华为智能半导体工厂网络解决方案

华为智能半导体工厂网络解决方案 主编:张帆、赵亮 版权声明 主编:张帆、赵亮 主要参与人员:谢刚、王卫波、赵科强发布日期:2023-04-26 发布版本:01 版权所有©华为技术有限公司2023。保留一切权利。 非经本公司书面许可，任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本文档内容的部分或全部，并不得以任何形式传播。 商标声明 和其他华为商标均为华为技术有限公司的商标。 本文档提及的其他所有商标或注册商标，由各自的所有人拥有。 注意 您购买的产品、服务或特性等应受华为公司商业合同和条款的约束，本文档中描述的全部或部分产品、服务或特性可能不在您的购买或使用范围之内。除非合同另有约定，华为公司对本文档内容不做任何明示或默示的声明或保证。 由于产品版本升级或其他原因，本文档内容会不定期进行更新。除非另有约定，本文档仅作为使用指导，本文档中的所有陈述、信息和建议不构成任何明示或暗示的担保。 前言 主编简介 张帆，华为数据通信数字化信息和内容体验部资料工程师，2015年加入华为，具有多年数据通信产品与解决方案资料开发经验，曾参与《云数据中心网络架构与技术》、 《华为智慧车企网络解决方案》等书的编写，负责华为制造、金融和大企业行业的数据通信解决方案资料开发。 赵亮，华为数据通信解决方案设计部解决方案架构师，2011年加入华为，具有多年数据通信产品与解决方案测试和架构设计经验，目前负责制造行业和大企业的数据通信解决方案设计工作，主导多个企业的网络架构和方案设计。 本书内容 本书介绍了半导体行业的发展趋势，指出信息化和数字化转型是半导体企业在激烈竞争中得以立足的必经之路，由此对半导体工厂网络提出了诸多挑战。为此，华为提出了智能半导体工厂网络解决方案。由于整个半导体工厂网络分成多个不同的网络区域，因此本文分别就FAB生产网络、数据中心网络、办公网络、广域互联网络和网 络一体安全五大场景分别给出具体的网络方案，同时分别描述了对应的方案价值、关键技术和成功案例。 读者对象 本书适合半导体产业的ICT从业人员、投身数字化转型的参与者或者决策者，以及对半导体产业中企业网络感兴趣的读者。阅读本书建议具备以下经验和技能： 了解数据通信网络基础知识，熟悉半导体企业网络基本架构和建设原则。 在工作中与智能工厂网络相关，具有网络规划设计、操作或运维经验。 符号约定 对正文中重点信息的补充说明。“说明”不是安全警示信息，不涉及人身、设备及环境伤害信息。 表示如不避免则可能导致轻微或中度伤害的具有低等级风险的危害。 目录 第1章智能半导体工厂网络的发展趋势和挑战1 1.1半导体行业的发展趋势1 1.2智能半导体工厂网络面临的挑战4 第2章智能半导体工厂网络解决方案8 2.1方案简介8 2.2方案价值12 第3章智能半导体工厂FAB生产网络方案16 3.1方案概述16 3.2方案价值21 3.3关键技术23 3.4方案应用34 第4章智能半导体工厂数据中心网络方案37 4.1方案概述37 4.2方案价值45 4.3关键技术49 4.4方案应用57 第5章智能半导体工厂办公网络方案61 5.1方案概述61 5.2方案价值66 5.3关键技术71 5.4方案应用85 第6章智能半导体工厂广域互联网络方案89 6.1方案概述89 6.2方案价值94 6.3关键技术97 6.4方案应用103 第7章智能半导体工厂网络一体安全方案105 7.1方案概述105 7.2方案价值109 7.3关键技术111 7.4方案应用122 第8章总结与展望124 A术语125 第1章 智能半导体工厂网络的发展趋势和 挑战 摘要 半导体产业链条长，研发与创新门槛高，是数据、知识高度密集型产业，同类企业间的竞争十分激烈。通过半导体企业自身的信息化、数字化转型，可以有效联接并整合各个层面的资源，深度挖掘数据价值，为企业降本增效。其中，构建一张可靠、安全、智能的网络是半导体企业数字化转型的坚实基础。