谢稳+罗华+周圣岳

摘要：半导体设备制造商或采用基于微处理器的控制器直连I/O的方式，或采用工业通信网络实现过程控制。然而这些方式的弊端显而易见：每个网络有限的节点数量、较低的波特率、受限的IO性能、低带宽、非确定性的命令和I/O时间。以上这些问题是几年前的半导体工业面对的技术挑战，并且业内一直在寻找一种能满足前述的控制系统要求的新的通信系统。

关键词：EtherCAT；半导体工业；以太网通信

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）21-0053-02

1 概述

多年前的某一天，本人受邀参加一个基于以太网的网络技术推介会，当时我们对于该网络技术知之甚少。那就是EtherCAT技术——由一家德国公司BECKHOFF（毕孚）研发的基于以太网的网络通信技术。年轻而充满活力的演讲者就是现今EtherCAT技术协会中国区经理范斌女士。在这场技术推介会后，我深刻的意识到该技术很可能是下一代半导体设备高端过程管控的最好的备选技术。

在此之前，半导体设备制造商或采用基于微处理器的控制器直连I/O的方式，或采用工业通信网络（如：LonWorks，Seriplex，DeviceNet，SDS或者其他基于CAN的网络）实现过程控制。这些方式的弊端逐渐显现：每个网络有限的节点数量、较低的波特率、受限的I/O性能、低带宽、非确定性的命令和I/O时间。除了过程控制面临的挑战，设备上应用的多种运动控制方案也面临问题。典型的运动轴的性能区间从低性能步进电机驱动轴到真空机器人的高动态伺服轴，很多应用要求多轴之间以及轴与系统中的控制信号间协同工作。当市场上很多定制的运动方案和I/O方案都因普遍应用而方便采购时，这种控制器和运动控制软件却非常昂贵。对于运动控制提供商来说，将每个运动控制软件的授权费用按照轴数销售是不可能的。

2 适用于半导体工业发展的网络技术

针对半导体工业技术的发展，EtherCAT网络技术的架构无疑应用前景广阔。但是，在2007年的技术推介会上，由于EtherCAT网络技术是一项刚引入中国的新技术，在国内没有接受过市场的洗礼和成功应用的案例，况且业内设计经验缺乏，当时的与会者存在诸多问题和疑虑。推介会上充斥着各种提问：可靠性和EMI数据如何？有没有像ODVA的SEMI SIG那样的设备行规？有没有设备交互性的保障？然而，在持续的几个月中，我公司的技术团队对该技术进行了详细的评估。坚固的技术架构，高速的通信，理论上无限的节点数和I/O空间，对运动控制的支持和智能设备要求的时间确定性命令和响应——EtherCAT网络协议满足了所有的需求。团队成员为此感到兴奋，我们认为终于找到了一个非常可靠的备选技术，来满足半导体设备的过程控制中隐约出现的高端需求。也许这个技术甚至可以在未来用于高端的过程和运动控制。基于对该技术的详尽评估，公司决定签署一份成为EtherCAT技术协会应用会员的协议，全力支持EtherCAT技术在中国机械制造业特别是在半导体设备制造业的推广和应用。

3 技术和经济方面的挑战

技术推广应用的势头非常迅猛，EtherCAT作为TwinCAT PLC软件包的扩展被全球诸多客户和行业评估并接受。随着越来越多的工业设备实施EtherCAT通信接口，该技术获得了广泛的应用，并且具有自动化设计方案的所有必要特征。在半导体工业界要求降低制造设备成本的同时，对设备的性能提出了更高的要求。设备不仅要求更快的速度和更高的精确度，而且还要求尽可能低的成本。多个运动控制器，软件授权，每个I/O点的成本，网络拓扑结构和互联成本都成为寻找一种更高的解决方案所关注的细节问题。

通常，旧技术受限于在传统的控制方案和构架的基础上降低成本。摩尔定律主导半导体工业，半导体晶圆上的单元的最为微小的尺寸缩小都会对过程控制产生更加严格的要求。对虚拟传感器，基于模块的控制，高速过程控制的原型机制造是现今高端应用的实际而基础的需求，而EtherCAT网络控制技术的出现给半导体设备制造行业技术创新提供了足够的技术支撑。高可靠性的网络和微秒级的实时刷新时间，出色的网络时间确定性对系统循环时间和大数据的吞吐量正是解决半导体设备当前技术瓶颈所急需的。如LED照明生产线设备、全自动单晶制绒酸洗综合设备、高转换效率新型晶硅太阳能电池生产设备等国产半导体设备都可以引入EtherCAT网络控制技术，这将给整个国产半导体设备行业加快自主创新，迅速淘汰落后生产设备、扩大产能带来新的发展机遇。目前，EtherCAT网络技术已经成为SEMI E54的标准网络规范，这也为该技术在半导体行业的发展开辟了道路。

