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人工智慧物聯網AIOT-028
先知科技總經理 高季安
August 29, 2024
在我們前一篇關於Modbus協定的深入介紹中，我們探討了這一古老卻仍廣泛使用的工業通訊協定是如何在現代物聯網生態中找到自己的位置。今天，我們將轉向一個專為半導體製造業設計的通訊協定——SECS/GEM。這一協定不僅對半導體行業的生產流程起到至關重要的作用，同時也是實現高度自動化和精準監控的關鍵技術。
SECS/GEM（Semiconductor Equipment Communication Standard/Generic Equipment Model）協定，是半導體裝置與工廠控制系統之間通信的國際標準。這一協定允許設備製造商和晶圓廠之間進行精確的數據交換，從而實現更有效的生產管理和過程控制。在接下來的文章中，我們將深入挖掘SECS/GEM的核心概念，探索它是如何成為連接半導體製造設備與晶圓廠高級控制系統不可或缺的橋樑。
一、SECS/GEM 簡介
在我們深入探討物聯網中的通訊協定的過程中，不可避免地會接觸到專門針對半導體工業設計的SECS/GEM協定。這個協定組合由多個部分組成，其中包括SECS-I、SECS-II、HSMS以及GEM(如圖1)，每個部分都針對不同的通訊需求和環境提供了解決方案。
圖1. SECS/GEM 架構
SECS-I（Semiconductor Equipment Communication Standard I）於1980年推出，是這一系列標準的開端。它使用RS-232接口，這是一種在早期電腦通訊中常見的串行通訊接口。透過SECS-I，裝置可以通過序列連接交換信息，這在當時對於實現基本的裝置控制和數據收集來說已經足夠。
隨後，在1982年，SECS-II被引入。SECS-II標準化了信息的編碼和解碼方式，使得信息交換不僅限於控制信號，還包括了更複雜的數據結構，為半導體製造設備與控制系統之間提供了更豐富的交互操作。這一標準的實現使得半導體製造設備能夠更有效地與工廠的其他系統集成，實現更高的自動化和效率。
到了1992年，GEM（Generic Equipment Model）標準出現。GEM是在SECS-II的基礎上發展的，它定義了如何使用SECS-II消息來模擬一般設備的行為，使設備製造商可以實現更細粒度的控制和監控。GEM讓半導體設備的行為可以更加標準化，使得設備狀態的監控和控制更為直觀和方便。
HSMS（High-Speed SECS Message Services），推出於1994年，是針對網絡化環境設計的。它將TCP/IP用於數據交換，解決了SECS-I使用RS-232所帶來的速度和距離限制。HSMS支持更快速的數據傳輸和更廣泛的網絡連接，這對於現代化的大規模半導體生產線是必不可少的。
透過這一系列的發展，SECS/GEM標準不僅解決了半導體製造過程中的通訊問題，更提供了一個健壯的框架，支持從基本的數據收集到複雜的過程控制的多方面需求。這套標準的普及和應用，是當今半導體工業實現高效率和高靈活性生產的關鍵。
二、SECSII 與GEM 的關係
在談論SECS-II和GEM的關係之前，讓我們首先理解這些術語的基本概念。SECS-II（SEMI Equipment Communications Standard 2）是一種半導體裝置間通信的規範，其設計用於規範機台（如晶片製造設備）與主機（Host）間的資料交換格式。SECS-II的訊息傳輸依靠清晰定義的「Message」來實現，這些Message被進一步分類為不同的Stream和Function(如圖2)，便於對特定操作或請求進行編碼和解碼。每個Message包含多個「Item」和「List」，這些組成部分可以靈活地表示各種數據結構，以適應不同的交互需求。
圖2. SECS 訊息範例
另一方面，GEM（Generic Equipment Model）是建立在SECS-II協定之上的一個應用層標準，專門為半導體製造設備的通信和控制設計。GEM不僅指定了機台在特定情境下應當發送哪些SECS-II消息，而且還定義了機台的行為模型，明確規範了設備在生產線上的互動方式。
附圖所示的層次結構清楚地展示了SECS-II和GEM的關係(如圖3)：SECS-II提供了基礎的通信框架，而GEM則在這一框架上增添了具體的機台行為和標準。這種結構不僅保證了數據傳輸的一致性和可靠性，也使得製造設備能夠更好地整合進高級製造執行系統（MES）和企業資源規劃（ERP）系統，實現整個工廠自動化的高度協同。
圖3. SECS-II 與 GEM 的關係圖
GEM的實際應用中，任何符合GEM規範的設備都必須能夠按照預定的「Scenario」行事(如表1)。這些Scenario描述了在特定生產階段設備應當如何響應，如何處理錯誤，以及如何與主控系統交互，保證生產的順利進行。這樣的標準化不僅提高了製造效率，也簡化了新設備的集成和現有系統的升級。
表1. GEM Compliance Statement
總結來說，SECS-II和GEM共同構建了一個強大的框架，使半導體製造業能夠在快速變化的市場條件下保持競爭力。這種層次分明的標準化通信協定不僅促進了技術的進步，還確保了行業內信息交流的高效和安全。
本篇文章資料來源: https://www.semi.org/zh/blogs/technology-and-trends/Introduction-to-SECS-GEM
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