本書以半導(dǎo)體集束型裝備為研究對(duì)象，在全面分析其調(diào)度特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)解剖、分析半導(dǎo)體集束型裝備各類調(diào)度問題，建立了調(diào)度模型并運(yùn)用智能化方法設(shè)計(jì)了相應(yīng)的求解方案。本書在認(rèn)真總結(jié)國(guó)內(nèi)外多年的半導(dǎo)體集束型裝備調(diào)度研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者多年在生產(chǎn)調(diào)度，特別是半導(dǎo)體集束型裝備領(lǐng)域的研究與應(yīng)用成果，對(duì)復(fù)雜的半導(dǎo)體集束型裝備調(diào)度問題從理論到方法再到應(yīng)用進(jìn)行了全方位、系統(tǒng)化的論述。
半導(dǎo)體芯片制造業(yè)是一個(gè)尖端技術(shù)及高附加值產(chǎn)業(yè)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有巨大的戰(zhàn)略價(jià)值，世界各國(guó)政府都將其視為國(guó)家的骨干產(chǎn)業(yè)。在世界制造業(yè)中心向亞太地區(qū)轉(zhuǎn)移的大背景下，在國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的推動(dòng)下，中國(guó)的半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)獲得了飛速的發(fā)展。要保持我國(guó)半導(dǎo)體芯片制造業(yè)良好的發(fā)展勢(shì)頭，提升我國(guó)半導(dǎo)體芯片制造業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力，不僅要擴(kuò)大規(guī)模，而且要注重提高制造系統(tǒng)績(jī)效。把我國(guó)的半導(dǎo)體芯片做大、做強(qiáng)，不僅需要先進(jìn)的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝技術(shù)及裝備技術(shù)，而且需要先進(jìn)的生產(chǎn)管理技術(shù)。
半導(dǎo)體制造的源頭是芯片制造，芯片制造的關(guān)鍵是其制造裝備。集束型晶圓制造裝備（ClusterTools）是由物料搬運(yùn)機(jī)械手和若干單晶圓加工設(shè)備構(gòu)成的自動(dòng)化組合制造系統(tǒng)，代表著當(dāng)今半導(dǎo)體制造裝備的先進(jìn)水平，越來越多地應(yīng)用到芯片的制造中。集束型裝備調(diào)度問題與生產(chǎn)調(diào)度問題一樣具有復(fù)雜性，如建模困難（數(shù)學(xué)模型或仿真模型難以建立）、高度重入加工（半導(dǎo)體制造過程中晶圓多次進(jìn)入相同的設(shè)備加工）、存在多約束耦合（加工能力、滯留時(shí)間、機(jī)械手能力等約束耦合）、不確定（加工時(shí)間波動(dòng)、設(shè)備自動(dòng)清洗、臨時(shí)晶圓插入、設(shè)備故障、返工等）、多種類型機(jī)械手（單臂機(jī)械手、雙臂機(jī)械手、多機(jī)械手）、多種類型晶圓混合加工（晶圓代工廠要同時(shí)生產(chǎn)幾十種產(chǎn)品，生產(chǎn)調(diào)度要同時(shí)考慮晶圓排序和機(jī)械手搬運(yùn)作業(yè)排序）、存在不同的晶圓流模式（表現(xiàn)為串行、并行和重入晶圓模式）、大規(guī)模（晶圓和機(jī)械手搬運(yùn)作業(yè)數(shù)量龐大，解空間可能隨問題規(guī)模的增大而呈指數(shù)增長(zhǎng)等）。研究表明，絕大多數(shù)集束型裝備調(diào)度問題屬于NP-hard性質(zhì)的問題，其研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程價(jià)值。
本書力圖總結(jié)作者和國(guó)內(nèi)外同行在集束型晶圓制造裝備調(diào)度問題方面所取得的一系列研究成果，主要討論集束型晶圓制造裝備重入和混流調(diào)度、集束型晶圓制造裝備的多機(jī)械手調(diào)度、集束型晶圓制造裝備的滯留時(shí)間約束調(diào)度、集束型晶圓制造裝備的應(yīng)急調(diào)度、集束型晶圓制造裝備混合晶圓調(diào)度等問題的數(shù)學(xué)模型、問題特性及優(yōu)化調(diào)度算法，以及基于SEMI標(biāo)準(zhǔn)的集束型裝備控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證等。全書共8章，主要內(nèi)容如下：
