謝穩(wěn)+羅華+周圣岳

摘要：半導(dǎo)體設(shè)備制造商或采用基于微處理器的控制器直連I/O的方式，或采用工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)過程控制。然而這些方式的弊端顯而易見：每個(gè)網(wǎng)絡(luò)有限的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、較低的波特率、受限的IO性能、低帶寬、非確定性的命令和I/O時(shí)間。以上這些問題是幾年前的半導(dǎo)體工業(yè)面對的技術(shù)挑戰(zhàn)，并且業(yè)內(nèi)一直在尋找一種能滿足前述的控制系統(tǒng)要求的新的通信系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：EtherCAT；半導(dǎo)體工業(yè)；以太網(wǎng)通信

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）21-0053-02

1 概述

多年前的某一天，本人受邀參加一個(gè)基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推介會(huì)，當(dāng)時(shí)我們對于該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)知之甚少。那就是EtherCAT技術(shù)——由一家德國公司BECKHOFF（畢孚）研發(fā)的基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。年輕而充滿活力的演講者就是現(xiàn)今EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì)中國區(qū)經(jīng)理范斌女士。在這場技術(shù)推介會(huì)后，我深刻的意識(shí)到該技術(shù)很可能是下一代半導(dǎo)體設(shè)備高端過程管控的最好的備選技術(shù)。

在此之前，半導(dǎo)體設(shè)備制造商或采用基于微處理器的控制器直連I/O的方式，或采用工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)（如：LonWorks，Seriplex，DeviceNet，SDS或者其他基于CAN的網(wǎng)絡(luò)）實(shí)現(xiàn)過程控制。這些方式的弊端逐漸顯現(xiàn)：每個(gè)網(wǎng)絡(luò)有限的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、較低的波特率、受限的I/O性能、低帶寬、非確定性的命令和I/O時(shí)間。除了過程控制面臨的挑戰(zhàn)，設(shè)備上應(yīng)用的多種運(yùn)動(dòng)控制方案也面臨問題。典型的運(yùn)動(dòng)軸的性能區(qū)間從低性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸到真空機(jī)器人的高動(dòng)態(tài)伺服軸，很多應(yīng)用要求多軸之間以及軸與系統(tǒng)中的控制信號(hào)間協(xié)同工作。當(dāng)市場上很多定制的運(yùn)動(dòng)方案和I/O方案都因普遍應(yīng)用而方便采購時(shí)，這種控制器和運(yùn)動(dòng)控制軟件卻非常昂貴。對于運(yùn)動(dòng)控制提供商來說，將每個(gè)運(yùn)動(dòng)控制軟件的授權(quán)費(fèi)用按照軸數(shù)銷售是不可能的。

2 適用于半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

針對半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的架構(gòu)無疑應(yīng)用前景廣闊。但是，在2007年的技術(shù)推介會(huì)上，由于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一項(xiàng)剛引入中國的新技術(shù)，在國內(nèi)沒有接受過市場的洗禮和成功應(yīng)用的案例，況且業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)缺乏，當(dāng)時(shí)的與會(huì)者存在諸多問題和疑慮。推介會(huì)上充斥著各種提問：可靠性和EMI數(shù)據(jù)如何？有沒有像ODVA的SEMI SIG那樣的設(shè)備行規(guī)？有沒有設(shè)備交互性的保障？然而，在持續(xù)的幾個(gè)月中，我公司的技術(shù)團(tuán)隊(duì)對該技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的評估。堅(jiān)固的技術(shù)架構(gòu)，高速的通信，理論上無限的節(jié)點(diǎn)數(shù)和I/O空間，對運(yùn)動(dòng)控制的支持和智能設(shè)備要求的時(shí)間確定性命令和響應(yīng)——EtherCAT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議滿足了所有的需求。團(tuán)隊(duì)成員為此感到興奮，我們認(rèn)為終于找到了一個(gè)非?？煽康膫溥x技術(shù)，來滿足半導(dǎo)體設(shè)備的過程控制中隱約出現(xiàn)的高端需求。也許這個(gè)技術(shù)甚至可以在未來用于高端的過程和運(yùn)動(dòng)控制?；趯υ摷夹g(shù)的詳盡評估，公司決定簽署一份成為EtherCAT技術(shù)協(xié)會(huì)應(yīng)用會(huì)員的協(xié)議，全力支持EtherCAT技術(shù)在中國機(jī)械制造業(yè)特別是在半導(dǎo)體設(shè)備制造業(yè)的推廣和應(yīng)用。

3 技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的挑戰(zhàn)

