之礪信息科技（上海）公司總經(jīng)理 ）摘要：半半導(dǎo)體和和集成電電路制造造是一個個流程高高度復(fù)雜雜，資金金高度密密集的加加工過程程。與其其他產(chǎn)品品的制造造過程相相比，半半導(dǎo)體和和集成電電路制造造的特殊殊性表現(xiàn)現(xiàn)在產(chǎn)品品工序的的繁多，對設(shè)備備的高利利用率要要求，和和最特殊殊的是，“再進(jìn)進(jìn)入”（Re-enttry）的流程程特點，也就是是產(chǎn)品在在加工過過程中要要多次返返回到同同一設(shè)備備進(jìn)行不不同工序序的加工工。這種種特殊的的工藝流流程特點點決定了了半導(dǎo)體體

2、集成電電路工序序中的排排隊優(yōu)化化選擇策策略比其其他制造造行業(yè)更更為復(fù)雜雜，對生生產(chǎn)效率率和制造造周期有有更直接的的影響。本文總總結(jié)了當(dāng)當(dāng)前研究究較多的的幾個排排隊選擇擇策略，通過EEXTEEND仿仿真軟件件對英特特爾的一一個微型型晶圓試試驗臺進(jìn)進(jìn)行初步步研究，來說明明計算機(jī)機(jī)仿真手手段在半半導(dǎo)體集集成電路路生產(chǎn)流流程優(yōu)化化中的作作用。中圖分類類號：TTN3關(guān)鍵字：EXTEEND軟軟件包；仿真；半導(dǎo)體體集成電電路；制制造工藝藝流程；排隊策策略；制制造周期期一半導(dǎo)導(dǎo)體和集集成電路路制造流流程的特特點如今，半半導(dǎo)體（芯片或或集成電電路）越越來越便便宜，越越來越普普遍。然然而集成成電路（IC）的制造造

3、成本變變得越來來越高和和工藝越越來越復(fù)復(fù)雜。隨隨著在工工廠和設(shè)設(shè)備上的的大量投投資，要要處理多多重再進(jìn)進(jìn)入（MMultti-RReenntraant）工藝流流程以及及IC技技術(shù)加快快更新?lián)Q換代的速速度，使使得生產(chǎn)產(chǎn)IC的的工廠是是最復(fù)雜雜，資金金最密集集的生產(chǎn)產(chǎn)環(huán)境之之一。無無數(shù)事實實證明，生產(chǎn)效效率是利利潤的關(guān)關(guān)鍵。半導(dǎo)體行行業(yè)中有有研究用用平均制制造周期期（Meean Cyccle Timme）和和理論制制造周期期（Suum oof pproccesss tiime）之比（稱作實實際理理論率）來衡量量二者的的差距，發(fā)現(xiàn)這這個比率率在2.5倍和和10倍倍之間波波動，遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于于其他制制造行業(yè)

4、業(yè)3。比率率越大，越說明明工藝處處理流程程的復(fù)雜雜和不確確定。導(dǎo)導(dǎo)致半導(dǎo)導(dǎo)體制造造流程生生產(chǎn)效率率波動的的原因包包括：產(chǎn)品工工序的繁繁多，對對設(shè)備的的高利用用率要求求，和最最特殊的的是，“再進(jìn)入入”（RRe-eentrry）的的流程特特點。此此外，變變動的質(zhì)質(zhì)量帶來來的重新新加工工工序，產(chǎn)產(chǎn)品的批批處理，靈活性性要求較較高的產(chǎn)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換換，對制制造周期期的快速速反應(yīng)能能力等等等，都對對半導(dǎo)體體和集成成電路行行業(yè)的生生產(chǎn)規(guī)劃劃增加了了難度。對任何IIC廠商商，提高高生產(chǎn)效效率有三三種方法法：建立立一個更更有效的的工廠，更新已已有工廠廠或改變變工廠的的操作。包括英英特爾，摩托羅羅拉在內(nèi)內(nèi)的多家家財富

