半導(dǎo)體工廠設(shè)計建設(shè)的一些應(yīng)對解決方案

核心觀點：

       一個新的半導(dǎo)體工廠的建設(shè)意味著資本、資源和時間成本的巨大投入，建設(shè)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(jīng)驗和數(shù)據(jù)積累，數(shù)字化的管理工具，對半導(dǎo)體工廠開發(fā)建設(shè)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(shè)管理與執(zhí)行，從而高效實現(xiàn)從最初的項目商業(yè)計劃到最后的生產(chǎn)上量，最終保證項目成功以及投資回報的最大化。

一、半導(dǎo)體廠房建設(shè)“特點”

風(fēng)口上的半導(dǎo)體廠房建設(shè)

       國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(SEMI)估計，2022年廠房建設(shè)投資可望攀高至270億美元，各制造廠紛紛上馬新項目擴產(chǎn)。

半導(dǎo)體工廠建設(shè)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(shè)本身界面多，變量多。常見的半導(dǎo)體工廠工程建設(shè)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(lǐng)域涉及如可研規(guī)劃、土地選址、勘察設(shè)計、施工總包與分包，成本造價，招標采購，工藝制程及工藝設(shè)備，數(shù)字化服務(wù)，合規(guī)風(fēng)控，環(huán)保節(jié)能、測試認證、公共關(guān)系組織協(xié)調(diào)等十幾個領(lǐng)域的專業(yè)知識、經(jīng)驗與資源的積累，很多工作屬于交叉、并行作業(yè)。

       如果建設(shè)方?jīng)]有全過程建設(shè)管理知識、經(jīng)驗和資源積累，僅憑工廠設(shè)施偏運維側(cè)的經(jīng)驗進行建設(shè)管理，將會大大增加工廠建設(shè)的試錯風(fēng)險。

特點2

       項目建設(shè)定制需求多、非標準化。由于項目建設(shè)單位自身產(chǎn)品特性、工藝動力要求、建設(shè)案例積累、產(chǎn)線運營規(guī)劃、包括團隊個人經(jīng)驗和資源的差異，對工廠的生產(chǎn)潔凈環(huán)境建設(shè)要求和工藝輔助系統(tǒng)的建設(shè)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(jù)自己傳統(tǒng)建設(shè)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(wù)、產(chǎn)品和生產(chǎn)模式的差異導(dǎo)致的工廠建設(shè)模式上的巨大差異。

       另一方面，半導(dǎo)體工廠所涉及的特殊廠務(wù)系統(tǒng)方面，如純廢水、氣、化、動力、空管，工藝排風(fēng)，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(shè)計階段進行深化設(shè)計，更無法做到標準化，導(dǎo)致很多項目不得不做成了業(yè)主一邊發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)需求，設(shè)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(shè)管理能力短板明顯。從半導(dǎo)體行業(yè)整體建設(shè)管理角度看，作為具有行業(yè)話語權(quán)和產(chǎn)業(yè)牽引力的工廠業(yè)主側(cè)，具有多類型半導(dǎo)體項目從0到1的全過程建設(shè)實施的知識、經(jīng)驗、數(shù)據(jù)和資源積累的管理和技術(shù)人才，組織架構(gòu)健全的專業(yè)建設(shè)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(dǎo)體工廠作為重資產(chǎn)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(shè)實施規(guī)劃相對短期，在工廠建設(shè)完成后，其業(yè)務(wù)骨干或轉(zhuǎn)入工廠廠務(wù)運營，或匆匆跳槽補位其他新項目。這種模式不利于建設(shè)管理知識、經(jīng)驗和數(shù)據(jù)的向業(yè)主側(cè)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(chǎn)能分期、Tool layout、潔凈室規(guī)模和技術(shù)規(guī)格，主要建筑形態(tài)，結(jié)構(gòu)含量指標、動力設(shè)施配置模型、能耗系數(shù)、標桿成本造價數(shù)據(jù)指標、環(huán)保排放等常見的內(nèi)容，還沒有行業(yè)通用可查的工程數(shù)據(jù)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(cè)負責(zé)建設(shè)的廠務(wù)人員更是不具備這種知識和數(shù)據(jù)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(fù)重演，即使是由同一家設(shè)計院、同一家施工單位所支撐的項目。

