本書以半導體集束型裝備為研究對象，在全面分析其調度特點的基礎上，詳細解剖、分析半導體集束型裝備各類調度問題，建立了調度模型并運用智能化方法設計了相應的求解方案。本書在認真總結國內外多年的半導體集束型裝備調度研究成果的基礎上，結合作者多年在生產調度，特別是半導體集束型裝備領域的研究與應用成果，對復雜的半導體集束型裝備調度問題從理論到方法再到應用進行了全方位、系統化的論述。
半導體芯片制造業是一個尖端技術及高附加值產業，對國民經濟的發展具有巨大的戰略價值，世界各國政府都將其視為國家的骨干產業。在世界制造業中心向亞太地區轉移的大背景下，在國家產業政策的推動下，中國的半導體芯片產業獲得了飛速的發展。要保持我國半導體芯片制造業良好的發展勢頭，提升我國半導體芯片制造業國際競爭能力，不僅要擴大規模，而且要注重提高制造系統績效。把我國的半導體芯片做大、做強，不僅需要先進的半導體芯片設計技術、制造工藝技術及裝備技術，而且需要先進的生產管理技術。
半導體制造的源頭是芯片制造，芯片制造的關鍵是其制造裝備。集束型晶圓制造裝備（ClusterTools）是由物料搬運機械手和若干單晶圓加工設備構成的自動化組合制造系統，代表著當今半導體制造裝備的先進水平，越來越多地應用到芯片的制造中。集束型裝備調度問題與生產調度問題一樣具有復雜性，如建模困難（數學模型或仿真模型難以建立）、高度重入加工（半導體制造過程中晶圓多次進入相同的設備加工）、存在多約束耦合（加工能力、滯留時間、機械手能力等約束耦合）、不確定（加工時間波動、設備自動清洗、臨時晶圓插入、設備故障、返工等）、多種類型機械手（單臂機械手、雙臂機械手、多機械手）、多種類型晶圓混合加工（晶圓代工廠要同時生產幾十種產品，生產調度要同時考慮晶圓排序和機械手搬運作業排序）、存在不同的晶圓流模式（表現為串行、并行和重入晶圓模式）、大規模（晶圓和機械手搬運作業數量龐大，解空間可能隨問題規模的增大而呈指數增長等）。研究表明，絕大多數集束型裝備調度問題屬于NP-hard性質的問題，其研究具有重要的學術意義和工程價值。
本書力圖總結作者和國內外同行在集束型晶圓制造裝備調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度、集束型晶圓制造裝備的多機械手調度、集束型晶圓制造裝備的滯留時間約束調度、集束型晶圓制造裝備的應急調度、集束型晶圓制造裝備混合晶圓調度等問題的數學模型、問題特性及優化調度算法，以及基于SEMI標準的集束型裝備控制平臺的設計與驗證等。全書共8章，主要內容如下：
第1章為緒論，簡要介紹半導體制造產業的戰略意義、半導體制造工藝、集束型裝備的高度復雜性、制造系統調度、集束型裝備調度資源和約束條件、集束型裝備調度的分類。
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、數學規劃模型、時序圖模型、Petri網模型及仿真模型等。
第3章介紹集束型晶圓制造裝備的調度方法，包括基于運籌學方法、多項式算法、啟發式方法和智能優化方法等。
第4章介紹集束型晶圓制造裝備的重入和混流調度的混合整數規劃模型，該模型包括加工模塊能力約束、機械手能力約束、重入模塊約束等。
第5章論述集束型晶圓制造裝備的多機械手調度，重點介紹基于分解方法和線性規劃模型的搜索算法、基于LCM和Swap的k序列策略和構造算法等。
第6章圍繞集束晶圓制造型裝備的滯留時間約束調度展開，重點介紹單臂和雙臂機械手的可調性條件、基于線性規劃模型和沖突控制策略的啟發式搜索方法、基于分解思想的多集束型裝備啟發式調度方法。
第7章介紹集束型晶圓制造裝備的應急調度，依次對基于微粒群的兩層在線調度方法和基于量子進化算法的在線調度方法展開介紹。
第8章介紹CTC控制軟件架構及SEMI標準，論述了CTC實時調度系統框架模型，該模型分為監督控制層、模塊管理層、模塊控制器層；接著介紹了通信協議的分析與設計過程，包括SEMI標準SECS-I、HSMS、SECS-II和GEM四個通信協議；最后，介紹了利用“虛擬控制”思想對模型進行仿真、調度和驗證的過程。
