半導體工廠設計建設的一些應對解決方案

核心觀點：

       一個新的半導體工廠的建設意味著資本、資源和時間成本的巨大投入，建設投資主體需要通過全過程的系統(tǒng)性視角、多維度的工程實踐經驗和數據積累，數字化的管理工具，對半導體工廠開發(fā)建設中的各類變量和因子進行模型化，并盡可能在極早期進行整體規(guī)劃，在落地過程中進行精益化的建設管理與執(zhí)行，從而高效實現從最初的項目商業(yè)計劃到最后的生產上量，最終保證項目成功以及投資回報的最大化。

一、半導體廠房建設“特點”

風口上的半導體廠房建設

       國際半導體產業(yè)協會(SEMI)估計，2022年廠房建設投資可望攀高至270億美元，各制造廠紛紛上馬新項目擴產。

半導體工廠建設與管理一般都有以下幾個方面的特點：

特點1

       工程開發(fā)建設本身界面多，變量多。常見的半導體工廠工程建設項目在具體實施中將有十幾個甚至更多的各類參建單位，專業(yè)工作領域涉及如可研規(guī)劃、土地選址、勘察設計、施工總包與分包，成本造價，招標采購，工藝制程及工藝設備，數字化服務，合規(guī)風控，環(huán)保節(jié)能、測試認證、公共關系組織協調等十幾個領域的專業(yè)知識、經驗與資源的積累，很多工作屬于交叉、并行作業(yè)。

       如果建設方沒有全過程建設管理知識、經驗和資源積累，僅憑工廠設施偏運維側的經驗進行建設管理，將會大大增加工廠建設的試錯風險。

特點2

       項目建設定制需求多、非標準化。由于項目建設單位自身產品特性、工藝動力要求、建設案例積累、產線運營規(guī)劃、包括團隊個人經驗和資源的差異，對工廠的生產潔凈環(huán)境建設要求和工藝輔助系統(tǒng)的建設思路方面更是有較大不確定性，我們看到韓資背景，臺資背景，歐美背景企業(yè)或建廠團隊都有根據自己傳統(tǒng)建設管理的特性要求；我們也看到存儲器芯片工廠、Foundry廠以及純IDM企業(yè)的晶圓制造工廠之間由于業(yè)務、產品和生產模式的差異導致的工廠建設模式上的巨大差異。

       另一方面，半導體工廠所涉及的特殊廠務系統(tǒng)方面，如純廢水、氣、化、動力、空管，工藝排風，研磨液系統(tǒng)、自控FMCS系統(tǒng)等甚至強電電器系統(tǒng)都很難在設計階段進行深化設計，更無法做到標準化，導致很多項目不得不做成了業(yè)主一邊發(fā)現業(yè)務需求，設計院一邊改圖紙，施工單位一邊施工的“三邊工程”。

特點3

       開發(fā)建設管理能力短板明顯。從半導體行業(yè)整體建設管理角度看，作為具有行業(yè)話語權和產業(yè)牽引力的工廠業(yè)主側，具有多類型半導體項目從0到1的全過程建設實施的知識、經驗、數據和資源積累的管理和技術人才，組織架構健全的專業(yè)建設團隊以及行業(yè)專屬標準知識信息庫等是比較稀缺的。

       半導體工廠作為重資產投資，一般企業(yè)往往不具備多次投資建廠的能力，單體項目的建設實施規(guī)劃相對短期，在工廠建設完成后，其業(yè)務骨干或轉入工廠廠務運營，或匆匆跳槽補位其他新項目。這種模式不利于建設管理知識、經驗和數據的向業(yè)主側或者向上的積累，更無法對項目的精細化管理和運營做到增量增值。

       例如對產能分期、Tool layout、潔凈室規(guī)模和技術規(guī)格，主要建筑形態(tài)，結構含量指標、動力設施配置模型、能耗系數、標桿成本造價數據指標、環(huán)保排放等常見的內容，還沒有行業(yè)通用可查的工程數據基準，往往存在口口相傳的情況，即使是專家之間亦仁者見仁，智者見智，說法各異，對于一般業(yè)主側負責建設的廠務人員更是不具備這種知識和數據庫。

這就是為什么我們往往看到同樣的簡單問題在不同的項目上反復重演，即使是由同一家設計院、同一家施工單位所支撐的項目。

特點4

       開發(fā)建設管理工具相對落后。眾所周知，如今數字化和信息化的管理工具比較普遍的應用于各行各業(yè)。半導體行業(yè)雖然已經應用了包括在工廠潔凈車間CFD氣流模擬軟件，自動化搬運系統(tǒng)，制造執(zhí)行系統(tǒng)，自控系統(tǒng)，甚至搬運操作機器人，工程設計單位、施工單位也都有專業(yè)的數字化管理工具和系統(tǒng)，但在半導體工廠的開發(fā)建設管理的業(yè)主側，我們幾乎很少看到有意愿或者有意識采用數字化項目建設管理手段對數億數十億的如此重大基建工程進行管理效能提升。更多的情況是，業(yè)主還依賴于人的現場會議、口頭的溝通、手工統(tǒng)計表格，審批文件線下簽字存檔等形式進行。

特點5

       快速發(fā)展的半導體技術讓固定資產投資存在不確定性風險。由于技術的快速迭代，芯片產品的生命周期較短，工廠建設周期長，保守的設計存在過時的風險。特征尺寸到達2nm，極紫外光刻設備，光掩膜層數提升，原輔材料變化，產品組合策略等都對AMC控制，機臺空間，結構載荷，微震，能耗等都有新的要求。如何適應未來技術發(fā)展要求，都對傳統(tǒng)的工廠設計建設模式提出新的要求，增加了工廠建設難度。

