人工智能介入芯片制造流程

文︱LAURA PETERS

來源︱Semiconductor Engineering

編譯 | 編輯部

受到芯片短缺影響，晶圓廠和OSAT紛紛加大產(chǎn)能建設(shè)，并評(píng)估將人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)介入芯片制造，能否帶來更大的效益。

尤為重要的一點(diǎn)是，鑒于市場(chǎng)分析師對(duì)市場(chǎng)增長的預(yù)期，預(yù)計(jì)未來五年內(nèi)，芯片制造業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模將翻一番，工廠、人工智能數(shù)據(jù)庫和工具的整體改進(jìn)對(duì)于提高生產(chǎn)率至關(guān)重要。

“我們不會(huì)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中失敗，因?yàn)閯e無選擇，”Inficon負(fù)責(zé)智能制造的總經(jīng)理John Behnke表示。“所有晶圓廠的產(chǎn)能都將提升20%至40%，但現(xiàn)階段，在18到36個(gè)月內(nèi)，他們都難以獲得新工具。為了充分利用這些潛力，我們將克服人類對(duì)變革的歷史恐懼?！?/p>

此外，這種變化需要有明確的投資回報(bào)率。“對(duì)我來說，一切都?xì)w結(jié)為成本，”人工智能驅(qū)動(dòng)的APC軟件的初創(chuàng)公司Sentient的首席執(zhí)行官Abeer Singhal指出?！拔覀?yōu)槭裁匆獙?shù)據(jù)遷移到云中？因?yàn)槲覀兿Ｍ强稍L問、可計(jì)算的。即便有下載、存儲(chǔ)和計(jì)算成本，但工程師希望擺脫為所有事情調(diào)用IT的現(xiàn)狀。他們希望收集高頻數(shù)據(jù)，同時(shí)做出明智的決策。”

其中一個(gè)重大挑戰(zhàn)是高度規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的制造業(yè)，該部門通過大部分漸進(jìn)式改進(jìn)取得了顯著收益。“半導(dǎo)體行業(yè)有很多技術(shù)類型的進(jìn)步，但我們通常在進(jìn)行業(yè)務(wù)變革方面非常緩慢，”數(shù)據(jù)庫供應(yīng)商KX Systems半導(dǎo)體和制造副總裁Bill Pierson認(rèn)為。“部分原因是因?yàn)槟阍谝粋€(gè)已經(jīng)建成的工廠里，它正在運(yùn)行并獲得高產(chǎn)量，所以為什么要改變它呢？但是，我們看到自上而下的管理策略是試圖打破數(shù)據(jù)孤島，確保所收集的數(shù)據(jù)將提供給所有必要領(lǐng)域的工程師?！?/p>

其他人則指出了類似的趨勢(shì)?！叭藗冚p易不會(huì)做出改變，”納米生物科學(xué)負(fù)責(zé)人兼紐約州立大學(xué)理工學(xué)院教授Scott Tenenbaum表示?！靶鹿谝咔槭且粋€(gè)很好的契機(jī)，人們嘗試了他們永遠(yuǎn)不會(huì)嘗試的事情，除非他們必須這樣做。我們的很多技術(shù)都是這樣的。舊技術(shù)消失了，你別無選擇，只能使用新技術(shù)。”

在SEMI先進(jìn)半導(dǎo)體制造大會(huì)的小組討論中，與會(huì)者指出了涉及AI/ML和全球晶圓廠的10個(gè)趨勢(shì)或建議：

到2025年，半導(dǎo)體領(lǐng)域的AI/ML將達(dá)到1000億美元；

工程師在調(diào)度和缺陷分類方面的成果唾手可得；

數(shù)字孿生和分析正在實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)；

非增值步驟可能會(huì)被跳過、縮短或移動(dòng)；

晶圓廠現(xiàn)在正在招聘數(shù)據(jù)工程師；

大數(shù)據(jù)很好，但正確的數(shù)據(jù)更好；

工具狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)（SEMI E10）有助于透明度；

ML在測(cè)試平衡良率、缺陷、測(cè)試成本；

投資回報(bào)率承諾克服了行業(yè)的不情愿；

必須內(nèi)置數(shù)據(jù)庫安全性。

SE：麥肯錫最近的一份報(bào)告顯示，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)產(chǎn)生了約50億至80億美元的芯片收入，約占設(shè)備總收入的10%。預(yù)計(jì)到2025年，這一數(shù)字將增長到1000億美元左右。你同意這個(gè)估計(jì)嗎？