5、1100強(qiáng)強(qiáng)半導(dǎo)體體生產(chǎn)商商選擇利利用計算算機(jī)仿真真模型研研究生產(chǎn)產(chǎn)流程，指導(dǎo)他他們重組組生產(chǎn)操操作。事事實證明明，許多多晶圓制制造廠（FABB）的制制造周期期縮短了了20300，生生產(chǎn)效率率得到了了很大的的提高1。在改變晶晶圓生產(chǎn)產(chǎn)運(yùn)作之之前，為為了降低低風(fēng)險，對重大的的改進(jìn)進(jìn)進(jìn)行模擬擬是很有有必要的的。不僅僅變化不不能對現(xiàn)現(xiàn)有生產(chǎn)產(chǎn)產(chǎn)生巨巨大的影影響，而而且要有有足夠的數(shù)數(shù)據(jù)證明明變化應(yīng)應(yīng)該是有效果的的。半導(dǎo)導(dǎo)體生產(chǎn)產(chǎn)商意識識到建立立晶圓生生產(chǎn)的動動態(tài)仿真真模型可以以在不破破壞現(xiàn)有有操作的的情況下下提供可可證實的的結(jié)果。包括摩摩托羅拉拉在內(nèi)的的許多半半導(dǎo)體廠廠商選擇擇利用EEXTEEND仿

6、仿真軟件件包來模模擬生產(chǎn)產(chǎn)線運(yùn)作作，產(chǎn)生生了非常常理想的的效果。通過計算算機(jī)仿真真，可以以對以下下問題進(jìn)進(jìn)行深入入研究：（1）多多產(chǎn)品的的混合組組合對生生產(chǎn)效率率的影響響；（2）在在“再進(jìn)進(jìn)入”（Re-enttry)情況下下的產(chǎn)品品處理排排序的選選擇；（3）生生產(chǎn)瓶頸頸和生產(chǎn)產(chǎn)設(shè)備使使用率的的分析；（4）原原材料和和在制品品的釋放放速度對對生產(chǎn)效效率的影影響；（5）生生產(chǎn)需求求，原料料供給，設(shè)備使使用，人人員配置置等的波波動對生生產(chǎn)效率率的影響響。（6）生生產(chǎn)資源源配置的的合理性性分析；二EXXTENND 仿仿真軟件件的特點點和在半半導(dǎo)體制制造中的的應(yīng)用EXTEEND是是由美國國Imaagin

7、ne TThatt公司開開發(fā)的可可對離散散和連續(xù)續(xù)時間系系統(tǒng)仿真真的高靈靈活性、高可擴(kuò)擴(kuò)展性，高性能能價格比比的優(yōu)秀秀仿真平平臺。在在半導(dǎo)體體和集成成電路制制造領(lǐng)域域，EXXTENND也同同樣得到到了廣泛泛的應(yīng)用用，客戶戶包括摩摩托羅拉拉，愛立立信，諾諾基亞，國家半半導(dǎo)體，德州設(shè)設(shè)備等世世界一流流企業(yè)。它在半半導(dǎo)體行行業(yè)的適適用性體體現(xiàn)在以以下方面面：由于EXXTENND具有有高度柔韌韌性和高高度擴(kuò)展展性（可可編程），所以可以以根據(jù)任任何流程程和運(yùn)營營特點“量體裁裁衣”式式設(shè)計模模塊，搭搭建模型型。對半半導(dǎo)體行行業(yè)中的的“再進(jìn)進(jìn)入”（Re-enttry）流程模模式非常常適用。用EXTTENDD