技術(shù)推廣應(yīng)用的勢頭非常迅猛，EtherCAT作為TwinCAT PLC軟件包的擴(kuò)展被全球諸多客戶和行業(yè)評估并接受。隨著越來越多的工業(yè)設(shè)備實(shí)施EtherCAT通信接口，該技術(shù)獲得了廣泛的應(yīng)用，并且具有自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案的所有必要特征。在半導(dǎo)體工業(yè)界要求降低制造設(shè)備成本的同時(shí)，對設(shè)備的性能提出了更高的要求。設(shè)備不僅要求更快的速度和更高的精確度，而且還要求盡可能低的成本。多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器，軟件授權(quán)，每個(gè)I/O點(diǎn)的成本，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和互聯(lián)成本都成為尋找一種更高的解決方案所關(guān)注的細(xì)節(jié)問題。

通常，舊技術(shù)受限于在傳統(tǒng)的控制方案和構(gòu)架的基礎(chǔ)上降低成本。摩爾定律主導(dǎo)半導(dǎo)體工業(yè)，半導(dǎo)體晶圓上的單元的最為微小的尺寸縮小都會(huì)對過程控制產(chǎn)生更加嚴(yán)格的要求。對虛擬傳感器，基于模塊的控制，高速過程控制的原型機(jī)制造是現(xiàn)今高端應(yīng)用的實(shí)際而基礎(chǔ)的需求，而EtherCAT網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的出現(xiàn)給半導(dǎo)體設(shè)備制造行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新提供了足夠的技術(shù)支撐。高可靠性的網(wǎng)絡(luò)和微秒級(jí)的實(shí)時(shí)刷新時(shí)間，出色的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間確定性對系統(tǒng)循環(huán)時(shí)間和大數(shù)據(jù)的吞吐量正是解決半導(dǎo)體設(shè)備當(dāng)前技術(shù)瓶頸所急需的。如LED照明生產(chǎn)線設(shè)備、全自動(dòng)單晶制絨酸洗綜合設(shè)備、高轉(zhuǎn)換效率新型晶硅太陽能電池生產(chǎn)設(shè)備等國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備都可以引入EtherCAT網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，這將給整個(gè)國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)加快自主創(chuàng)新，迅速淘汰落后生產(chǎn)設(shè)備、擴(kuò)大產(chǎn)能帶來新的發(fā)展機(jī)遇。目前，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為SEMI E54的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，這也為該技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展開辟了道路。

4 全球認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)

為了使EtherCAT技術(shù)穩(wěn)固立足于晶圓制造設(shè)備領(lǐng)域，為過程控制專用設(shè)備和組件（如：射頻發(fā)生器、真空控制器、節(jié)流閥、壓力計(jì)量儀、智能直流電源和流量控制器等）創(chuàng)建設(shè)備行規(guī)是一個(gè)基本需求。建立這樣的設(shè)備行規(guī)并獲得工業(yè)界廣泛認(rèn)可將有效促進(jìn)設(shè)備提供商和設(shè)備OEM廠商更加輕松的合作，并確保來自不同廠商的設(shè)備的互聯(lián)性。同時(shí)該行規(guī)也將支持在軟件中所謂的HAL（Hardware Abstraction Layer）樣本，該樣本是一種在設(shè)備控制軟件中簡化處理設(shè)備和組件的方法。美國應(yīng)用材料公司作為全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)導(dǎo)廠商，在這家公司的幫助下，ETG協(xié)會(huì)在內(nèi)部組建了一個(gè)專門的工作組——SEMI TWG（半導(dǎo)體技術(shù)工作組），由專家Dan Judd領(lǐng)導(dǎo)。SEMI工作組成功組織了一次高規(guī)格會(huì)議，并成功邀請了來自行業(yè)主流供應(yīng)商和OEM廠商的參與，在這次會(huì)議上，各大廠商的70多個(gè)代表出席了會(huì)議并達(dá)成共識(shí)。在短短的兩年內(nèi)，SEMI工作組從一個(gè)僅為半導(dǎo)體設(shè)備創(chuàng)建行通用設(shè)備行規(guī)的工作組，發(fā)展成為創(chuàng)建并向ETG提交基于該行業(yè)需求的任何專用設(shè)備行規(guī)的工作組。