当前半导体企业的关键业务对网络提出了诸多要求，网络建设面临着不小的挑战。 1.1半导体行业的发展趋势 半导体行业自诞生以来，遵循摩尔定律，随着下游应用的快速发展，在技术变革和应用爆发的双轮驱动下，半导体行业持续爆发式增长。随着5G、物联网、高性能计算、人工智能、AR/VR以及汽车电子等新技术和新产品层出不穷，半导体器件下游应用范围持续扩大。 半导体行业的产业链大致可以划分为上游、中游和下游，覆盖四大类产品，分别是： 集成电路：如存储器、逻辑芯片（如CPU、GPU）、微处理器（MPU）、模拟芯片等 分立器件（含功率半导体）：如MOSFET（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，金氧半场效晶体管）、IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）、二极管、晶闸管等 传感器：如MEMS（Micro-electro-mechanicalSystems，微机电系统）、图像传感器等 光电子器件 以集成电路产业为例，如图1-1所示，上游为支撑性行业，包括半导体材料、生产设备、EDA（ElectronicDesignAutomation，电子设计自动化）以及IP核 （IntellectualPropertyCore）等；中游为制造行业，包括芯片设计、晶圆制造和封装测试三大环节；下游则主要为半导体产品的应用行业，主要包括通讯、消费电子、计算机、汽车电子、医疗器械、新能源、工业电子、航天航空、安防、人工智能等。 图1-1半导体产业链简要划分（以集成电路产业为例） 半导体产业作为各行各业的基石叠加各项国家政策扶持，行业规模将继续稳定成长并有望突破新高。近年来，我国先后出台了《国家集成电路产业发展推进纲要》 《关于进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策的通知》《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》等文件，大力支持国产半导体产业发展。 随着2.5D/3DIC（IntegratedCircuit，集成电路）设计新技术的发展，如何能应用新的设计方式，在设计初期就考虑到制造要求与规范，将制造验证与确认工作提前，以减少制造的风险、提高良品率，这已经是所有芯片设计公司共同的挑战。而芯片制造公司内部由于专业分工精细，内部系统较为分散，工艺设计和制造中的不同工具和流程都是孤岛，使得可追溯性问题变得更加棘手。同时半导体制造的工艺流程复 杂度不断攀升，但上市周期缩短、订单及时交付、良品率快速提升、生产安全防护等各方面的挑战日益严峻。 芯片及电子产品的高效能、小尺寸、高可靠性和低功耗要求越来越高，如何交付更低成本、更高产量、零缺陷的芯片和加速产品导入市场，已成为所有半导体从业者的挑战。半导体制造企业利用高新技术，推行数字化转型战略，优化业务流程和性能，最终加速产品上市及提高客户满意度。这既是当前半导体制造企业应对的挑战，也是逐步达成业务目标的必由之路。 半导体产业链条长，研发与创新门槛高，是数据、知识高度密集型产业，同类企业间的竞争十分激烈。通过半导体企业自身的信息化、数字化转型，可以有效联接并整合企业各个价值链环节，使企业在研发、测试、制造、销售、售后等各个层面降本增效。网络是企业数字化转型的基础联接底座，通过构建一张安全、可靠、智能的网络，满足企业在生产制造、研发、办公、厂区互联等场景的各类业务诉求，让数据敏捷可控地流动，充分释放数据价值。 1.2智能半导体工厂网络面临的挑战 半导体企业数字化转型过程中，对网络联接提出了诸多要求，网络建设面临着不小的挑战。 挑战一：生产要求零中断，网络必须高可用高可靠 半导体制造的生产工序超过1000道，期间需要不断地循环检测、更改配方，每道工序出现异常都会影响良品率，例如需要不停对硅原料、化学试剂、超纯去离子水、空气灰尘量等大量生产因素进行检测，整个过程要求网络零中断地传输相关数据。