8、開放的的代碼體體系和強(qiáng)強(qiáng)大的編編程工具具，來模模擬各種種決策，包括產(chǎn)產(chǎn)品混合合比例，工藝排排序，返返工處理理等等。特別是是和EXXCELL和數(shù)據(jù)據(jù)庫的接接口，可可以處理理大量的的數(shù)據(jù)。三、EXXTENND 仿仿真半導(dǎo)導(dǎo)體生產(chǎn)產(chǎn)流程建建模案例例這個案例例是用EEXTEEND仿仿真軟件件，建立立半導(dǎo)體體生產(chǎn)流流程模型型，并通通過對一一系列在在制產(chǎn)品品排序策策略的考考察，找找到適用用于流程程特點的的最優(yōu)策策略。半導(dǎo)體晶晶圓制造造中5個個主要的的加工過過程是化化學(xué)清洗洗，平面面光刻，離離子注入入，金屬屬沉積/氧化，等離子子體/化化學(xué)蝕刻刻。常常常會有某某些步驟驟被跳過過、重復(fù)復(fù)或者用用不同順順序來完完

9、成。同同一個晶晶圓能被被某個特特殊機(jī)器器加工115到225次之之多，而而且每次次加工處處理所需需的時間間都可能能不同。生產(chǎn)線線的“再進(jìn)入入”是半半導(dǎo)體加加工的特特征，這這在其他他工業(yè)加加工過程程中并不不常見。晶圓是是以分批批或者是是批次形形式在生生產(chǎn)線上上流動的的。在同同一時間間內(nèi)，某某些加工工步驟發(fā)發(fā)生在一一個晶圓圓上，一一些步驟驟發(fā)生在在一整批批晶圓上上，一些些步驟發(fā)發(fā)生在很很多批晶晶圓上（即批處處理）。在每一臺臺機(jī)器之之前，會會有許多多不同種種類，不不同工序序步驟的的待處理理產(chǎn)品，如何選選擇最優(yōu)優(yōu)的排隊隊策略對對整個生生產(chǎn)系統(tǒng)統(tǒng)的效率率有著非非常顯著著的影響響。排隊隊策略決決定一個個機(jī)器

10、空空下來時時其下一一步要做做的工作作。排隊隊原則經(jīng)經(jīng)常用于于瓶頸區(qū)區(qū)域。此外，產(chǎn)品的的釋放策策略可以以通過控控制產(chǎn)品品釋放到到生產(chǎn)各各環(huán)節(jié)的的速度方方式，來來獲得更更短的，更有效效的工藝藝流程時時間?？伎紤]到半半導(dǎo)體晶晶圓加工工過程中中流程的的復(fù)雜程程度、不不可預(yù)知知的事件件、人為為干涉等等，確定定一個最最優(yōu)的排排隊策略略和釋放放策略是是非常具具有挑戰(zhàn)戰(zhàn)性的。為此，我我們利用用一個英英特爾公公司提供供的一個個簡化的的晶圓生生產(chǎn)流程程來建立立EXTTENDD仿真模模型11。下圖是是由英特特爾制造造系統(tǒng)首首席科學(xué)學(xué)家Kaarl Kemmpf提提供的試試驗臺模模型。這這個試驗驗臺是半半導(dǎo)體FFAB中

11、中一個非非常小的的部分的的一個范范例，也也是作為為一個微微型FAAB而提提出的。擴(kuò)散 平面面光刻工工藝 離子子注入圖一.55臺機(jī)器器，6個個步驟的的微型FAAB工藝藝流程示示意圖微型FAAB包括括在3種種不同的的機(jī)器組組，6個步驟驟的工藝藝流程和和2種產(chǎn)產(chǎn)品晶片片和試驗驗晶片。在每個個機(jī)器組組，步驟驟4，55，6處處都是一一個再進(jìn)進(jìn)入入口口。機(jī)器器組包括括擴(kuò)散C1（2個機(jī)機(jī)器Maa和Mbb），離離子注入入C22（2個個機(jī)器MMc和MMd）和和平面光光刻技術(shù)術(shù)C33（一個個機(jī)器MMe）。通過離散散事件模模擬模型型，機(jī)器器利用率率能被觀觀察到并并做多方位位比較，在制產(chǎn)產(chǎn)品隊列列的統(tǒng)計計數(shù)據(jù)能能被記