基于SEMI工作組的努力，越來越多的半導(dǎo)體設(shè)備提供商積極接受了EtherCAT網(wǎng)絡(luò)。來自于美國、日本、東南亞和歐洲的代表努力撰寫設(shè)備行規(guī)并催促其供應(yīng)商設(shè)計(jì)設(shè)備。對于半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)最終用戶來說，運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用至關(guān)重要。它的主要不同就是晶圓定位的精確度和精準(zhǔn)的重復(fù)性、震動(dòng)和晶圓滑動(dòng)控制（粒子控制）、設(shè)備晶圓產(chǎn)量等。設(shè)備中有多種運(yùn)動(dòng)控制方案如：真空和大氣機(jī)器人、XY或XYZ平臺(tái)、頂桿、指數(shù)測定儀、晶圓定向平臺(tái)、晶圓掃描機(jī)械裝置。這些方案曾經(jīng)分為低端和高端兩種獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制，各采用不同的運(yùn)動(dòng)控制方案來有效的實(shí)施。低端的方案采用基本網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，通過低速的、不確定性網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都采用運(yùn)動(dòng)架構(gòu)，以及為專用網(wǎng)絡(luò)采用具有最佳性價(jià)比的控制器/伺服器，但這樣的性能既不能滿足要求，且跨網(wǎng)的成本也很高。然而，EtherCAT具有很好的可擴(kuò)展性，高速傳輸，因此可以采用一個(gè)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)高效實(shí)現(xiàn)這兩種不同的方案。此外，可以輕松將超采樣I/O及其他設(shè)備添加到運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，以完全協(xié)同或同步運(yùn)動(dòng)控制及過程控制，且成本合理。例如，有些現(xiàn)場應(yīng)用利用分布時(shí)鐘功能在5 微秒內(nèi)成功同步運(yùn)動(dòng)軸和I/O點(diǎn)的傳輸。

半導(dǎo)體晶圓制造流程的復(fù)雜性隨著摩爾定律而穩(wěn)步增加，晶圓的尺寸也從多年前的51mm增加到不久前提出的450mm，從而更經(jīng)濟(jì)的利用晶圓規(guī)格生產(chǎn)芯片。下一代晶圓的最小單元結(jié)構(gòu)尺寸將為7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，更大尺寸的晶圓將對同一性和過程控制的精確性有更高的要求。半導(dǎo)體設(shè)備OEM廠商在積極的研發(fā)更加復(fù)雜的過程控制技術(shù)——多區(qū)加熱，多區(qū)氣體注入，采用虛擬的合成傳感器基于模型的控制也是行業(yè)感興趣的議題之一。這些復(fù)雜的過程控制將在EtherCAT技術(shù)的推動(dòng)下受益匪淺。

EtherCAT技術(shù)的架構(gòu)與當(dāng)今多核PC架構(gòu)的大數(shù)據(jù)量處理性能兩者之間簡直不謀而合。除此之外，它還將高性能時(shí)間確定的控制和網(wǎng)絡(luò)的確定性架設(shè)在久經(jīng)考驗(yàn)的以太網(wǎng)技術(shù)之上，且成本合理。而半導(dǎo)體設(shè)備提供商成功的另外一個(gè)至關(guān)重要的標(biāo)準(zhǔn)就是應(yīng)用投放到市場所需的時(shí)間。應(yīng)用和過程的證實(shí)以及最佳方案研發(fā)的周期成為設(shè)備供應(yīng)商在市場上成功或者失敗的要素。在研發(fā)設(shè)備和過程的早期，快速的原型機(jī)實(shí)現(xiàn)工具和建模軟件包變得越來越受歡迎。過去對原型機(jī)軟件的應(yīng)用受限于原型機(jī)代碼到生產(chǎn)環(huán)境的低效轉(zhuǎn)換。另一個(gè)受限因素就是對前文提到過的對專用網(wǎng)絡(luò)和專用的半導(dǎo)體設(shè)備的支持欠缺。幸運(yùn)的是，工業(yè)界對EtherCAT的需求完全一致并由主流的建模和快速原型機(jī)方案提供支持。主流廠商如NI（國家儀器）、MathWorks和BECKHOFF（畢孚）都提供基于EtherCAT的技術(shù)方案，如：CompactRIO、xPC Target和TwinCAT/Simulink。這些基于EtherCAT且可擴(kuò)展的環(huán)境都可應(yīng)用在控制邏輯的快速研發(fā)以及后續(xù)的無縫實(shí)時(shí)代碼自動(dòng)生成，或在本地軟件環(huán)境中的生產(chǎn)研發(fā)。在這些應(yīng)用中，對EtherCAT的支持方便了過程和應(yīng)用研發(fā)工程師通過EtherCAT網(wǎng)絡(luò)采用自己的命令和組態(tài)接口繼承運(yùn)動(dòng)、壓力、溫度和IO控制器，這些命令和組態(tài)接口在之后將應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)境中。

6 結(jié)語

最后，如同其他領(lǐng)先的技術(shù)，EtherCAT技術(shù)將會(huì)持續(xù)研發(fā)，以面對未來可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)（如100Mb以太網(wǎng)芯片的終結(jié)，相關(guān)兼容性問題等）。然而，在本人看來，除了一些特殊的必須采用專門DSP或FPGA芯片來處理的應(yīng)用以外，EtherCAT技術(shù)的性能完全可以滿足我們其他所有的應(yīng)用需求。