這篇部落格文章最初發表於 cimetrix.com
鑑於全球半導體工廠在大多數市場領域均處於滿載運轉狀態，生產力現已成為整個產業關注的重點，這也就不足為奇了。 工廠經理們會仔細監控其關鍵績效指標（KPI），以察覺任何生產力下降的跡象，從而迅速採取行動，找出並解決這些偏差的根本原因。與此同時，他們也質疑現有的生產力指標是否能準確反映工廠的實際表現，因為這些追蹤系統可能已沿用多年，卻未經更新以充分利用現有的完整生產力標準及相關的數據蒐集基礎設施。
如果您正是懷抱這類疑問的人士之一，這篇部落格文章以及其背後簡報中所傳達的資訊，正是為您而準備的。在這些內容中，我們將闡明複雜製造環境中生產力管理的關鍵原則，闡述 SEMI 為支援此流程而歷經多年定義與精進的各項標準體系，辨識實施這些標準所需的各類資料來源、蒐集方法及系統組件，並提供數個具體案例，說明這些要素如何相互配合。
生產力原則
製造業生產力管理可能頗具挑戰性，因為某些指標本身存在權衡關係（參見直觀圖解）。因此，必須將這些指標視為一個整體來考量，而非各自為政……
- 品質
- 容量
- 吞吐量
- 週期時間
- WIP 層級
- 準時交貨
- 設備利用率
最顯而易見的例子之一，便是設備利用率與週期時間之間的衝突，特別是在晶圓廠這種存在循環式製程的環境中，此類製程會多次使用同一台設備。為了將週期時間縮至最短，您會希望確保產品原料絕不會因等待設備空閒而造成延誤。然而，這將導致非瓶頸設備在某些時間處於閒置狀態。 另一方面，若將設備利用率最大化，在製品（WIP）水準將會上升，進而惡化流程中排隊等待下一台設備的物料之週期時間。如此類推。
SEMI 生產力提升標準
SEMI 在制定用於測量和監控設備及工廠生產力的標準指標方面擁有悠久的歷史，但幾乎沒有哪家公司能充分利用這些標準。造成這種情況的可能原因包括：對現有標準缺乏了解、對實施標準所需的條件理解有限、與穩健實施所需資料來源的連通性不足、建置此類系統所需的財務與人力資源有限，以及缺乏監督全面生產力管理策略所需的專業知識延續性。 這些挑戰固然艱鉅，但在當前產能受限的環境下，克服這些挑戰仍是值得的。
本文旨在探討上述挑戰中的前兩項；而憑藉我們產品組合中的連線解決方案，PDF Solutions 旗下的 Cimetrix™ 連線事業部能夠協助解決第三項挑戰。
SEMI 針對「整體設備效能／效率」（OEE）所制定的標準包括：
- E10、E58 – 設備可靠性、可用性、可維護性（RAM、ARAMS）
- E79、E116 – 設備生產力測量、設備績效追蹤
這些標準的主要目標是全面記錄設備在工廠中的每分每秒，將這段時間劃分為互不重疊的狀態，藉此凸顯並最大化處於「生產性」狀態的時間，同時將處於「非生產性」狀態的時間降至最低，並找出其根本原因。 這些標準歷經長期演進，從最初定義六種 E10 設備狀態（見下圖），到定義眾多實用的子狀態；根據這些狀態制定計算各類效率指標與「損失」類別的公式；將這些公式應用於複雜的多模組設備類型；以及描述自動化收集事件資料的方法，以記錄狀態之間的轉換等。
雖然需要消化的大量資訊，但在實施過程中的每一步，都能透過改善與 OEE 相關的關鍵績效指標（KPI），為這項投資帶來回報。
另一項較新但較不為人知的 SEMI 生產力標準，雖同樣以「善用每一分鐘」為目標，但關注的重點在於工廠內產品材料（批次、基板、元件）的生命週期，而非設備本身。這些標準源自 Sematech 的「等待時間浪費」計畫——現稱為「產品時間測量」——內容包括以下幾項：
- E168 – 產品工時測量規範（術語、概念、工時要素等）
- E168.1、.2、.3 – 適用於 300 公釐生產設備、物料控制系統（MCS）及運輸設備（AMHS）的 PTM
這些標準將產品物料的時間劃分為兩種主要狀態——「活躍」與「等待」——並在這些類別中明確定義「時間元素」（以及相關的 GEM/GEM 300 開始／結束觸發事件），用以描述物料在「活躍」期間的狀態（例如：加工、移動、脫氣、 等），以及在「等待」期間材料正在等待什麼或誰（FOUP 卸載、機械手臂、閘閥開啟、製程配方啟動等）。下圖展示了一個批次在兩個相鄰製程步驟的完成事件之間，一連串的「等待」與「活動」時間元素序列。
根據熟悉複雜多室設備運作模式的工廠營運經理所作的保守估計，此類設備尚有 5% 至 7% 未被充分利用的產能，而像 E168 這種以產品材料為重點的標準，有望揭露並充分發揮這部分產能。
基礎架構建置技術
在確定您欲實施哪些標準以及實施範圍後，接下來的任務是識別工廠中必須與您的資料蒐集基礎架構連接的具體資料來源／元素，並建立資料流動的通道。值得慶幸的是，所需資訊中有超過 95% 至少在以下其中一套 SEMI 標準套件中有所提及：
GEM/GEM300
- E30、E40、E94 – 機器狀態、製程工作管理、控制工作管理
- E87、E90 – 載體管理、基板追蹤
- E157 – 模組製程追蹤、配方執行追蹤
設備資料擷取（EDA／介面 A）
- E120、E125、E164 – 設備元資料模型
- E132 – 身分驗證與授權
- E134 – 資料蒐集管理
此外，市面上已有大量商業軟體能實現這些標準，因此完全沒有必要自行開發。然而，此過程中剩下的挑戰在於驗證供應商是否已在設備中忠實地落實這些標準，以及生產力標準所要求的事件語義在整個工廠內是否保持一致。 舉例來說，提供符合 SEMI E164 標準（EDA 通用元資料）之 EDA 實作的 300mm 製程設備，將包含完整的 GEM 300 事件集，且其狀態／事件／參數名稱均完全一致。其他設備介面實作可能存在細微差異，這就需要在事件處理中建立自訂的映射層。
下圖顯示了部分 E168 時間元素定義中所使用的 E90（基質追蹤）狀態機，以及用於定義 EDA 資料蒐集計畫（DCP）的相應符合 E164 標準的元資料模型內容；這些 EDA 資料蒐集計畫可即時提供此類資訊。
在「工廠端」，整合現代商業系統技術同樣具有其合理性，尤其是因為新的生產力基礎架構可以作為一個獨立且互補的系統來建置，而非試圖將其硬塞進現有的工廠系統架構中。此類系統的雲原生實例之高階架構圖如下所示。 請注意，該系統在最底層支援多種資料來源類型（設備、子系統、感測器），並採用多種連線標準（GEM、EDA、OPC UA、MQTT），所有這些皆由一層 RESTful API 進行抽象化處理，進而支援多供應商的應用程式生態系統。
