半導體設備的Digitalization：
硬體的下一個層次
By Vince Liu
10 JUN 2021
在一般人的印象中，半導體設備就是做硬體，真的是這麼一回事嗎？
在大家的印象當中，半導體設備主要就是硬體，而一台半導體設備的組成，在大家的想像當中也就是把很多硬體兜在一起，越高端的設備，想像也就是由很多更貴的硬體組成。但實際上，真的是這樣嗎？
其實一開始的設備確實主要是以硬體為主，軟體為輔。不過因為這幾十年來半導體製造越來越複雜，為了應付半導體製造的複雜度，設備的發展遠遠超過了硬體研發。原因是因為，半導體製造所要控制的尺度非常小，所以沒有硬體可以做得完全完美的。而事實上，為了要應付越來越小的尺度的製作，機台的控制能力變得越來越重要。為了達到這個目的，軟體的分析層和控制層扮演了一個很重要的角色，越精密的設備在軟體（硬體控制工具層及分析層）做得越細緻。
要做出一台半導體設備是很複雜的，從硬體層要整合光學、機構、電機甚至是化學等架構，到要定義出硬體在運行中所能夠被控制及調整的控制參數（Control Knobs)，從軟體層要能夠串接這些Control Knobs做即時的操控，到發展分析（Analysis)、優化（Optimization）及模擬（Simulation）的能力。
而從經濟的角度來說，半導體設備必須運行得越快越好，因為它們就像是印鈔機一樣，每分每秒要製造出晶片，而這就讓設計一台半導體設備的要求變得更複雜了。
但為了解說方便，我們試著把半導體設備的硬體和軟體分成幾個層次（見圖1），以一個比較概念化的方式幫助大家了解半導體設備的複雜度。
圖1. 半導體製造設備的軟硬體系統
從圖1我們可以看到，半導體設備軟硬體的分層，大概可以分成以下：
1. 硬體的基礎設施層：主要為提供控制實體世界的相關能力, 如各種Sensors, Wafer Stage......之類的。基礎設施層是各種科學的載體，提供科學理論的具體實踐。
2. 硬體的控制能力層：主要為提供各種不同的細微的硬體調整能力（Control Knobs)。如入射光的形狀和角度、機構的移動速度、蝕刻參數的控制等等......。當硬體層能夠提供更多維度和彈性的控制能力，在製程控制和整合的彈性便越大。
3. 軟體的工具層：當硬體層提供了足夠的選項，我們便可以對硬體做精密的控制，但我們需要有方便的溝通工具可以簡單地對硬體下指令。這就是軟體工具層的作用。而軟體工具層的好處是，但我們需要根據不同複雜製程來做不同的控制時，有好的工具層便可以幫助我們快速的組合不同的硬體動作，達成即時的控制。
4. 軟體的分析層：軟體的分析層存在的原因，其實是因為半導體製造是很複雜而且需要一直不斷的優化的系統，而且製程會受到非常多不同因素的干擾而變動。因此分析層就是在製程設計階段提供模擬（Simulation）的能力，以及在已經有實際數據的狀況底下提供優化（Optimization）& 分析（Analysis）的能力，去幫助軟體工具層去對硬體根據實際發生的情況做更佳的即時控制。
所以在基礎硬體之上，其實還有許多為了做到設備精密控制和應用的層次。
而該怎麼做才能讓一般的半導體設備硬體提升到下一個層次？
關鍵就在如何把硬體的複雜度藏起來，提升到軟體的層次，我稱之叫「Digitalization」的觀念。
軟體層就是在實現硬體功能的Digitalization。當可以將硬體層模組化，然後對應到軟體層的一個軟體function的時候，就等於開了一個大門，把對硬體操控的彈性和應用程度，提升到另一個檔次。
而具體來說，軟體層有什麼好處？因為半導體製程複雜，前一道製程來的wafer會一直變動（也因為製程複雜，想要一直控制到每一片wafer都長得一樣也是不可能的)，而如果你光有強大硬體，卻無法彈性/隨情況控制機台的話，是無法應付這樣的變化的。這就像如果你有一台可以只花2.5秒就從0到100KM的跑車（硬體性能超好)，但是操控性非常爛，你也無法應付複雜的地形和轉彎，開起來會十分痛苦。
所以一台好的半導體機台的價值，除了功能性以外，還需要有好的操控性，甚至是智慧性（可以隨著製程的變化而自動調整），而軟體層就是在幫助半導體機台達到這樣的效果，才有辦法應付奈米尺度的製程變動。
至於Digitalization / 軟體層的到底怎麼做，又開啟了什麼樣的新層次呢? 我們簡單解釋如下（見圖2)：
Step1. 硬體功能化/模組化：第一個要達到Digitalization的步驟就是將硬體模組化/功能化，因為唯有這樣，接下來才能將這些功能像樂高積木一樣的任意組合。
Step2. 參數化：當硬體功能化以後，就可以將各種硬體的功能變成一組參數，而透過改變硬體的參數，就可以隨情況去改變硬體的狀態 (Configuration)。
Step3. 軟體增加了彈性和控制自由度：硬體功能化/模組化以後，軟體就可以將底層的硬體的複雜度隱藏，任意的調整參數和做各種硬體功能之間的連結，更好的發揮模組和模組之間交互作用的好處。
Step4. 開啟向應用層的大道：當硬體功能的組合和參數調整變得簡單以後，工程師們就不用花時間在軟體層背後的複雜度，可以更專注於終端應用的開發，解決各種最終端的問題。甚至在Domain knowledge的快速累積後，可以根據終端來倒推軟體設計。
圖2. 半導體硬體的Digitalization
而最終來說，如果可以做到這個程度，軟體層就會有很大的空間可以發展，透過軟體層的發展，就可以達到很多機台最終效能的改善，甚至都不用碰到硬體。而當導入演算法和人工智慧的概念後，更能將整個機台提升到智能化的境界。
結論：硬體和軟體其實不是二分法，而是疊加上去的層次
所以半導體的硬體和軟體其實不是相對的兩種分類，簡單的軟體是用來操作用沒錯，但軟體的真正價值其實是把硬體做Digitalization，開啟硬體另一個層次的方式。當我們可以將硬體模組化而後在虛擬的軟體層運作的時候，就能從應用的角度開發很多新的可能性，在性能上和實用性上提升到下一個境界，開啟了硬體另一個層次的潛力。而如何能夠像駕駛著超跑在蜿蜒的山路高速而又精準的行駛，就是接下來有趣的題目，而這也正是屬於「製程控制」的範疇，也就是我們接下來要探討的。