本書所涉及的研究成果是在遼寧省高等學校優秀人才支持計劃（LJQ2011132）、遼寧省教育廳科學研究一般項目（L2014456）、大連外國語大學科研基金項目（2014XJYB05）等的資助下取得的。另外，還要特別感謝電子工業出版社對本書的大力支持，感謝吳長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。
本書可作為計算機科學與技術、管理科學與工程、機械工程等相關學科的教師、學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特征的調度問題中具有高度復雜性和挑戰性的課題，隨著國際上對這類問題研究的不斷深入，以及我國半導體制造裝備的興起與迅速發展，有關的研究還在不斷發展和完善之中，本書作為作者近年來學習和研究的一個階段性總結，其中難免會有不當甚至錯誤之處，敬請廣大讀者批評指正。
作者
2016年11月
李林瑛，大連外國語大學軟件學院副教授。
第1章 緒 論 1
1.1 半導體裝備制造產業的戰略意義 1
1.2 半導體制造工藝簡介 4
1.3 集束型晶圓制造裝備的高度復雜性 8
1.4 制造系統調度簡介 13
1.4.1 車間調度 14
1.4.2 機器人制造單元調度 16
1.4.3 抓鉤調度 19
1.5 集束型裝備調度 21
1.5.1 基本概念 21
1.5.2 調度資源 23
1.5.3 約束條件 24
1.6 集束型晶圓制造裝備調度分類 25
1.6.1 基于調度類型的分類方法 25
1.6.2 基于三鄰域（α∣β∣γ）的分類方法 27
1.6.3 基于調度環境和任務的分類方法 28
本章參考文獻 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 基于數學規劃模型的集束型裝備建模 39
2.2.1 數學規劃模型基本理論 40
2.2.2 集束型裝備數學規劃建模過程 41
2.3 基于時序圖模型的集束型裝備建模 43
2.3.1 時序圖模型基礎理論 43
2.3.2 集束型裝備時序圖建模過程 44
2.4 基于Petri網模型的集束型裝備建模 48
2.4.1 Petri網模型基礎理論 48
2.4.2 集束型裝備Petri網建模過程 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 66
本章參考文獻 66
第3章 集束型晶圓制造裝備的調度方法 71
3.1 基于運籌學方法的集束型裝備調度 71
3.1.1 運籌學方法概述 72
3.1.2 混合整數規劃在集束型裝備調度中的應用 79
3.1.3 分支定界算法在集束型裝備調度中的應用 88
3.2 基于多項式算法的集束型裝備調度 94
3.2.1 多項式算法概述 94
3.2.2 多項式算法在集束型裝備調度中的應用 97
3.3 基于啟發式方法的集束型裝備調度 99
3.31 啟發式方法概述 100
3.3.2 啟發式方法在集束型裝備調度中的應用 105
3.4 基于智能優化方法的集束型裝備調度 107
3.4.1 智能優化方法概述 108
3.4.2 智能優化方法在集束型裝備調度中的應用 118
3.5 小結 120
本章參考文獻 121
第4章 集束型晶圓制造裝備的重入和混流調度 129
4.1 引言 129
4.2 重入調度的混合整數規劃模型 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 混流調度的混合整數規劃模型 138
4.3.1 調度問題 139
4.3.2 混合整數規劃模型 141
4.3.3 生產周期下界分析 144
4.3.4 仿真 148
4.4 小結 151
本章參考文獻 151
第5章 集束型晶圓制造裝備的多機械手調度 154
5.1 引言 154
5.2 基于分解方法的兩集束型裝備調度 155