12、錄錄下來，平均制制造周期期和平均均WIPP能被算算出，產(chǎn)產(chǎn)出量可可以被仿仿真出，瓶頸容容量可以以隨意增增加減少少，預(yù)防防性的維維修進(jìn)程程可以被被模擬，員工數(shù)數(shù)量的波波動影響響可以被被確定。仿真可可以讓管管理層無無需打亂亂工廠的的現(xiàn)狀，花費(fèi)最最小地實實驗各種種假想的的情況。四、排隊隊策略的的理論依依據(jù)半導(dǎo)體集集成電路路中的優(yōu)優(yōu)化排隊隊策略的的提出均均據(jù)于排排隊論中中兩個基基本公式式：Liittlles LLaw和和KinngmaanFoormuula。Litttles LLaw，更多情情況下叫叫庫存規(guī)規(guī)律，是是指：在任意考考察的系系統(tǒng)中，如果NN是存在于于系統(tǒng)的的所有產(chǎn)產(chǎn)品總量量，是產(chǎn)品品在加工

13、工時進(jìn)入入系統(tǒng)的的平均到到達(dá)率，T是停留在在系統(tǒng)中中的平均均周期時間（包括累積積加工時時間加上上累積等待待時間），則有有Kinggmann Foormuula則則說明了了系統(tǒng)中中產(chǎn)品存存量，系系統(tǒng)波動動（輸入入波動和和處理波動動）及加加工負(fù)荷荷之間的的關(guān)系：N=系統(tǒng)統(tǒng)中產(chǎn)品品存量；V=輸入入變量+處理變量量；=加工負(fù)負(fù)荷系數(shù)數(shù)1， 可以看出出， 當(dāng)當(dāng)趨向11時，也也就是當(dāng)當(dāng)機(jī)器（系統(tǒng)）接近滿滿負(fù)荷工工作時，系統(tǒng)中中產(chǎn)品存存量對系系統(tǒng)波動動非常敏敏感。由Litttlees LLaw 和Kinngmaan FFormmulaa看出，為了要要減少整整個FAAB的周周期時間間，則在在產(chǎn)品加加工平均均到

14、達(dá)速速度不變變的情況況下，根根據(jù)Liittlles LLaw，要減少少系統(tǒng)產(chǎn)產(chǎn)品存量量N；同時又又根據(jù)KKinggmann Foormuula，在不變的的情況下下減少系系統(tǒng)波動動V來達(dá)到到減少系系統(tǒng)產(chǎn)品品存量。五、排隊隊策略的的仿真結(jié)結(jié)果利用計算算機(jī)仿真真模型，我們考考察了幾幾個在半半導(dǎo)體集集成電路路行業(yè)中中研究較較多的如如下排隊隊策略：排隊策略略名稱解釋Firsst CComee Fiirstt Seervee (FFCFSS)按照在制制品到達(dá)達(dá)機(jī)器的的先后次次序，先先來先處處理Firsst BBufffer Firrst Serrve (FBBFS)按照工序序順序標(biāo)標(biāo)識緩沖沖，S11-S2

15、2-S33-S44-S55-S66, FFBFSS將高優(yōu)優(yōu)先級賦賦予工序序在先的的緩沖內(nèi)內(nèi)的在途途產(chǎn)品。對于同同一機(jī)器器，低優(yōu)優(yōu)先級的的緩沖中中的產(chǎn)品品必須等等到高優(yōu)優(yōu)先級緩緩沖中的的產(chǎn)品全全部處理理完畢之之后，才才開始處處理。Lastt Buuffeer FFirsst SServve（LLBFSS）按照工序序順序標(biāo)標(biāo)識緩沖沖，S11-S22-S33-S44-S55-S66, FFBFSS將高優(yōu)優(yōu)先級賦賦予工序序在后的的緩沖內(nèi)內(nèi)的在途途產(chǎn)品。對于同同一機(jī)器器，低優(yōu)優(yōu)先級的的緩沖中中的產(chǎn)品品必須等等到高優(yōu)優(yōu)先級緩緩沖中的的產(chǎn)品全全部處理理完畢之之后，才才開始處處理。Miniimumm Reem