第1章為緒論，簡(jiǎn)要介紹半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略意義、半導(dǎo)體制造工藝、集束型裝備的高度復(fù)雜性、制造系統(tǒng)調(diào)度、集束型裝備調(diào)度資源和約束條件、集束型裝備調(diào)度的分類。
第2章介紹集束型晶圓制造裝備的建模方法，包括基于馬爾科夫模型、數(shù)學(xué)規(guī)劃模型、時(shí)序圖模型、Petri網(wǎng)模型及仿真模型等。
第3章介紹集束型晶圓制造裝備的調(diào)度方法，包括基于運(yùn)籌學(xué)方法、多項(xiàng)式算法、啟發(fā)式方法和智能優(yōu)化方法等。
第4章介紹集束型晶圓制造裝備的重入和混流調(diào)度的混合整數(shù)規(guī)劃模型，該模型包括加工模塊能力約束、機(jī)械手能力約束、重入模塊約束等。
第5章論述集束型晶圓制造裝備的多機(jī)械手調(diào)度，重點(diǎn)介紹基于分解方法和線性規(guī)劃模型的搜索算法、基于LCM和Swap的k序列策略和構(gòu)造算法等。
第6章圍繞集束晶圓制造型裝備的滯留時(shí)間約束調(diào)度展開，重點(diǎn)介紹單臂和雙臂機(jī)械手的可調(diào)性條件、基于線性規(guī)劃模型和沖突控制策略的啟發(fā)式搜索方法、基于分解思想的多集束型裝備啟發(fā)式調(diào)度方法。
第7章介紹集束型晶圓制造裝備的應(yīng)急調(diào)度，依次對(duì)基于微粒群的兩層在線調(diào)度方法和基于量子進(jìn)化算法的在線調(diào)度方法展開介紹。
第8章介紹CTC控制軟件架構(gòu)及SEMI標(biāo)準(zhǔn)，論述了CTC實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)框架模型，該模型分為監(jiān)督控制層、模塊管理層、模塊控制器層；接著介紹了通信協(xié)議的分析與設(shè)計(jì)過程，包括SEMI標(biāo)準(zhǔn)SECS-I、HSMS、SECS-II和GEM四個(gè)通信協(xié)議；最后，介紹了利用“虛擬控制”思想對(duì)模型進(jìn)行仿真、調(diào)度和驗(yàn)證的過程。
本書所涉及的研究成果是在遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（LJQ2011132）、遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目（L2014456）、大連外國(guó)語(yǔ)大學(xué)科研基金項(xiàng)目（2014XJYB05）等的資助下取得的。另外，還要特別感謝電子工業(yè)出版社對(duì)本書的大力支持，感謝吳長(zhǎng)莘等在書稿編輯出版過程中所給予的寶貴建議和付出的辛勤勞動(dòng)。
本書可作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、管理科學(xué)與工程、機(jī)械工程等相關(guān)學(xué)科的教師、學(xué)生和研究人員的參考書。集束型晶圓制造裝備研究是一類NP特征的調(diào)度問題中具有高度復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性的課題，隨著國(guó)際上對(duì)這類問題研究的不斷深入，以及我國(guó)半導(dǎo)體制造裝備的興起與迅速發(fā)展，有關(guān)的研究還在不斷發(fā)展和完善之中，本書作為作者近年來學(xué)習(xí)和研究的一個(gè)階段性總結(jié)，其中難免會(huì)有不當(dāng)甚至錯(cuò)誤之處，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。
作者
2016年11月
李林瑛，大連外國(guó)語(yǔ)大學(xué)軟件學(xué)院副教授。
第1章 緒 論 1
1.1 半導(dǎo)體裝備制造產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略意義 1
1.2 半導(dǎo)體制造工藝簡(jiǎn)介 4
1.3 集束型晶圓制造裝備的高度復(fù)雜性 8
1.4 制造系統(tǒng)調(diào)度簡(jiǎn)介 13
1.4.1 車間調(diào)度 14
1.4.2 機(jī)器人制造單元調(diào)度 16
1.4.3 抓鉤調(diào)度 19
1.5 集束型裝備調(diào)度 21
1.5.1 基本概念 21