Behnke：顯然，我們可以看到AI、ML等技術(shù)在半導(dǎo)體制造中的廣泛應(yīng)用，為半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)生了15%以上的價(jià)值。這不認(rèn)為這意味著它會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)行業(yè)，晶圓廠撐起了950億美元的市場(chǎng)份額，但利用先進(jìn)技術(shù)能力，晶圓廠在未來五年內(nèi)將至少能夠再擴(kuò)大950億美元。

半導(dǎo)體領(lǐng)域的AI / ML在2021年創(chuàng)造了70億美元的價(jià)值，占芯片收入的10%，預(yù)計(jì)到2025年將上升到設(shè)備收入的20%達(dá)900億美元（圖源：麥肯錫公司）

Pierson：我們正試圖通過提高這些工程師的勞動(dòng)力來提高晶圓廠的生產(chǎn)力并降低成本。勞動(dòng)力是其中的關(guān)鍵部分。

SE：關(guān)于這一點(diǎn)，在晶圓廠中采用AI/ML將會(huì)得到哪些唾手可得的成果？

Singhal：大數(shù)據(jù)和人工智能算法代表了APC工程師的范式轉(zhuǎn)變。與過去相比，如今可以在幾分鐘內(nèi)構(gòu)建復(fù)雜的流程模型。例如，AI輔助運(yùn)行到運(yùn)行的控制器可以提取內(nèi)聯(lián)SPC數(shù)據(jù)，將其與100多個(gè)FDC和良率指標(biāo)相結(jié)合，以提供對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的洞察并提出改進(jìn)建議。

另一個(gè) AI 用例是構(gòu)建自適應(yīng)工具狀態(tài)模型，以防止計(jì)劃中或計(jì)劃外的工具事件過多的提前發(fā)送。人工智能的潛力是無窮無盡的。

Behnke: 到目前為止，晶圓廠投資回報(bào)率最高的應(yīng)用是調(diào)度。工具必須在六個(gè)月或更短的時(shí)間內(nèi)提供價(jià)值，包括ROI、周期時(shí)間改進(jìn)或其他KPI。因此，智能制造很大程度上是采用工程師幾十年來一直在工作的環(huán)境以及豐富的歷史數(shù)據(jù)，升級(jí)這些環(huán)境來創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字孿生體，這有點(diǎn)像類固醇上的模擬器，使用計(jì)量學(xué)和傳感器以及其他數(shù)據(jù)源，使得孿生體的信息實(shí)際上具有更高的保真度和對(duì)工廠的理解。這種數(shù)字表示會(huì)查看當(dāng)前事件和選項(xiàng)，通過基于ML的歷史學(xué)習(xí)利用其具有的價(jià)值，并快速確定下一步應(yīng)該做什么。顯而易見的是調(diào)度。我應(yīng)該在什么工具上放什么批次，以什么順序？更重要的是，應(yīng)該設(shè)置工具來做什么？這適用于APC，F(xiàn)DC 2.0（故障缺陷分類）等。如今，芯片制造商擁有在晶圓廠層面實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的工具，真正令人興奮的是，在五年左右的時(shí)間里，公司內(nèi)的所有工廠都利用這些工具，從晶圓廠到組裝和封裝。

Singhal: 客戶希望從呼叫IT處理所有事情的麻煩中解脫出來。這是將所有內(nèi)容推送到云的重要驅(qū)動(dòng)因素。但他們也希望能夠以每秒100千兆的速度下載。因此，我們談?wù)摰氖菐挘@是有成本的，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并使其可用。對(duì)于目前芯片的發(fā)展趨勢(shì)，這些芯片專門設(shè)計(jì)成能夠在芯片上集中處理信息，而不是在一起工作的不同系統(tǒng)中。

