Gids voor halfgeleidercommunicatiestandaarden: SECS/GEM & verder

Samenvatting

• Kernprotocollen: SECS/GEM blijft de ruggengraat van halfgeleidercommunicatiestandaarden en maakt naadloze gegevensuitwisseling mogelijk tussen apparatuur en hostsysteem.
• Industrie-evolutie: De overgang naar Industry 4.0 vereist geavanceerde protocollen zoals GEM300 en EDA (Interface A) voor hogere databandbreedte.
• Operationele impact: Gestandaardiseerde communicatie verlaagt integratiekosten, minimaliseert menselijke fouten en maakt realtime monitoring mogelijk in high-volume fabs.
• Toekomstperspectief: Opkomende AI- en machine-learningtoepassingen zijn afhankelijk van hoogwaardige datastromen uit moderne halfgeleiderfabriek-hostcommunicatiesystemen.

Introductie

Volgens SEMI (2024) zal de wereldwijde markt voor halfgeleiderproductieapparatuur naar verwachting in 2025 124 miljard dollar bereiken, grotendeels gedreven door de behoefte aan slimmere en beter verbonden faciliteiten. In deze omgeving met hoge inzet fungeren halfgeleidercommunicatiestandaarden als een universele taal die voorkomt dat een miljarden kostende fabriek (fab) verandert in een hightech Toren van Babel. Zonder deze protocollen zouden je wafersorteerder en je Manufacturing Execution System (MES) net zo weinig gemeen hebben als een platenspeler en een smartphone.

De complexiteit van moderne chipproductie vereist dat elk stuk hardware zijn status rapporteert, recepten ontvangt en fouten in realtime signaleert. Deze connectiviteit is geen luxe; het is de ruggengraat van de volledige productielijn. Voor engineers en automatiseringsarchitecten is het begrijpen van deze protocollen het verschil tussen een soepel draaiende “lights-out” fabriek en een chaotische storingsnachtmerrie.

Naarmate we dieper het tijdperk van de slimme fabriek ingaan, is de afhankelijkheid van stabiele communicatie­standaarden alleen maar toegenomen. Deze kaders zorgen ervoor dat een machine, ongeacht of die van een leverancier uit Europa, Azië of de VS komt, direct kan aansluiten op het centrale zenuwstelsel van de fabriek.

De basis van connectiviteit: SECS/GEM

In het hart van de industrie staat het SECS/GEM-protocol. Dit is geen enkel regelboek, maar een gelaagde communicatie-aanpak die al decennia standhoudt.

Uitleg van de SECS-standaarden

SECS staat voor Semiconductor Equipment Communication Standard. Het bestaat uit twee hoofdonderdelen die bepalen hoe data wordt verzonden. SECS-I (E4) was oorspronkelijk gericht op seriële communicatie, terwijl HSMS (High-Speed SECS Message Services, E37) het protocol aanpaste voor moderne Ethernet-omgevingen. Zie SECS als de envelop en de postdienst: het definieert hoe het bericht wordt verpakt en waar het naartoe gaat.

De rol van GEM (E30)

Als SECS de envelop is, dan is GEM (Generic Model for Communication and Control of Manufacturing Equipment) de brief erin. Het definieert de daadwerkelijke inhoud van de berichten. Volgens PeerGroup (2023) zorgt de GEM-standaard voor een consistente interface voor alle apparatuur, ongeacht de functie. Het beschrijft hoe een machine moet starten, stoppen en zijn status rapporteren aan de fab-hostcommunicatiesystemen.

Verder dan de basis: GEM300 en 300mm-fabstandaarden

Toen de industrie overstapte van 200mm- naar 300mm-wafers, explodeerde de complexiteit van automatisering. Handmatig zware FOUP’s (Front Opening Unified Pods) door een enorme cleanroom dragen was geen optie meer. Dit leidde tot de ontwikkeling van GEM300-standaarden.

Automatisering en carriermanagement

De GEM300-suite omvat standaarden zoals E40 (Process Management), E87 (Carrier Management) en E94 (Control Job Management). Deze protocollen stellen de fab-host in staat niet alleen de machine, maar ook het materiaal dat erdoorheen beweegt te beheren. Hoe weet het systeem welke wafer bij welke klant hoort? Deze standaarden geven het antwoord.

