代工厂经济
缩短周期 优点诸多 Doug Sutherland – KLA-Tencor Corporation
随着消费电子产品愈加推动代工厂经济，代工厂中晶片的周期时间已经在很大程度上决定了半导体产品的上市时 间。降低周期时间和提高运行效率可以在晶片代工厂环境中提供更高的有效性、加速上市时间。
测量与检测步骤通常要占到晶片代工厂整个周期时间的 大约 5%，但它们以提高成品率的形式而为工艺增加的 价值却比其周期时间成本高一个数量级。但是，周期时 间管理计划要想成功，就必须是一种整个代工厂范围的 活动，同样还要注意缩短代工厂中每个工具集的周期时 间。近年来，晶片代工厂中出现了一种偏离工具使用率 最大化的趋势，即降低每个晶片的成本并最大程度地缩
市场下跌时，现有的未成品也较少。Clayton Christensen2 对周期时间的最佳价值做了总结。他说： “在对一项改进或工艺进行鉴定时，多延长一天的开发时 间就如同为工厂将要生产的每一个晶片支付了 3.44 美元。 此外，如果达到成熟芯片成品率的时间多用一天，就如同 为将要生产的每个晶片支付了 1.35 美元；或者，如果周期 时间延长一天，就如同为每个晶片支付了 3.04 美元。”
短周期时间，这样可以提高收入和利润。这两个目标是 相互矛盾的，因为使用率的下降会缩短周期时间，同时 也会降低生产率。最佳的做法是在两者之间达到平衡。
从这段话中我们可以体会到 CT 的价值：周期时间每缩 短一天，就相当于每年大约 1 百万美元（30,000 WSPM x 12 个月 x 3.04 每个晶片 = 每年 110 万美元）。
缩短周期时间 (CT) 有许多优点；其中最主要的优点是加 快上市时间。几乎所有的半导体产品，如 DRAM、闪存、 逻辑器件等，其价格都会随着时间而迅速下降。一般 而言，从产品首次推出开始，价格会每年下降 50% 到 80%。较短的周期时间保证了从产品开始制造到上市这 段时间的价格下降较少，从而得到较高的 ASP。其他优 点还有学习周期 (COL) 缩短和在制品 (WIP) 减少等。在 研发中，较短的 COL 意味着更短的开发时间，转换到生 产中便是更快的成品率提升。WIP 和 CT 之间的关系通 过 Little 定律来表示：1
从数学角度来看，CT 等于排队时间（一批产品等待加 工的时间）与加工时间（在工具中花费的时间）之和。 加工时间是直接计算得到的，排队时间 (QT) 则是三个单 独函数的乘积。3
QT = {ƒ（可变性）} {ƒ（使用率）} {ƒ（有效性）} 上述公式没有唯一的正确版本；它有几个结合版本，因 各人希望结合的细节水平不同而具有不同的复杂程度。 但是，QT 的所有数学表达式都具有以下四个共同特征：
WIP = (CT) x（开始速率）
1) 无可变性的系统也没有排队时间：当 ƒ（可变 性）=0 时，QT=0
从上面的公式可以看出，对于一个给定的开始速率来
2) ƒ（使用率）与 1/（1-使用率）成比例：CT 随着 使用率的增大而成指数增加。
说，WIP 将随着 CT 线性下降。其优点是任何时间在代工 厂中的批次都比较少，这样可以降低管理费用，在需要 工艺变更时受到影响的批次较少；并且还可以减少发生 成品率异常时遭受风险的批数。较低的 WIP 还意味着当 2007 年夏 Yield Management Solutions
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3) ƒ（使用率）还与 1/（工具数）成比例：CT 随着 工具的增多而下降。 4) ƒ（有效性）与 1/（有效性）成比例：CT 随着有 效性（正常运行时间）的增大而成指数下降。 24
代工厂经济 单靠低使用率和高有效性还不能保证较低的 CT；只有通 过消除所有的可变性来源，才能保证 QT 变成零。在数 学上，可变性等于系统标准偏差除以其平均值。在晶片 代工厂中，可变性有三个主要的来源： 1) 批到达速率的可变性 2) 批加工时间的可变性 3) 工具停工时间的可变性 图 1 显示了具有一至五个采取单位可变性和 100% 有效 性的相同工具集的运行曲线（CT — 使用率图）。此处 的要点是：将一个工具换为两个，结果远远不止是生产 能力的翻番。对于相同的 CT，一个工具时的使用率为 60%，您可以运行两个工具而达到接近 80% 的使用率。 您不但是工具数量增加了一倍，而且每个工具处理晶 片的量也增加了大约 30%，相当于提高了 260%。使用 n+1 个工具的影响不如使用更大的工具集那样显著，但也 适用相同的原则，这是较大晶片代工厂采用的重要规模 经济原则之一。较大的代工厂一般都具有较低的 CT 和 较低的单位晶片成本，这是因为它们的工具可以实现较 高的使用率，不需要达到运行曲线的最陡峭部分。
较大的代工厂一般都具有较低的 CT 和较低的单位晶片成本，这是 因为它们的工具可以实现较高的 使用率，不需要达到运行曲线的 最陡峭部分。 另一个有趣的情况是匹配，因为采用专用（或“金”） 工具对于 CT 来说是最糟糕的情况之一。图 3 显示了在 工艺中采用五个匹配明场检测工具来检测五层与采用四 个匹配工具检测四层及一个专用（金）工具检测一层 时对 CT 的影响。（为了简化，此处采取了 100% 的取 样率）。五层不再全部经历五工具运行曲线（见图 1） 所代表的周期时间，而是有四层经历四工具曲线所代表 的周期时间，另一层经历单工具的工具集曲线所代表的 CT。在这种情况下，不匹配工具的净影响使工具集的 总 CT 增加了一倍（图 3）。代工厂可以通过对工具进 行处理来减轻这种影响，就像没有金工具时它们就会匹 配一样（即，不再让整批等待金工具，而是让其在其他 工具上运行）。但是，这需要付出 Beta 风险的代价。