另外，半导体工厂内制造设备和主机服务器之间、工厂内系统之间均存在大量单播、组播消息，消息交互非常频繁，对网络的连续性、可靠性要求高，对网络的智能化运维排障诉求强烈。业界专家预测，半导体工厂一旦生产停工，会造成巨额损失 （据典型测算，停工30分钟，损失5000万美元，平均每秒损失2.6万美元），因此必须建设零中断的生产网。 零中断主要的表现为业务不感知网络调整，生产网的关键业务主要为机台和EAP （EquipmentAutomationProgramming，设备自动化管理系统）等生产业务系统间 的通信，其可容忍的网络中断时间均在秒级以内，因此网络调整时间建议在500ms左右；在生产业务系统网络内，服务器的双网卡接入需要网络配套双活网关，并且双活网关需要满足实时的表项备份以及毫秒级别的切换性能。 当前在半导体生产过程中，大量使用AGV（AutomatedGuidedVehicle，自动引导运输车）、天车等移动类设备运送生产物料，移动速率一般在5米/秒。这些设备在运动过程中需要不停接收控制端的指令，以完成对应的运输动作，甚至需在不同的生产线之间来回移动。这就要求生产无线网络不仅覆盖范围广，还能提供低时延（小于100ms）的接入性能和通信零中断的业务保证。 挑战二：研发仿真算力要求高，网络必须无损传输 半导体芯片设计越来越复杂，制程工艺提升导致仿真周期不断加长，EDA仿真平台面临任务数量和性能需求的爆发式增长。以7nm工艺为例，前端设计的仿真周期需要6~12个月，后端设计的仿真周期需要1~2个月，TapeOut阶段的仿真周期需要1~2周。半导体研发的EDA仿真，如OPC（OpticalProximityCorrection，光学邻近效应校正）等，运算过程对硬件算力要求很高，EDA工具需要服务器集群提供几千核CPU甚至更高的庞大算力。大量服务器节点之间计算指令和计算数据需要极速协同，大量小文件存储带来高OPS（OperationsPerSecond，每秒操作次数）压力，部分大文件传输会消耗较大带宽，整个仿真过程对网络吞吐能力、时延和丢包等指标要求极高。 作为多服务器互联底座的数据中心网络变得异常重要，网络丢包和转发时延都将影响整体计算效率，进而影响产品研发周期。这就要求半导体工厂必须构建一套零丢包、极低时延、大带宽的无损网络，充分释放HPC（High-performanceComputing，高性能计算）算力。 挑战三：办公多业务承载和安全隔离，网络必须灵活高效 受益于Wi-Fi技术越来越普及，半导体企业内办公专用便携接入Wi-Fi网络，随时随地便捷联网的需求越来越强烈。另外，半导体企业普遍采用的桌面云终端也对其接入的Wi-Fi网络有较高要求，例如要求丢包率≤0.01%、往返时延≤30ms、抖动 ≤10ms。因此，半导体企业需要部署一张高品质（高并发，大带宽，低时延）Wi-Fi 办公网络，实现信号覆盖无死角、漫游不中断等关键能力，保证桌面云访问的优质体验。由于半导体企业内信息安全管控十分严格，对于所有从Wi-Fi接入的终端，需要严格管控其访问权限，保证任何终端在任何办公地点登录后，都依然只能访问确定的目标资源。 在办公网络中，不仅要实现各类员工的权限接入认证、网络安全控制，又要考虑各个用户组之间的逻辑隔离和互访策略等，需要做较为复杂的逻辑隔离和策略定义，因此需要引入SDN（Software-DefinedNetworking，软件定义网络）方案来实现网络的智能管控，实现各用户组和隔离策略的自动化、准确的配置下发，同时实现网络运维的可视化和智能化。 挑战四：工厂间业务数据互联要求高，网络必须随需互联、差异化保障 半导体工厂选址分散，随着企业的数字化转型，大量数据需要在工厂之间频繁流动，例如厂区之间的共享桌面会议、音视频会议、文件远程传输、远程运维、互联网收口后的上网、应用访问等，这对工厂之间的广域互联要求越来越高。但是当前半导体企业在广域互联层面，往往是多业务混跑，没有做区分，无法