16、aiininng PProccesss Tiime (MRRPT)對于同一一緩沖中中的產(chǎn)品品，計算算產(chǎn)品平平均剩余余（理想想）制造造時間總總和， 將排隊隊優(yōu)先順順序賦予予最小剩剩余制造造時間的的產(chǎn)品。Flucctuaatioon SSmooothiing-Meaan CCyclle TTimee(FSSMCTT)對于同一一緩沖中中的產(chǎn)品品，計算算到交貨貨期為止止的允許許剩余時時間和從從此緩沖沖到下一一個緩沖沖所需要要的實際際平均時時間之間間的松弛弛量。松松弛量越越小，優(yōu)優(yōu)先級越越高。FCFSS一般用用來作為為新策略略效果的的比較基基準(zhǔn)。半半導(dǎo)體集集成電路路的制造造周期（Cyccle Timme

17、）的的績效目目標(biāo)有兩兩個方面面，一方方面是減減少制造造周期的的平均時時間，而而另一方方面是減減少制造造周期的的波動范范圍。前前者是為為了提高高生產(chǎn)效效率和設(shè)設(shè)備利用用率，而而后者是是為了取取得一貫貫和持久久的好的的結(jié)果。在文章章5當(dāng)中，Kummar 提出LLBFSS可以對對減少制制造周期期的平均均時間有有益。因因為，根根據(jù)Liittlless Laaw, 如果要要減少制制造周期期的平均均時間，在產(chǎn)品品釋放到到系統(tǒng)的的速率不不變的情情況下，就要減減少在途途庫存。因此，機(jī)器的的最佳策策略就是是盡可能能快的將將存留在在系統(tǒng)中中的產(chǎn)品品清理出出去，越越是離處處理結(jié)束束越近的的產(chǎn)品，越需要要盡快處處理掉

18、。但是這個個理論對對于多產(chǎn)產(chǎn)品種類類，并且且產(chǎn)品工工藝路線線和處理理時間都都不相同同的處理理情況就就顯得過過于簡單單了。為為此，MMRPTT秉持同同樣的理理論依據(jù)據(jù)，但是是考察每每種產(chǎn)品品的平均均剩余制制造時間間的總和和。最簡簡單的做做法就是是將每種種產(chǎn)品剩剩余工序序的定額額時間累累積起來來（Suum oof rremaainiing proocesss ttimee），時時間越少少，優(yōu)先先級越高高。但是是，根據(jù)據(jù)前文所所述，在在半導(dǎo)體體集成電電路行業(yè)業(yè)中，平平均制造造周期（Meaan CCyclle TTimee）和理理論制造造周期（Summ off prroceess timme）之之比（

19、稱稱作實際際理論論率）在在2.55倍和110倍之之間波動動，遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其其他制造造行業(yè)。用定額額時間作作為排序序依據(jù)會會與實際際情況相相差過大大。為此，LLu33根據(jù)據(jù)Litttlees Laww 提出出了一類類排序策策略叫波波動平穩(wěn)穩(wěn)策略（Fluuctuuatiion Smooothhingg）。這這類策略略認(rèn)為產(chǎn)產(chǎn)品流到到各個處處理機(jī)器器的類似似“脈沖沖”的不不規(guī)律的的波動性性是導(dǎo)致致制造周周期變長長的根本本原因。如果將將產(chǎn)品在在復(fù)雜生生產(chǎn)系統(tǒng)統(tǒng)中的移移動看作作是產(chǎn)品品流，這這類策略略試圖使使這些產(chǎn)產(chǎn)品流變變得更加加平穩(wěn)，波動更更加趨緩緩。這類類策略之之一的FFlucctuaatioon