二、半導體工廠的模型化及早期規(guī)劃

       重中之重：早期模型化規(guī)劃和任何類型的基建工程項目投資一樣，成功的半導體工廠建設會給業(yè)主帶來極大的投資回報。同樣，高效，優(yōu)質的工程建設并不意味著要犧牲時間和資金成本。針對半導體工程建設中的特性和難點，我們認為有很多業(yè)主側通用的方法和解決方案來進行優(yōu)化和解決，其中比較容易實施的一項就是用系統(tǒng)化的視角，將變量模型化，幫助項目在極早期階段進行整體建設實施規(guī)劃。

       早期規(guī)劃的目標不僅是喊口號，空講管理目標和概念。以清晰，可計量，可追溯的原則將原本非標準化、定制化程度極高的半導體工程進行模塊化、數字化，將工程中的全過程、各階段、各類技術與管理難點通過統(tǒng)一的FAB量化指標模型進行參照和衡量，整合各類資源的有效助力，規(guī)避各類變量的不利影響，把口口相傳的“復雜問題”模型化、量化，避免了“拍腦袋”定工作，避免了在最后階段才發(fā)現問題，這種模型化和數字化將能夠使重資產的工廠更加適應半導體產業(yè)先進制程、技術升級的迭代，也兼顧了業(yè)主產能爬坡，工廠生產和運營成本的投資平衡。

設計的模型化

       毋庸置疑，工廠設計的模型化是最重要的。在項目早期階段，業(yè)主建設單位應該得到一定的參考設計模型和數據的支撐進行重大決策和設計提資的完善。同時，由于半導體技術的快速迭代升級和長周期的建設生產上量之間的矛盾，工廠建設不得不需要考慮更柔性的設計策略。毫無疑問，柔性的設計模型可以更好使工廠更加適應若干年后半導體產業(yè)先進制程工藝、產業(yè)升級的迭代。

       雖然設計的模型化工作是非常困難的，但我們也發(fā)現，無論何種建設邏輯，無論何種建設背景，無論何種產品工藝規(guī)劃的差異，半導體工廠的設計、模型、量化指標總是有路徑可以實現的，BIM技術就是設計模型化和數字化的一個成果應用。在保障生產可靠性的前提之下，通過模型對設計進行早期階段的優(yōu)化是值得的，將會給項目的建設投資，生產運營成本帶來直接效益。

       通過模型，業(yè)主將更有能力為項目制定量化的設計任務書，對設計不同階段的技術和經濟性指標的管控內容做到清晰、可計量、可追溯，及時發(fā)現設計偏差和設計冗余?；炷梁恐笜恕摻詈恐笜?、窗地比就是很好的評估廠房土建工作的設計經濟性的參考指標。在早期階段進行干預遠遠勝過項目執(zhí)行中的各類驚喜。同時，對于部分特殊廠務系統(tǒng)的設計除了模型優(yōu)化以外，可以通過管理流程和資源早期協同進行設計優(yōu)化提升。

成本管理模型

       在成本管理模型中，我們覆蓋了若干分子模型，包括從早期項目選址開始可能涉及的選址要素模型和清單，包括經常被忽略的地方行政事業(yè)性收費和政府規(guī)劃條件變量要素指標，覆蓋了設計方案選型、圖紙經濟性模型，工藝設備和廠務設施動能管理，動力配置方案模擬，主設備主材技術規(guī)格模型和對標價格，采購流程和供應商直供資源庫，清單編制方案，合約內容策劃與動態(tài)成本管理模型。

進度規(guī)劃模型核心：

掌握對時空變量的專業(yè)解決方案

       在項目建設進度規(guī)劃模型中，一般的投資建設業(yè)主單位往往只有一個概念框架里程碑要求，而設計院等單位和執(zhí)行團隊往往只能根據業(yè)主提供的機臺搬入時點倒排從項目摘地到施工竣工的進度計劃，兩者之間忽略了建設前期階段的、也是最為關鍵的業(yè)主單位自身的項目規(guī)劃、籌備，決策的進度計劃。

       而且在此類計劃中往往只能依賴個體經驗對工程進度進行推演，而忽略了項目執(zhí)行落地背后復雜的人、機、料、法、環(huán)的時空變量，而這些變量的專業(yè)化解決方案是久已存在于工程業(yè)界，均有標準的規(guī)范定義和成功工程實踐案例的，是都可以借鑒的。對這些變量所形成的專業(yè)化解決方案對于團隊成員來自五湖四海的融合型業(yè)主團隊更為重要。

結語

       最后，合景凈化工程公司認為，再優(yōu)秀、再強大的企業(yè)都有自己力不能及之處，況乎一些新生的企業(yè)和項目。半導體產業(yè)是一個分工高度精細化、協同化和國際化的產業(yè)，半導體企業(yè)要做大做強，尤其制造型企業(yè)從工廠的開發(fā)建設第一步就要以高標準、嚴要求來規(guī)范自己、提高自己的專業(yè)程度，在項目早期規(guī)劃出高效的開發(fā)建設模式，以開放的態(tài)度引入新要素，新技術，新伙伴，多維度整合人才、信息，數據和資源，分工明確，高效協同，進而為項目建設的成功提質、降耗，控險。