特點4

       開發(fā)建設(shè)管理工具相對落后。眾所周知，如今數(shù)字化和信息化的管理工具比較普遍的應(yīng)用于各行各業(yè)。半導(dǎo)體行業(yè)雖然已經(jīng)應(yīng)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(shè)計單位、施工單位也都有專業(yè)的數(shù)字化管理工具和系統(tǒng)，但在半導(dǎo)體工廠的開發(fā)建設(shè)管理的業(yè)主側(cè)，我們幾乎很少看到有意愿或者有意識采用數(shù)字化項目建設(shè)管理手段對數(shù)億數(shù)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(xiàn)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(dǎo)體技術(shù)讓固定資產(chǎn)投資存在不確定性風(fēng)險。由于技術(shù)的快速迭代，芯片產(chǎn)品的生命周期較短，工廠建設(shè)周期長，保守的設(shè)計存在過時的風(fēng)險。特征尺寸到達2nm，極紫外光刻設(shè)備，光掩膜層數(shù)提升，原輔材料變化，產(chǎn)品組合策略等都對AMC控制，機臺空間，結(jié)構(gòu)載荷，微震，能耗等都有新的要求。如何適應(yīng)未來技術(shù)發(fā)展要求，都對傳統(tǒng)的工廠設(shè)計建設(shè)模式提出新的要求，增加了工廠建設(shè)難度。

二、半導(dǎo)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(dǎo)體工廠建設(shè)會給業(yè)主帶來極大的投資回報。同樣，高效，優(yōu)質(zhì)的工程建設(shè)并不意味著要犧牲時間和資金成本。針對半導(dǎo)體工程建設(shè)中的特性和難點，我們認為有很多業(yè)主側(cè)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(shè)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(dǎo)體工程進行模塊化、數(shù)字化，將工程中的全過程、各階段、各類技術(shù)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(fù)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(xiàn)問題，這種模型化和數(shù)字化將能夠使重資產(chǎn)的工廠更加適應(yīng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)先進制程、技術(shù)升級的迭代，也兼顧了業(yè)主產(chǎn)能爬坡，工廠生產(chǎn)和運營成本的投資平衡。

設(shè)計的模型化

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

       雖然設(shè)計的模型化工作是非常困難的，但我們也發(fā)現(xiàn)，無論何種建設(shè)邏輯，無論何種建設(shè)背景，無論何種產(chǎn)品工藝規(guī)劃的差異，半導(dǎo)體工廠的設(shè)計、模型、量化指標總是有路徑可以實現(xiàn)的，BIM技術(shù)就是設(shè)計模型化和數(shù)字化的一個成果應(yīng)用。在保障生產(chǎn)可靠性的前提之下，通過模型對設(shè)計進行早期階段的優(yōu)化是值得的，將會給項目的建設(shè)投資，生產(chǎn)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(shè)計任務(wù)書，對設(shè)計不同階段的技術(shù)和經(jīng)濟性指標的管控內(nèi)容做到清晰、可計量、可追溯，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計偏差和設(shè)計冗余。混凝土含量指標、鋼筋含量指標、窗地比就是很好的評估廠房土建工作的設(shè)計經(jīng)濟性的參考指標。在早期階段進行干預(yù)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(wù)系統(tǒng)的設(shè)計除了模型優(yōu)化以外，可以通過管理流程和資源早期協(xié)同進行設(shè)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(jīng)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(shè)計方案選型、圖紙經(jīng)濟性模型，工藝設(shè)備和廠務(wù)設(shè)施動能管理，動力配置方案模擬，主設(shè)備主材技術(shù)規(guī)格模型和對標價格，采購流程和供應(yīng)商直供資源庫，清單編制方案，合約內(nèi)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(shè)進度規(guī)劃模型中，一般的投資建設(shè)業(yè)主單位往往只有一個概念框架里程碑要求，而設(shè)計院等單位和執(zhí)行團隊往往只能根據(jù)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(shè)前期階段的、也是最為關(guān)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(jīng)驗對工程進度進行推演，而忽略了項目執(zhí)行落地背后復(fù)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(jié)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是一個分工高度精細化、協(xié)同化和國際化的產(chǎn)業(yè)，半導(dǎo)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(shè)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(shè)模式，以開放的態(tài)度引入新要素，新技術(shù)，新伙伴，多維度整合人才、信息，數(shù)據(jù)和資源，分工明確，高效協(xié)同，進而為項目建設(shè)的成功提質(zhì)、降耗，控險。