高級(jí)算法可使用可操作數(shù)據(jù)處理歷史數(shù)據(jù)，以便在決策價(jià)值最高的情況下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)決策（圖源：Gartner）

SE：半導(dǎo)體短缺對(duì)芯片制造有何影響？

Behnke：當(dāng)今社會(huì)與過去完全不同，所以人們現(xiàn)在明白，我們需要開始更聰明地做事。高管與董事會(huì)都參與其中，他們承受著巨大的壓力。在新的董事會(huì)會(huì)議記錄中，他們被問到，“你的智能制造戰(zhàn)略是什么？這在兩年前還沒有爆發(fā)疫情的時(shí)候是聞所未聞的?！?/p>

Pierson: 我們正在轉(zhuǎn)向以數(shù)據(jù)為中心的世界，我看到的變化之一是一級(jí)芯片公司都擁有這些所謂的數(shù)據(jù)工程師團(tuán)隊(duì)。他們不是數(shù)據(jù)科學(xué)家，也不是主題專家。他們是數(shù)據(jù)工程師，負(fù)責(zé)整個(gè)組織并為整個(gè)組織中的人員準(zhǔn)備數(shù)據(jù)以供使用。隨著這種數(shù)據(jù)爆炸的發(fā)生，需要認(rèn)識(shí)到，對(duì)這個(gè)定義的角色有很大的需求，人們需要認(rèn)識(shí)到需要格式化數(shù)據(jù)。大多數(shù)數(shù)據(jù)都有一個(gè)時(shí)間戳，所以也許我們可以索引時(shí)間序列。

SE：特別是對(duì)于傳統(tǒng)晶圓廠來說，學(xué)習(xí)曲線是什么樣的？

Pierson: 這是一個(gè)旅程，有些公司比其他公司更先進(jìn)。一些工程師可能使用鉛筆和紙墊，他們只需要能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并想要一個(gè)儀表板。這是旅程的早期部分。有些人正在談?wù)撟鰯?shù)字孿生體并在整個(gè)工廠擴(kuò)張。這個(gè)旅程將繼續(xù)下去，對(duì)我們的工作方式進(jìn)行評(píng)分將需要5到10年的時(shí)間。每個(gè)晶圓廠都是不同的，你必須在他們所在的地方與他們見面。

工廠運(yùn)轉(zhuǎn)的各個(gè)方面都可以利用以數(shù)字孿生為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理和分析（圖源：Inficon）

Behnke：對(duì)于更多可能性的探索是人工智能其中一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。人工智能不只是獲取某個(gè)參數(shù)，而是會(huì)獲取每個(gè)參數(shù)和每個(gè)組合。人工智能的功能很強(qiáng)大，據(jù)我所知，沒有人能做到這一點(diǎn)?，F(xiàn)階段，智能終端搭載了越來越多的傳感器，因此系統(tǒng)將越來越智能。而AI是我們遇到的最好的技術(shù)，可以捕獲任何無法通過肉眼識(shí)別的信息。

Tenenbaum：然而相應(yīng)地，人工智能普遍被過度炒作。人工智能在針對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)集的識(shí)別方面極具優(yōu)勢(shì)，但它不太擅長識(shí)別隨機(jī)事件。以用于預(yù)測(cè)股市的人工智能技術(shù)為例，在基于專業(yè)交易者時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)運(yùn)作良好。但對(duì)于業(yè)余交易者和“羅賓漢”，或?qū)τ谕ㄅ浞捅忍貛?，該技術(shù)在數(shù)據(jù)分析方面則表現(xiàn)不佳。因此，當(dāng)你談?wù)撊绾巫屓斯ぶ悄芙槿氘a(chǎn)品制造時(shí)，人工智能技術(shù)在對(duì)可預(yù)測(cè)事項(xiàng)的預(yù)測(cè)中很有優(yōu)勢(shì)。但是，同樣代價(jià)高昂的一次性事件，對(duì)于人工智能來說則非常具有挑戰(zhàn)性。

SE：當(dāng)行業(yè)轉(zhuǎn)向300mm晶圓時(shí)，各公司之間進(jìn)行了更加密切的合作，并制定了SEMI標(biāo)準(zhǔn)。你看到這里發(fā)生了什么？