Hogere precisie met E90 en E116

E90 volgt de locatie van substraten binnen een tool, terwijl E116 een kader biedt voor prestatiemonitoring van apparatuur. Heeft de machine onderhoud nodig of is het slechts een geplande pauze? Deze standaarden houden het MES continu op de hoogte.

Data-gedreven evolutie: EDA / Interface A

Hoewel SECS/GEM uitstekend is voor besturing, kan het moeite hebben met “Big Data”. Als je ooit geprobeerd hebt een 4K-film te downloaden via een inbelverbinding uit de jaren ’90, herken je de frustratie. Deze bottleneck leidde tot Equipment Data Acquisition (EDA), ook bekend als Interface A.

De kracht van parallelle datastromen

In tegenstelling tot SECS/GEM, dat vaak gekoppeld is aan de besturingslogica van de machine, werkt EDA via een aparte “alleen-lezen” dataroute. Volgens Cimetrix (2023) maakt EDA veel hogere bemonsteringsfrequenties mogelijk zonder de primaire taken van de apparatuur te verstoren. Dit is cruciaal voor geavanceerde procescontrole en voorspellend onderhoud.

Ondersteuning van Industry 4.0-standaarden

In een omgeving met slimme fabriekscommunicatie gebruikt EDA webservices en XML/HTTP om enorme hoeveelheden metadata te verzenden. Engineers kunnen exact zien wat er in een kamer gebeurde tijdens een specifieke microseconde van een plasma-etsproces. Het is het verschil tussen een foto van een auto-ongeluk en een vluchtgegevensrecorder.

Implementatie-uitdagingen voor systeemintegrators

Het verbinden van een legacy-tool met een modern MES is niet altijd eenvoudig. Apparatuur wordt vaak als “SECS-compliant” geleverd, maar spreekt in de praktijk een iets ander dialect dan de fab verwacht.

Standaardconformiteit en testen

Integratie vereist vaak grondige karakterisering. Dat een tool GEM ondersteunt, betekent niet dat hij alle variabelen levert die jouw fabriek nodig heeft. Waarom rapporteert de machine de temperatuur niet elke vijf seconden? Meestal is dit een mappingprobleem in de GEM-interface.

De kloof tussen IT en OT overbruggen

De botsing tussen Information Technology (IT) en Operational Technology (OT) zorgt voor spanning. Fab-IT-teams willen veiligheid en hoge bandbreedte; equipment engineers willen stabiliteit en lage latency. Het balanceren van deze belangen is de kern van het werk van moderne systeemintegrators.

De toekomst van halfgeleidercommunicatiestandaarden

Met de overgang naar 2nm-nodes en verder zal de hoeveelheid data per fab enorm toenemen. Volgens McKinsey (2023) kan AI-gedreven productie tegen 2030 tot 300 miljard dollar aan waarde toevoegen aan de halfgeleiderindustrie. Maar AI is slechts zo goed als de data die het ontvangt.

Daarom moeten communicatie­standaarden blijven evolueren. We zien een verschuiving naar meer gestandaardiseerde plug-and-play-mogelijkheden, waarbij handmatige datamapping verdwijnt. Als een machine zichzelf automatisch aan de host kan beschrijven, verkort dit de time-to-market aanzienlijk.

Zullen we ooit volledig afscheid nemen van SECS/GEM? Onwaarschijnlijk. De industrie is conservatief, omdat één uur downtime miljoenen kan kosten. In plaats daarvan zullen legacy-protocollen naast nieuwere, snellere standaarden blijven bestaan in een hybride ecosysteem.

Conclusie

Het beheersen van halfgeleidercommunicatiestandaarden is geen nichevaardigheid meer, maar een strategische noodzaak voor iedereen in de chipketen. Van de betrouwbare basis van SECS/GEM tot het hoge-bandbreedtepotentieel van EDA: deze protocollen houden het meest complexe productieproces ter wereld efficiënt en schaalbaar. Terwijl we de grenzen van silicium blijven verleggen, zorgen communicatiestandaarden ervoor dat mens en machine op één lijn blijven.

Veelgestelde vragen