4 全球认可的标准

为了使EtherCAT技术稳固立足于晶圆制造设备领域，为过程控制专用设备和组件（如：射频发生器、真空控制器、节流阀、压力计量仪、智能直流电源和流量控制器等）创建设备行规是一个基本需求。建立这样的设备行规并获得工业界广泛认可将有效促进设备提供商和设备OEM厂商更加轻松的合作，并确保来自不同厂商的设备的互联性。同时该行规也将支持在软件中所谓的HAL（Hardware Abstraction Layer）样本，该样本是一种在设备控制软件中简化处理设备和组件的方法。美国应用材料公司作为全球最大的半导体设备领导厂商，在这家公司的帮助下，ETG协会在内部组建了一个专门的工作组——SEMI TWG（半导体技术工作组），由专家Dan Judd领导。SEMI工作组成功组织了一次高规格会议，并成功邀请了来自行业主流供应商和OEM厂商的参与，在这次会议上，各大厂商的70多个代表出席了会议并达成共识。在短短的两年内，SEMI工作组从一个仅为半导体设备创建行通用设备行规的工作组，发展成为创建并向ETG提交基于该行业需求的任何专用设备行规的工作组。

基于SEMI工作组的努力，越来越多的半导体设备提供商积极接受了EtherCAT网络。来自于美国、日本、东南亚和欧洲的代表努力撰写设备行规并催促其供应商设计设备。对于半导体设备行业最终用户来说，运动控制应用至关重要。它的主要不同就是晶圆定位的精确度和精准的重复性、震动和晶圆滑动控制（粒子控制）、设备晶圆产量等。设备中有多种运动控制方案如：真空和大气机器人、XY或XYZ平台、顶杆、指数测定仪、晶圆定向平台、晶圆扫描机械装置。这些方案曾经分为低端和高端两种独立的运动控制，各采用不同的运动控制方案来有效的实施。低端的方案采用基本网络的运动驱动，通过低速的、不确定性网络来实现。每个网络都采用运动架构，以及为专用网络采用具有最佳性价比的控制器/伺服器，但这样的性能既不能满足要求，且跨网的成本也很高。然而，EtherCAT具有很好的可扩展性，高速传输，因此可以采用一个EtherCAT网络高效实现这两种不同的方案。此外，可以轻松将超采样I/O及其他设备添加到运动控制网络，以完全协同或同步运动控制及过程控制，且成本合理。例如，有些现场应用利用分布时钟功能在5 微秒内成功同步运动轴和I/O点的传输。

半导体晶圆制造流程的复杂性随着摩尔定律而稳步增加，晶圆的尺寸也从多年前的51mm增加到不久前提出的450mm，从而更经济的利用晶圆规格生产芯片。下一代晶圆的最小单元结构尺寸将为7nm技术节点，更大尺寸的晶圆将对同一性和过程控制的精确性有更高的要求。半导体设备OEM厂商在积极的研发更加复杂的过程控制技术——多区加热，多区气体注入，采用虚拟的合成传感器基于模型的控制也是行业感兴趣的议题之一。这些复杂的过程控制将在EtherCAT技术的推动下受益匪浅。

EtherCAT技术的架构与当今多核PC架构的大数据量处理性能两者之间简直不谋而合。除此之外，它还将高性能时间确定的控制和网络的确定性架设在久经考验的以太网技术之上，且成本合理。而半导体设备提供商成功的另外一个至关重要的标准就是应用投放到市场所需的时间。应用和过程的证实以及最佳方案研发的周期成为设备供应商在市场上成功或者失败的要素。在研发设备和过程的早期，快速的原型机实现工具和建模软件包变得越来越受欢迎。过去对原型机软件的应用受限于原型机代码到生产环境的低效转换。另一个受限因素就是对前文提到过的对专用网络和专用的半导体设备的支持欠缺。幸运的是，工业界对EtherCAT的需求完全一致并由主流的建模和快速原型机方案提供支持。主流厂商如NI（国家仪器）、MathWorks和BECKHOFF（毕孚）都提供基于EtherCAT的技术方案，如：CompactRIO、xPC Target和TwinCAT/Simulink。这些基于EtherCAT且可扩展的环境都可应用在控制逻辑的快速研发以及后续的无缝实时代码自动生成，或在本地软件环境中的生产研发。在这些应用中，对EtherCAT的支持方便了过程和应用研发工程师通过EtherCAT网络采用自己的命令和组态接口继承运动、压力、温度和IO控制器，这些命令和组态接口在之后将应用于生产环境中。

6 结语

最后，如同其他领先的技术，EtherCAT技术将会持续研发，以面对未来可能出现的挑战（如100Mb以太网芯片的终结，相关兼容性问题等）。然而，在本人看来，除了一些特殊的必须采用专门DSP或FPGA芯片来处理的应用以外，EtherCAT技术的性能完全可以满足我们其他所有的应用需求。