Behnke：行業(yè)內(nèi)制定了E10標(biāo)準(zhǔn)，即SEMI E10設(shè)備可靠性、可用性和可維護(hù)性規(guī)范。通過這一規(guī)范，可以更好地跟蹤模塊化系統(tǒng)中的工具，以提高利用率?，F(xiàn)階段，該規(guī)范并沒有得到那么廣泛的報(bào)道，但業(yè)界已經(jīng)有一些企業(yè)開始采用。隨著這些解決方案的推進(jìn)，這將是一個(gè)很大的幫助。

對(duì)晶圓缺陷的高度關(guān)注給減少非增值步驟帶來了很大的壓力，特別是晶圓和器件的計(jì)量和測(cè)試。在半導(dǎo)體測(cè)試領(lǐng)域，為了確保檢測(cè)可能影響可靠性的潛在缺陷，系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的應(yīng)用需求越來越旺盛。

“像Nvidia、AMD和Intel這樣的領(lǐng)導(dǎo)者已經(jīng)這樣做了多年，但最近公司一直在更快地進(jìn)行更多的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，以對(duì)內(nèi)存和其他測(cè)試進(jìn)行功能測(cè)試，”Advantest的Dave Armstrong表示?！八麄儼l(fā)現(xiàn)兩個(gè)教學(xué)測(cè)試是不夠的，所以他們需要做高速測(cè)試，以確保一個(gè)已知的良好的小芯片?！?/p>

對(duì)額外測(cè)試的需求很大程度上是由潛在缺陷問題的新知識(shí)驅(qū)動(dòng)的，這些信息是通過學(xué)習(xí)平臺(tái)獲得的。“高級(jí)數(shù)據(jù)分析提供了對(duì)異常值檢測(cè)的洞察，并指導(dǎo)我們進(jìn)行測(cè)試儀和測(cè)試程序設(shè)計(jì)，”Armstrong稱。

半導(dǎo)體測(cè)試也從切割大量測(cè)試數(shù)據(jù)的能力中受益匪淺。大型測(cè)試設(shè)施每天可生成高達(dá)4TB的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)用于反饋過程，以提高產(chǎn)量和質(zhì)量。

Teradyne運(yùn)營高級(jí)副總裁Ken Lanier指出，測(cè)試儀上的多個(gè)傳感器還可以監(jiān)控芯片的電壓、溫度和其他參數(shù)，這些參數(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)一起可以實(shí)時(shí)修改測(cè)試過程。

“由于測(cè)試是發(fā)布到生產(chǎn)環(huán)境之前的最后一步，因此在幾周內(nèi)調(diào)試大量軟件程序和測(cè)試模式數(shù)據(jù)的壓力很大，因?yàn)榫幊体e(cuò)誤可能導(dǎo)致IC生產(chǎn)商丟棄數(shù)百萬美元的好設(shè)備，或者更糟糕的是，運(yùn)送壞設(shè)備。在良率、缺陷率和測(cè)試成本之間進(jìn)行權(quán)衡，需要對(duì)設(shè)計(jì)仿真、測(cè)試程序和機(jī)器學(xué)習(xí)工具進(jìn)行大量投資，以識(shí)別最輕微的異常，標(biāo)記測(cè)試設(shè)備上的問題并縮短調(diào)試周期，“Lanier表示。

展望未來，數(shù)據(jù)安全是另一個(gè)需要解決的問題，因?yàn)樗菙?shù)據(jù)共享的障礙?！斑@些數(shù)據(jù)庫需要是非常安全的環(huán)境，因?yàn)闆]有人愿意出于IP原因共享數(shù)據(jù)，”Inficon的Behnke表示?！皼]有人愿意共享數(shù)據(jù)，因?yàn)樗麄冞€擔(dān)心安全方面的問題。”

半導(dǎo)體行業(yè)正在努力保護(hù)自己的片上數(shù)據(jù)，但它也在擴(kuò)大這一努力，將電子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫納入其工廠。這可能需要時(shí)間，但它被視為必要的步驟，因?yàn)楣聧u被打破，數(shù)據(jù)跨越傳統(tǒng)的分界線。