20、SSmooothiing-Meaan CCyclle TTimee(FSSMCTT)是可可以既減減少平均均制造周周期，又又可以減減少制造造周期波波動的比比較好的的辦法。雖然文文獻(xiàn)33中對對原理做做了解釋釋，但更更側(cè)重于于單種產(chǎn)產(chǎn)品的復(fù)復(fù)雜再進(jìn)進(jìn)入流程程，而我我們則借借助計算算機(jī)仿真真模型，對多種種產(chǎn)品種種類的再再進(jìn)入流流程應(yīng)用用FSMMCT也也做個研研究，得得到同樣樣類似的的結(jié)論。以FCFFS的平平均制造造周期為為基準(zhǔn)，下表列列出了我我們對以以上幾種種排隊策策略對制制造周期期的縮短短率：排隊策略略比FCFFS基準(zhǔn)準(zhǔn)制造周周期縮短短FBFSS17.11%MRPTT19.66%LBFSS22.44

21、%FSMCCT30.22%雖然，F(xiàn)FCFSS的平均均制造周周期最長長，但是是制造周周期的波波動性（Varriabbiliity）并不一一定最大大。我們們仿真的的結(jié)果顯顯示FSSMCTT不但使使平均制制造周期期縮短最最多，而而且使制制造周期期的波動動性（標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)方差差）最小小。 五總結(jié)結(jié)EXTEEND提提供了有有力的工工具來研研究多種種策略對對績效指指標(biāo)的影影響。 按照國國外文獻(xiàn)獻(xiàn)記載，許多排排序策略略和釋放放策略可可以比FFCFSS策略縮縮短制造造周期達(dá)達(dá)20到30022， 而且隨隨著生產(chǎn)產(chǎn)流程和和工序的的復(fù)雜程程度不斷斷增加，優(yōu)化策策略對生生產(chǎn)效率率的提高高將更加加明顯1。鑒于這這片文章章成稿

22、之之時，許許多策略略還在試試驗之中中，更多多的研究究結(jié)果將將會不斷斷得出，歡迎感感興趣的的讀者和和本文作作者聯(lián)系系。（ HYPERLINK mailto:王巖峰的聯(lián)系是yanfeng.wang 王巖巖峰的聯(lián)聯(lián)系是yyanffengg.waangedggesttonee-itt.coom; HYPERLINK mailto:閔春燕的聯(lián)系是mcy 閔春燕燕的聯(lián)系系是mccyn）。參考文獻(xiàn)獻(xiàn)：【1】KKEMPPFK, “Dettailled Desscriiptiion of Mulltipple Prooducct RRe-eentrrantt Seemiccondducttor Mannufaa

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27、（上海海）有限限公司創(chuàng)創(chuàng)始人和和總經(jīng)理理。曾工工作于美美國i22 Teechnnoloogiees, Tycco EElecctrooniccs, Pannasoonicc，從事事利用計計算機(jī)仿仿真技術(shù)術(shù)進(jìn)行流流程效率率改善和和供應(yīng)鏈鏈物流管理理，服務(wù)務(wù)的客戶戶包括許許多世界界5000強(qiáng)企業(yè)業(yè)，例如如Forrd, Catterppilllar, Booschh, TToyoota等等等。聯(lián)系方方式：上上海徐匯匯區(qū)漕溪溪路1335號金金浦大樓樓4066室（22002235）；電子子郵件yyanffengg.waangedggesttonee-itt.coom.Simuulattionn Teec

28、hnnoloogy Apppliccatiion in Opttimaal SSemiiconnducctorr annd IInteegraatedd Ciircuuit Mannufaactuurinng PProccesss MaanaggemeentAbsttracctThe proocesss oof ssemiiconnducctorr annd IIC mmanuufaccturringg iss hiighlly ccompplexx annd ccapiitall inntennsivve. Diffferrentt frrom othher mannufaactuurinn

29、g pproccessses, thhe uuniqque commpleexitty eexhiibitted in 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 maachii

30、ne sevveraal ttimees tto ccompplette tthe prooducctioon rreciipe 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 alllocaatioon. Cyccle timme rreduuctiion hass beeen onee off moost impporttantt reeseaarchh suubjeectss inn seemiccondducttor inddusttry dommestticaallyy annd iinteernaatioonallly. Annd iit hhas beeen sshowwn tthatt