找到平衡点，帮助半导体设备焕发新生

半导体制造设备是世界上最昂贵的一类设备，每台机器的均价轻松超过100万美元。某些仪器，如极端紫外 (EUV) 扫描仪，则可能耗资数亿美元。

可想而知，半导体制造商希望保护这些投资。如果最初的价签给出的理由还不够充分，那么围绕这些商品还形成了二级市场，将其使用寿命延长到自初次部署起的几十年后。

显然，在这两个因素的刺激下，半导体设备的所有者和制造商均致力于让设备以最佳状态运行尽可能长的时间。

这种渴望在电子行业制造出一种有趣的现象：一些世界上最先进的技术竟是用老掉牙的设备生产出来的。当然，这些系统可以像任何其他电子系统一样进行升级。但随着半导体制造设备的老化，如何改造半导体制造设备，让它们跟上当今的性能标准正变得越来越困难。

例如，在一台机龄长达数十年的光刻机上添加最先进的电子束或 EUV 仪器，就可以制造出含有微型硅晶体管的芯片。但为了在设备的控制单元之间紧锣密鼓地精准传输大量数据，还需要大幅提高系统吞吐量。

帮助半导体制造设备跨越代次

为了抵消无尽的升级成本，半导体设备制造商多年来一直在根据 VME 等行业标准设计控制系统。VME 标准的开发始于 20 世纪 80 年代初，由多家供应商提供。该标准定义了一整套印制电路板 (PCB)、连接器和信号系统，因此，当发生损坏或需要升级时，可以用新的电路板来替换现有的电路板。

从理论上讲，这意味着传统 VME 控制板可以由性能更高的控制板替代，用于获得现代半导体制造设备所需的更高带宽。但要最大限度地发挥这种性能，并不是仅仅选择一块配备先进处理器的主板，将其插入系统就万事大吉了。

Advanet 是欧陆科仪集团 2011 年收购的子公司，专门为半导体制造设备等先进系统提供原始设计制造 (ODM) 服务。这家总部位于日本的公司与许多世界领先的半导体设备制造商展开直接合作，帮助他们集成新的处理器技术、传统硬件和通信协议——以及一些最复杂的仪器。

“从某种角度来看，你的机器具有两档速度。” Advanet 的产品营销主管 Luca Varisco 解释道，“这台机器的某些部件可以使用 30 年。与此同时，另一些部件则非常、非常先进，随着紫外线波长的缩短而频繁更换。波长越短，你就需要对聚焦紫外线光束的机器进行越精准的控制。”

“正因为如此，CPU 也必须与时俱进，”他继续道，“因此，你必须在 30 岁高龄的 VME 技术和最新的 CPU 技术之间取得平衡。这正是我们的团队致力于处理的棘手问题。他们所做的，基本上就是把超级天才的大脑移植到恐龙的身体里。”

要取得这种平衡，I/O 子系统是重中之重。它必须始终严格遵循标准，但又要随着 CPU 发展而发展，以避免在低速接口和高性能处理器之间形成数据瓶颈。但与此同时，整个控制机制的规格还必须始终符合来自上个世纪的系统的功耗和散热范围。

用于制造芯片的芯片

当 Advanet 接受一家领先半导体制造设备供应商的委托，为其升级电子束光刻机控制子系统时，对方的主要诉求除了运行稳定性和长生命周期支持以外，也包括了以上几点。

特定控制子系统的主要职责是将光刻系统中用于会聚电子束的透镜聚焦到目标衬底上。要达到纳米级的精度，需要极高的算力，还需协调设备的多个控制端点。当然，设备中有无数必须与控制系统进行交互的遗留组件。

为了融合新旧技术，Advanet 开始围绕全新英特尔^® 至强^® D-1700 处理器（代号为“Ice Lake-D”）开发解决方案，这就是 Advme8088。Advme8088 是一款 6U、单插槽的 VME 主板，搭载多达 4 个内核的至强 D-1700 处理器，但 TDP 额定值不高于 50 W。

同样重要的是，Advanet 板卡同时配备可信的 VME 连接器和现代接口，如 Serial RapidIO Gen 2、PCI Express Gen 3 和多个千兆级以太网端口。

他们开发出的光刻控制子系统基于背板，由一个带有 8 到 12 个 Advme8088 板卡的 VME 机箱、两个或三个同样由 Advanet 开发的定制光路板和一个电源组成。Advme8088 和其他板卡通过 VME 连接器插入背板，后者负责在板卡和设备中的传统组件之间传输信号。背板上的现场可编程门阵列 (FPGA) 充当 VMEbus 控制器，功能灵活，既不容易被淘汰，还可承担一部分信号预处理工作。

与此同时，Advanet 板卡上较现代的接口则可最大限度地发挥板载至强 D-1700 处理器的性能。例如，在光刻子系统项目中，在至强 D-1700 的支持下，经过配置的英特尔^® Time Coordinated Computing（英特尔^® TCC）与 Advme8088 的 GbE 接口配合使用时，能够以低于 200 微秒的延迟同步在控制端点之间传输的以太网数据包。

这套控制网络还管理着电子束透镜的位置和朝向，以及设备上的其他制程阶段。

传统光刻设备焕发新生

尽管人类对性能的需求似乎永无止境，但在可预见的未来，VME 产品仍在许多控制系统中占据核心地位，从而将继续在半导体制造设备中得到应用。

当然，无论你的工程团队多么具有创造力，所有的技术——甚至那些基于标准的技术——都终将过时。这一点可以从光刻控制系统的背板 FPGA 上得到印证。某种程度上，它是 VMEbus 控制器芯片的替代方案。VMEbus 控制器芯片的供应商越来越少，与此同时也变得越来越昂贵。

这就是为什么至强 D-1700 处理器提供宽温度范围、长生命周期的嵌入式选项，并享受七年或更长时间的支持。而 Advanet 则承诺为其解决方案提供长达数十年的支持。

“这乍看上去很奇怪，因为人们一看到 VME，就会忍不住说，‘30 年前的技术？有没有搞错？’”，Varisco 解释道，“但实际上，这正是半导体市场上最缺乏的部分，因为你不能淘汰它。”

而且归根结底，你也并不想淘汰它。毕竟，考虑到一级和二级市场价格，它属于一台身价高达数百万美元的设备。

本文由 insight.tech 的副主编 Christina Cardoza 编辑。