平衡的方法讓半導體設備重生

半導體製造設備的價格在全球數一數二昂貴，每台機器平均價格動輒超過 100 萬美元。某些儀器，例如極紫外線（EUV）光刻機，則可能要價上億美元。

可想而知，半導體製造商希望能保護這些投資。此外，如果製造商的考量不光是基於初始價格，那麼就是與次要市場已隨這些商品應運而生有關，可讓設備的使用壽命延長至初始部署後數十年。

顯然，擁有半導體設備的廠商與製造商，之所以想儘量延長這台機器順利運作的時間，原因就在於這兩項因素。

對於運用機齡數十年的設備，生產全球數一數二先進技術的電子產業來說，這個延長壽命的願望催生出了一項有趣的動因。當然，這類系統也可以跟任何其他電子系統一樣升級。然而，隨著系統老化，升級改造半導體製造設備成了越來越重要的任務，也才能跟上現今效能標準的步調。

舉例來說，在機齡數十年的光刻機添加最先進的電子束或 EUV 控制儀器，即可製造有微型矽電晶體晶片。然而，過程還需要大幅提高系統處理量，才能支援根據緊湊的確定性時間表，在設備控制單元之間傳輸大量資料。

將半導體製造從上一代升級至下一代

為了抵銷持續升級的成本，半導體設備製造商長年根據 VME 這類產業標準設計控制系統。VME 標準最早於 1980 年代初期擬定，並且有多家供應商提供，它所定義的一致 PCB、連接器和訊號系統，可以在發生損傷或需要升級時，將現有的主機板換成新的主機板。

理論上，這代表可以用效能更強的控制板取代舊式 VME 控制板，處理新式半導體製造儀器需要的更高頻寬。然而，光是挑選搭載先進處理器的控制板、將它插入系統，然後就收工，尚不足以讓此等效能發揮得淋漓盡致。

Eurotech Group 於 2011 年收購的 Advanet 這個分公司，專門為半導體製造設備這類尖端系統提供 ODM 服務。該公司總部設在日本，直接與全球的許多頂尖半導體設備製造商合作，協助整合新的處理器技術、舊式硬體和通訊協定，以及全世界數一數二精密的控制儀器。

「就某種意義來說，您擁有的是兩種速度的機器，」Advanet 的產品行銷主管 Luca Varisco 說明。「機器有某些零件已經使用 30 年左右。同時還有極為先進且瞬息萬變的部分，才能配合逐漸縮短的紫外線波長。波長越短，就越需要以更精密的方式控制聚焦紫外線光束的機器。

「因此，CPU 也必須進步。」他繼續說道。「因此，您必須用最新的 CPU 技術平衡問世 30 年之久的 VME 技術。這正是本公司團隊正在處理的棘手工作。基本上，他們正將超級天才的大腦植入恐龍體內。」

這個平衡策略的一大部分涉及 I/O 子系統，而且它一方面必須嚴格保持確定性，一方面則必須隨著 CPU 不斷演進，才能避免低速介面和高效能處理器之間形成資料瓶頸。然而，在此同時，整個控制機制都必須維持在 2000 年代前出廠系統的耗電量與熱耗散範圍之內。

製造晶片的晶片

Advanet 承接了為某大半導體製造設備供應商升級電子束（e-beam）光刻機控制子系統的專案，除了作業穩定性與長生命週期之外，這些也是這項專案的關鍵要求。

這個控制子系統的主要責任，是讓集中光刻系統 e-beam 的透鏡，聚焦於目標基板。以奈米級精度聚焦時，需要超強的運算能力，以及協調機器周圍的多個控制端點。當然，機器周圍有無數舊式元件，也必須與控制系統連接。

為了達成新舊融合的目標，Advanet 首先以全新的 Intel^® Xeon^® D-1700 處理器（代號「Ice Lake-D」），打造出最終成為 Advme8088 的解決方案。Advme8088 這款 6U、1 插槽寬之 VME 板採用的 Xeon D-1700 處理器核心高達 4 個，但 TDP 等級卻未高於 50 W。

另一個重點是，Advanet 卡包含值得信賴的 VME 連接器，以及各種新式介面，例如 Serial RapidIO Gen 2、PCI Express Gen 3 與多個 Gigabit Ethernet 連接埠。

討論中的這個光刻控制子系統屬於背板型，包含有 8 至 12 張 Advme8088 卡的 VME 機殼、二或三張同樣由 Advanet 開發的客製化光學板，以及一個電源供應器。Advme8088 和使用 VME 連接器插入背板的其他卡，會在機器內的各種板與舊式元件之間傳輸訊號。背板上的 FPGA 可作為彈性的 VMEbus 控制器，既可防止過時，還能提供部分訊號預先處理。

同時，Advanet 卡的新版介面，是讓內建 Xeon D-1700 處理器功能充分發揮的推手。在光刻子系統專案中，舉例來說，Intel^® Time Coordinated Computing (Intel^® TCC) 由 Xeon D-1700 支援，配置可搭配使用 Advme8088’s GbE 介面，將控制端點之間流動的乙太網路封包同步化，延遲為 sub-200 µs。

這同一個控制網路管理電子束透鏡的位置和方向，以及機器上的其他步驟階段。

舊式光刻設備的新生命

儘管對於效能的需求似乎永不滿足，但是由於它們位於許多控制系統核心，因此在可預見的未來，VME 產品依舊會是半導體製造設備的一環。

當然，無論您的工程團隊多麼有創意，所有技術（甚至是依照標準打造的技術）最終都會淪為過時的犧牲品。光刻控制系統的背版 FPGA 便是這方面的最佳例證，由於VMEbus 控制器晶片的供應商越來越少，而且價格水漲船高，因此背版 FPGA 部分可作為這類晶片的替代品。

因此，Xeon D-1700 處理器可供支援的長生命週期寬溫嵌入式種類使用七年以上。就其本身而言，Advanet 致力於為旗下解決方案提供數十年支援。

「這件事看起來很奇怪，因為 VME 可是『問世 30 年的技術」？那是怎麼回事？」Varisco 解釋。「然而，那其實正是半導體市場的不足之處，因為丟棄並非可行的作法。」

事實證明，沒有人想這麼做。畢竟，就主要與二級市場而言，它是價值數百萬美元機器的一部分。   

本文由 insight.tech 編輯副總監 Christina Cardoza 編輯。