5.2.1 符號定義和問題描述 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劃模型的搜索算法 161
5.2.5 仿真 162
5.3 有滯留時間約束的兩集束型裝備調度模型 164
5.3.1 符號定義和問題描述 164
5.3.2 集束型裝備的混合整數規劃模型 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度 173
5.4.1 符號定義和問題描述 174
5.4.2 k序列的平均周期下界 175
5.4.3 k序列的構造策略 177
5.4.4 仿真 182
5.5 小結 191
本章參考文獻 192
第6章 集束型晶圓制造裝備的滯留時間約束調度 194
6.1 引言 194
6.2 單臂機械手集束型裝備可調度性與調度 195
6.2.1 問題描述 195
6.2.2 并行加工模塊加工時間的等效性證明 197
6.2.3 可調度性分析 199
6.2.4 仿真 201
6.3 雙臂機械手集束型裝備可調度性與調度 203
6.3.1 符號定義和問題描述 203
6.3.2 有晶圓滯留時間約束的線性規劃模型 204
6.3.3 集束型裝備的可調度性分析 205
6.3.4 仿真 207
6.4 單臂機械手的集束型裝備啟發式搜索方法 211
6.4.1 問題描述 212
6.4.2 調度模型 213
6.4.3 基于線性規劃模型和沖突控制策略的啟發式搜索方法 214
6.4.4 仿真 216
6.5 基于分解思想的多集束型裝備啟發式調度方法 217
6.5.1 問題描述和定義 217
6.5.2 周期性調度過程分析 218
6.5.3 啟發式調度方法 219
6.5.4 仿真 220
6.6 基于遺傳算法的集束型裝備調度方法 222
6.6.1 問題描述和調度問題 222
6.6.2 改進遺傳算法 224
6.6.3 仿真 228
6.7 小結 230
本章參考文獻 231
第7章 集束型晶圓制造裝備的應急調度 234
7.1 引言 234
7.2 基于PSO的啟發式調度方法 236
7.2.1 調度問題描述和數學模型 236
7.2.2 基于前向和后向遞歸方法的內層算法 237
7.2.3 微粒群算法優化算法分析 242
7.2.4 基于微粒群算法的兩層在線調度方法 245
7.2.5 仿真 247
7.3 基于量子進化算法的在線調度方法 250
7.3.1 在線調度問題 250
7.3.2 在線調度方法 251
7.3.3 外層量子進化算法 253
7.3.4 仿真 256
7.4 小結 258
本章參考文獻 259
第8章 基于SEMI標準的集束型晶圓制造裝備控制平臺 261
8.1 引言 261
8.2 CTC控制軟件概述 262
8.2.1 國內外半導體制造自動化公司 262
8.2.2 SEMI協會和SEMI標準 264
8.3 實時調度系統框架模型 266
8.3.1 基于SEMI標準的CTC控制軟件 266
8.3.2 實時調度系統框架模型 267
8.4 實時調度系統的監督控制層 268
8.4.1 擴展有限狀態機 269
8.4.2 基于EFSM的調度控制邏輯模型 269
8.5 基于CTMC標準的實時調度系統模塊管理層 272
8.5.1 作業分解過程 272
8.5.2 基于CTMC的作業執行 273
8.6 數據通信協議的分析與設計 276
8.6.1 通信協議簡介 276
8.6.2 通信協議設計 308
8.6.3 通信協議開發 311
8.6.4 通信協議實現 316
8.7 模塊控制器層 320
8.7.1 加工模塊控制器軟件架構 320
8.7.2 模塊控制器層模型 321
8.8 實時調度系統的測試與驗證 321
8.8.1 測試和驗證過程概述 322
8.8.2 測試和驗證系統需求分析 322
8.8.3 測試和驗證系統實現 323
8.9 小結 326
本章參考文獻 326
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