1.5.2 調(diào)度資源 23
1.5.3 約束條件 24
1.6 集束型晶圓制造裝備調(diào)度分類 25
1.6.1 基于調(diào)度類型的分類方法 25
1.6.2 基于三鄰域（α∣β∣γ）的分類方法 27
1.6.3 基于調(diào)度環(huán)境和任務(wù)的分類方法 28
本章參考文獻(xiàn) 29
第2章 集束型晶圓制造裝備的建模方法 36
2.1 基于馬爾科夫模型的集束型裝備建模 36
2.1.1 馬爾科夫模型基礎(chǔ)理論 37
2.1.2 集束型裝備馬爾科夫建模過程 38
2.2 基于數(shù)學(xué)規(guī)劃模型的集束型裝備建模 39
2.2.1 數(shù)學(xué)規(guī)劃模型基本理論 40
2.2.2 集束型裝備數(shù)學(xué)規(guī)劃建模過程 41
2.3 基于時(shí)序圖模型的集束型裝備建模 43
2.3.1 時(shí)序圖模型基礎(chǔ)理論 43
2.3.2 集束型裝備時(shí)序圖建模過程 44
2.4 基于Petri網(wǎng)模型的集束型裝備建模 48
2.4.1 Petri網(wǎng)模型基礎(chǔ)理論 48
2.4.2 集束型裝備Petri網(wǎng)建模過程 54
2.5 基于仿真模型的集束型裝備建模 58
2.5.1 仿真模型的基本理論 59
2.5.2 集束型裝備仿真建模過程 61
2.6 小結(jié) 66
本章參考文獻(xiàn) 66
第3章 集束型晶圓制造裝備的調(diào)度方法 71
3.1 基于運(yùn)籌學(xué)方法的集束型裝備調(diào)度 71
3.1.1 運(yùn)籌學(xué)方法概述 72
3.1.2 混合整數(shù)規(guī)劃在集束型裝備調(diào)度中的應(yīng)用 79
3.1.3 分支定界算法在集束型裝備調(diào)度中的應(yīng)用 88
3.2 基于多項(xiàng)式算法的集束型裝備調(diào)度 94
3.2.1 多項(xiàng)式算法概述 94
3.2.2 多項(xiàng)式算法在集束型裝備調(diào)度中的應(yīng)用 97
3.3 基于啟發(fā)式方法的集束型裝備調(diào)度 99
3.31 啟發(fā)式方法概述 100
3.3.2 啟發(fā)式方法在集束型裝備調(diào)度中的應(yīng)用 105
3.4 基于智能優(yōu)化方法的集束型裝備調(diào)度 107
3.4.1 智能優(yōu)化方法概述 108
3.4.2 智能優(yōu)化方法在集束型裝備調(diào)度中的應(yīng)用 118
3.5 小結(jié) 120
本章參考文獻(xiàn) 121
第4章 集束型晶圓制造裝備的重入和混流調(diào)度 129
4.1 引言 129
4.2 重入調(diào)度的混合整數(shù)規(guī)劃模型 130
4.2.1 問題描述 130
4.2.2 約束條件分析 132
4.2.3 仿真 136
4.3 混流調(diào)度的混合整數(shù)規(guī)劃模型 138
4.3.1 調(diào)度問題 139
4.3.2 混合整數(shù)規(guī)劃模型 141
4.3.3 生產(chǎn)周期下界分析 144
4.3.4 仿真 148
4.4 小結(jié) 151
本章參考文獻(xiàn) 151
第5章 集束型晶圓制造裝備的多機(jī)械手調(diào)度 154
5.1 引言 154
5.2 基于分解方法的兩集束型裝備調(diào)度 155
5.2.1 符號(hào)定義和問題描述 155
5.2.2 問題的分解分析和模型的建立 157
5.2.3 機(jī)械手在緩沖模塊無碰撞的判斷條件 159
5.2.4 基于分解方法和線性規(guī)劃模型的搜索算法 161
5.2.5 仿真 162
5.3 有滯留時(shí)間約束的兩集束型裝備調(diào)度模型 164
5.3.1 符號(hào)定義和問題描述 164
5.3.2 集束型裝備的混合整數(shù)規(guī)劃模型 166
5.3.3 并行加工模塊 168
5.3.4 仿真 169
5.4 求解k晶圓周期序列的多集束型裝備調(diào)度 173
5.4.1 符號(hào)定義和問題描述 174
5.4.2 k序列的平均周期下界 175
5.4.3 k序列的構(gòu)造策略 177
5.4.4 仿真 182
5.5 小結(jié) 191
本章參考文獻(xiàn) 192
第6章 集束型晶圓制造裝備的滯留時(shí)間約束調(diào)度 194
6.1 引言 194
6.2 單臂機(jī)械手集束型裝備可調(diào)度性與調(diào)度 195
6.2.1 問題描述 195
6.2.2 并行加工模塊加工時(shí)間的等效性證明 197
6.2.3 可調(diào)度性分析 199
6.2.4 仿真 201