6
4.0 1000 Hrs MTBI
1 Tool 2 Tools 3 Tools 4 Tools 5 Tools
5 4
100 Hrs MTBI
Cycle Time (Days)
Cycle Time ( x Process Time)
除了工具数量之外，对 CT 的其他一级影响还包括相关 变量、有效性和使用率。如果我们将有效性和使用率分 别人为设定为 95% 和 85%，则可以看到周期时间的一些 有趣的异常趋势。例如，对于一个给定的有效性，CT 实际上会随着 MTBI 的增加而增大。即，最好将相同的 停机时间分为许多短事件（低 MTBI 和低 MTTR）， 而不是少数几个长事件（高 MTBI 和高 MTTR），如 图 2 所示。这不是工具设计方面的问题，因为我们通常 假设较高的 MTBI（较少的系统停机事件）相当于较高 的有效性。但从服务的角度来看，我们常常会采用这样
一个实用定律：“如果我们解决问题 A，我们可能也会 同时调整 B、C 和 D。”这种比较主观的方式增加了工 具 MTBI 和 MTTR，但并未显著提高有效性（即，总的 修理时间保持未变），从而增加了 CT。通常，我们的 最佳方案对降低客户的 CT 来说常常是反直观的（也是反 生产率的）。
3 2 1 0 0%
20%
40%
60%
80%
100%
Utilization
图 1：具有 1 至 5 个工具的工具集周期时间与使用率。CT 的单位是 工具加工时间的倍数。大型代工厂的每个工具集中都有多个工具，因 此具有一定的优势，因为它们可以在较高的使用率下运行，而对 CT 的 影响却不大。
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3.0
2.0
1.0
0.0 50%
60%
70%
80%
90%
100%
Utilization
图 2：具有相同有效性 (95%) 但不同 MTBI（和 MTTR）的两个工具集 的周期时间与使用率。从 CT 的角度看，对于相同的有效性，多个较 短的停机事件（MTBI = 100 小时）比少数较长的停机事件（MTBI = 1000 小时）好。此例中的差别在 85% 使用率时约为 1 天。
25
代工厂经济 服务合同为周期时间管理提供了三重的优点。第一也是 最重要的一点是，这样可以提高工具的有效性。而这反
4.0 1 Golden & 4 Matched
过来又会自动降低使用率（使用率等于生产时间除以可
Cycle Time (Days)
5 Matched Tools
用时间）。最后，服务合同会显著降低停机时间的可变
3.0
性，其本身对 CT 就有很大的影响。图 4 显示了两种不 同条件下的六个明场检测工具的运行曲线：一种是其可
2.0
靠性特点是典型的可付费工具，另一种是六种工具涵盖 1.0
0.0 50%
在一个服务合同内。响应时间的加快（缩短停机时间、 提高有效性）和停机时间的可变性下降可使 CT 缩短约 60%
70%
80%
90%
100%
Utilization
1.9 日。另一个关键因素是由于使用率等于生产时间除以可 用时间，付费时按 85% 的使用率运行的工具集在服务合 同中可以在 82% 左右的使用率下运行。
图 3：层采用专用的“金工具”会产生一种“单工具”环境（参见 图 1）并导致周期时间显著增加，这种情况在较高的使用率时会更加 剧。在这种情况下，工具不匹配可能会造成周期时间几乎加倍。
随着 IC 工业越来越多地受消费电子产品所驱动，周期时 间（或者，相当于上市时间）对于晶片代工厂来说将变 得越来越重要，因为它们力争在适当的时间生产出适当 数量的产品。第一家向潜在消费者提供工程样品的 IC 生产 商的设计很可能会胜出，甚至决定业务的成败。同样，
4.0 Billable
如果在市场进入低谷时或者当消费者转向“下一种新产
Cycle Time (Days)
Contract 3.0
品”时仍然有价值成百上千万美元的 WIP 处在工艺流水 线中，这可能会决定全年是以赢利还是以亏损而告终。
2.0
在 IC 工业中存在（也将继续存在）某些周期时间不太重 要的情形，但在可预见的将来，总的趋势是朝着缩短周
1.0
期时间和提高运行效率的方向。因此，如果产品和服务 0.0 50%
能够提高有效性并降低晶片代工厂环境中的可变性，它 60%
70%
80%
90%
100%
Utilization
们将会受到更多的重视。 参考材料
图 4：将六个明场工具由可付费转为服务合同对周期时间的影响。将 这些工具包含在合同中可以达到较高的有效性，使运行曲线变平，还 有助于降低使用率（使用率等于生产时间除以可用时间）。对于在可 付费时使用率在 85% 的工具，服务合同可以将周期时间缩短 1.9 天。
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1. W.J. Hopp 和 M.L. Spearman，McGraw-Hill，“Factory Physics”， 2001 年，第 223 页。 2. Clayton Christensen，“Solid State Technology”，2001 年 8 月。 3. W.J. Hopp 和 M.L. Spearman，McGraw-Hill，“Factory Physics”， 2001 年，第 325 页。
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