線程耗時對程序時序的影響分析

高榮榮，張 葉，鄭佳晶，付純鶴

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

隨著芯片集成度和工藝復雜性的提高，對于半導體代工廠（FAB）來說，生產設備的性能直接影響到成本和利潤，因此生產設備性能提升一直是半導體代工廠最為關注的問題之一[1]。對于生產線上的設備而言，不僅要滿足復雜工藝的適應性問題，還需不斷提高設備的生產效率和穩定性。這些因素對設備軟件的流程控制提出了更高的挑戰和要求。

1 軟件方案設計

1.1 軟件介紹

半導體設備軟件的功能是指揮設備各個硬件協同工作，使其按照工藝要求穩定運行。以半導體設備為例，為降低各模塊之間的耦合度，將軟件分為流程調度層和設備分控層。流程調度層主要負責業務流程的調度，即指揮各個分控層在正確的時間內執行正確的動作；設備分控層主要是控制硬件執行相應的動作。

流程控制時，常用多線程并行方式，充分利用計算機系統資源，從而加快系統工作效率[2]。

1.2 流程調度層軟件設計

半導體工藝過程中，將使用同一工藝參數的晶圓處理定義為一批。將批處理晶圓的數量定義為批大小。流程調度分為批調度和批隊列調度。批隊列調度是以批為單位，調度批的啟動和結束；批調度是以晶圓為單位，調度各個環節的晶圓處理。晶圓處理過程包括加載晶圓、工藝處理、卸載晶圓/交換晶圓。晶圓的加載、交換、卸載動作異步執行，在設備分控層實現，通過事件觸發的方式與批流程進行交互，批處理流程如圖1所示。

圖1 批處理流程圖

批隊列的啟停由界面觸發，與隊列中批的個數無關，即隊列為空時，仍可啟動批隊列。批隊列啟動后，若隊列不為空，則隊列中的首批被啟動，批隊列調度流程如圖2所示。

圖2 批啟動流程圖

2 異常現象及分析

2.1 異常場景

定義多個大小為2的批，并啟動批隊列，正常情況下，批隊列中的批按順序執行，第一批的第一片晶圓被加載到工位，第二片晶圓及其它批的晶圓被交換到工位，每個晶圓在工位均需做工藝處理。出現的偶發異常現象為，第一批的第一片晶圓正常執行，第二片晶圓只被傳輸，未被工藝處理。查看異常日志，發現異常批的加載晶圓動作執行了2次，交換晶圓動作執行了1次，卸載晶圓執行了1次。

2.2 異常分析

在批生產過程中，晶圓傳輸的動作執行結果通過事件WaferStateEvenet與批流程進行交互，事件WaferStateEvenet為自動觸發機制（AutoResetEvent）。事件的信號只允許單一狀態改變，獨占訪問，即使多線程設置為并行，每次也只能觸發1次待處理（WaitOne）信號。

異常流程中，批啟動的線程被啟動了2次，即一個批對象被線程1和線程2同時控制。根據日志分析，發現批的首片晶圓加載動作執行了2次，則說明事件待處理信號（WaitOne）被執行了2次，首片晶圓加載晶圓操作執行完成后，事件被設置（Set），由于資源搶占的原因，只有線程1的待處理信號（WaitOne）被觸發，線程2的待處理信號（WaitOne）繼續等待。

晶圓進入工藝處理階段，處理完成后，進入交換晶圓操作，線程1的待處理信號（WaitOne）被執行。交換晶圓執行完成后，首片晶圓被卸載，第二片晶圓被加載，事件被設置（Set），被線程2的待處理信號（WaitOne）搶占資源，線程2執行首片晶圓加載完成后的邏輯，由于此時首片晶圓的狀態為已處理，則線程2執行卸載晶圓操作，線程2的事件待處理信號（WaitOne）被執行。

卸載晶圓操作將批處理的第二片晶圓從工件臺上卸載，執行完成后，事件被設置（Set），被線程1的待處理信號（WaitOne）搶占到資源，進入交換晶圓結束的后續邏輯，線程1根據第二片（批的最后一片）晶圓狀態判斷該晶圓工藝結束且被卸載，進入批結束狀態（Complete），線程1結束，批對象被釋放。

通過以上分析，發現該批只有首片晶圓被處理，第二片晶圓被加載，但是未被工藝處理，批處理屬于異常結束。

2.3 因果驗證

啟動批處理線程的代碼如下所示：因是線程啟動，標志位IsCurrentLotStart被置為true后，被外部置為false，循環檢測時，發現批滿足啟動條件而未啟動，再次啟動批處理線程。

批處理線程由批隊列管理，批隊列的線程啟動代碼如下：

批隊列線程啟動成功分兩步，第一步是開辟ScanJobTask運行空間，第二步是啟動線程，兩步執行完成后，ScanJobTask開始工作，即開始循環檢測批狀態，并啟動批。C#代碼的Thread.Start內部執行完線程啟動功能后，還需置線程狀態，需要消耗時間。若置線程狀態的時間大于ScanJobTask開辟運行空間的時間，則ScanJobTask啟動批在先，隊列置concurrentQueue[0]狀態在后。即批處理線程啟動后，標志位狀態IsCurrentLotStart被隊列置為false，下一次循環時，根據標志位狀態判斷該批未啟動，對批處理進行了第二次啟動。

由于代碼執行過程中的運行時間跟當前PC機的內存占用率有關，在特定的時間內，會出現線程啟動時，線程啟動時間開銷大于ScanJobTask開始循環的時間，所以批異常為偶發現象。

2.4 解除異常

從批線程標志位著手，解決批線程重復啟動的根本原因。調整批隊列線程啟動順序，先置狀態，后創建線程，可避免因時間差原因而導致批異常，代碼如下所示：

3 結束語

半導體設備軟件中，經常將復雜的流程進行解耦，用不同的線程執行不同的控制流程。這種多線程并行的方式，減少了CPU周期的浪費，提高了應用程序的執行效率，從軟件層面提高了設備的性能和產率。但是在使用多線程時，要考慮線程開銷問題，將線程狀態標志位前置，避免時間差問題引起時序錯亂，而導致程序運行異常。