6.3 雙臂機(jī)械手集束型裝備可調(diào)度性與調(diào)度 203
6.3.1 符號(hào)定義和問題描述 203
6.3.2 有晶圓滯留時(shí)間約束的線性規(guī)劃模型 204
6.3.3 集束型裝備的可調(diào)度性分析 205
6.3.4 仿真 207
6.4 單臂機(jī)械手的集束型裝備啟發(fā)式搜索方法 211
6.4.1 問題描述 212
6.4.2 調(diào)度模型 213
6.4.3 基于線性規(guī)劃模型和沖突控制策略的啟發(fā)式搜索方法 214
6.4.4 仿真 216
6.5 基于分解思想的多集束型裝備啟發(fā)式調(diào)度方法 217
6.5.1 問題描述和定義 217
6.5.2 周期性調(diào)度過程分析 218
6.5.3 啟發(fā)式調(diào)度方法 219
6.5.4 仿真 220
6.6 基于遺傳算法的集束型裝備調(diào)度方法 222
6.6.1 問題描述和調(diào)度問題 222
6.6.2 改進(jìn)遺傳算法 224
6.6.3 仿真 228
6.7 小結(jié) 230
本章參考文獻(xiàn) 231
第7章 集束型晶圓制造裝備的應(yīng)急調(diào)度 234
7.1 引言 234
7.2 基于PSO的啟發(fā)式調(diào)度方法 236
7.2.1 調(diào)度問題描述和數(shù)學(xué)模型 236
7.2.2 基于前向和后向遞歸方法的內(nèi)層算法 237
7.2.3 微粒群算法優(yōu)化算法分析 242
7.2.4 基于微粒群算法的兩層在線調(diào)度方法 245
7.2.5 仿真 247
7.3 基于量子進(jìn)化算法的在線調(diào)度方法 250
7.3.1 在線調(diào)度問題 250
7.3.2 在線調(diào)度方法 251
7.3.3 外層量子進(jìn)化算法 253
7.3.4 仿真 256
7.4 小結(jié) 258
本章參考文獻(xiàn) 259
第8章 基于SEMI標(biāo)準(zhǔn)的集束型晶圓制造裝備控制平臺(tái) 261
8.1 引言 261
8.2 CTC控制軟件概述 262
8.2.1 國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體制造自動(dòng)化公司 262
8.2.2 SEMI協(xié)會(huì)和SEMI標(biāo)準(zhǔn) 264
8.3 實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)框架模型 266
8.3.1 基于SEMI標(biāo)準(zhǔn)的CTC控制軟件 266
8.3.2 實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)框架模型 267
8.4 實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)的監(jiān)督控制層 268
8.4.1 擴(kuò)展有限狀態(tài)機(jī) 269
8.4.2 基于EFSM的調(diào)度控制邏輯模型 269
8.5 基于CTMC標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)模塊管理層 272
8.5.1 作業(yè)分解過程 272
8.5.2 基于CTMC的作業(yè)執(zhí)行 273
8.6 數(shù)據(jù)通信協(xié)議的分析與設(shè)計(jì) 276
8.6.1 通信協(xié)議簡(jiǎn)介 276
8.6.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì) 308
8.6.3 通信協(xié)議開發(fā) 311
8.6.4 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn) 316
8.7 模塊控制器層 320
8.7.1 加工模塊控制器軟件架構(gòu) 320
8.7.2 模塊控制器層模型 321
8.8 實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)的測(cè)試與驗(yàn)證 321
8.8.1 測(cè)試和驗(yàn)證過程概述 322
8.8.2 測(cè)試和驗(yàn)證系統(tǒng)需求分析 322
8.8.3 測(cè)試和驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 323
8.9 小結(jié) 326
本章參考文獻(xiàn) 326
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