半导体工厂设计建设的一些应对解决方案

核心观点：

       一个新的半导体工厂的建设意味着资本、资源和时间成本的巨大投入，建设投资主体需要通过全过程的系统性视角、多维度的工程实践经验和数据积累，数字化的管理工具，对半导体工厂开发建设中的各类变量和因子进行模型化，并尽可能在极早期进行整体规划，在落地过程中进行精益化的建设管理与执行，从而高效实现从最初的项目商业计划到最后的生产上量，最终保证项目成功以及投资回报的最大化。

一、半导体厂房建设“特点”

风口上的半导体厂房建设

       国际半导体产业协会(SEMI)估计，2022年厂房建设投资可望攀高至270亿美元，各制造厂纷纷上马新项目扩产。

半导体工厂建设与管理一般都有以下几个方面的特点：

特点1

       工程开发建设本身界面多，变量多。常见的半导体工厂工程建设项目在具体实施中将有十几个甚至更多的各类参建单位，专业工作领域涉及如可研规划、土地选址、勘察设计、施工总包与分包，成本造价，招标采购，工艺制程及工艺设备，数字化服务，合规风控，环保节能、测试认证、公共关系组织协调等十几个领域的专业知识、经验与资源的积累，很多工作属于交叉、并行作业。

       如果建设方没有全过程建设管理知识、经验和资源积累，仅凭工厂设施偏运维侧的经验进行建设管理，将会大大增加工厂建设的试错风险。

特点2

       项目建设定制需求多、非标准化。由于项目建设单位自身产品特性、工艺动力要求、建设案例积累、产线运营规划、包括团队个人经验和资源的差异，对工厂的生产洁净环境建设要求和工艺辅助系统的建设思路方面更是有较大不确定性，我们看到韩资背景，台资背景，欧美背景企业或建厂团队都有根据自己传统建设管理的特性要求；我们也看到存储器芯片工厂、Foundry厂以及纯IDM企业的晶圆制造工厂之间由于业务、产品和生产模式的差异导致的工厂建设模式上的巨大差异。

       另一方面，半导体工厂所涉及的特殊厂务系统方面，如纯废水、气、化、动力、空管，工艺排风，研磨液系统、自控FMCS系统等甚至强电电器系统都很难在设计阶段进行深化设计，更无法做到标准化，导致很多项目不得不做成了业主一边发现业务需求，设计院一边改图纸，施工单位一边施工的“三边工程”。

特点3

       开发建设管理能力短板明显。从半导体行业整体建设管理角度看，作为具有行业话语权和产业牵引力的工厂业主侧，具有多类型半导体项目从0到1的全过程建设实施的知识、经验、数据和资源积累的管理和技术人才，组织架构健全的专业建设团队以及行业专属标准知识信息库等是比较稀缺的。

       半导体工厂作为重资产投资，一般企业往往不具备多次投资建厂的能力，单体项目的建设实施规划相对短期，在工厂建设完成后，其业务骨干或转入工厂厂务运营，或匆匆跳槽补位其他新项目。这种模式不利于建设管理知识、经验和数据的向业主侧或者向上的积累，更无法对项目的精细化管理和运营做到增量增值。

       例如对产能分期、Tool layout、洁净室规模和技术规格，主要建筑形态，结构含量指标、动力设施配置模型、能耗系数、标杆成本造价数据指标、环保排放等常见的内容，还没有行业通用可查的工程数据基准，往往存在口口相传的情况，即使是专家之间亦仁者见仁，智者见智，说法各异，对于一般业主侧负责建设的厂务人员更是不具备这种知识和数据库。

这就是为什么我们往往看到同样的简单问题在不同的项目上反复重演，即使是由同一家设计院、同一家施工单位所支撑的项目。

特点4

       开发建设管理工具相对落后。众所周知，如今数字化和信息化的管理工具比较普遍的应用于各行各业。半导体行业虽然已经应用了包括在工厂洁净车间CFD气流模拟软件，自动化搬运系统，制造执行系统，自控系统，甚至搬运操作机器人，工程设计单位、施工单位也都有专业的数字化管理工具和系统，但在半导体工厂的开发建设管理的业主侧，我们几乎很少看到有意愿或者有意识采用数字化项目建设管理手段对数亿数十亿的如此重大基建工程进行管理效能提升。更多的情况是，业主还依赖于人的现场会议、口头的沟通、手工统计表格，审批文件线下签字存档等形式进行。

特点5

       快速发展的半导体技术让固定资产投资存在不确定性风险。由于技术的快速迭代，芯片产品的生命周期较短，工厂建设周期长，保守的设计存在过时的风险。特征尺寸到达2nm，极紫外光刻设备，光掩膜层数提升，原辅材料变化，产品组合策略等都对AMC控制，机台空间，结构载荷，微震，能耗等都有新的要求。如何适应未来技术发展要求，都对传统的工厂设计建设模式提出新的要求，增加了工厂建设难度。

二、半导体工厂的模型化及早期规划

       重中之重：早期模型化规划和任何类型的基建工程项目投资一样，成功的半导体工厂建设会给业主带来极大的投资回报。同样，高效，优质的工程建设并不意味着要牺牲时间和资金成本。针对半导体工程建设中的特性和难点，我们认为有很多业主侧通用的方法和解决方案来进行优化和解决，其中比较容易实施的一项就是用系统化的视角，将变量模型化，帮助项目在极早期阶段进行整体建设实施规划。

       早期规划的目标不仅是喊口号，空讲管理目标和概念。以清晰，可计量，可追溯的原则将原本非标准化、定制化程度极高的半导体工程进行模块化、数字化，将工程中的全过程、各阶段、各类技术与管理难点通过统一的FAB量化指标模型进行参照和衡量，整合各类资源的有效助力，规避各类变量的不利影响，把口口相传的“复杂问题”模型化、量化，避免了“拍脑袋”定工作，避免了在最后阶段才发现问题，这种模型化和数字化将能够使重资产的工厂更加适应半导体产业先进制程、技术升级的迭代，也兼顾了业主产能爬坡，工厂生产和运营成本的投资平衡。

设计的模型化

       毋庸置疑，工厂设计的模型化是最重要的。在项目早期阶段，业主建设单位应该得到一定的参考设计模型和数据的支撑进行重大决策和设计提资的完善。同时，由于半导体技术的快速迭代升级和长周期的建设生产上量之间的矛盾，工厂建设不得不需要考虑更柔性的设计策略。毫无疑问，柔性的设计模型可以更好使工厂更加适应若干年后半导体产业先进制程工艺、产业升级的迭代。

       虽然设计的模型化工作是非常困难的，但我们也发现，无论何种建设逻辑，无论何种建设背景，无论何种产品工艺规划的差异，半导体工厂的设计、模型、量化指标总是有路径可以实现的，BIM技术就是设计模型化和数字化的一个成果应用。在保障生产可靠性的前提之下，通过模型对设计进行早期阶段的优化是值得的，将会给项目的建设投资，生产运营成本带来直接效益。

       通过模型，业主将更有能力为项目制定量化的设计任务书，对设计不同阶段的技术和经济性指标的管控内容做到清晰、可计量、可追溯，及时发现设计偏差和设计冗余。混凝土含量指标、钢筋含量指标、窗地比就是很好的评估厂房土建工作的设计经济性的参考指标。在早期阶段进行干预远远胜过项目执行中的各类惊喜。同时，对于部分特殊厂务系统的设计除了模型优化以外，可以通过管理流程和资源早期协同进行设计优化提升。

成本管理模型

       在成本管理模型中，我们覆盖了若干分子模型，包括从早期项目选址开始可能涉及的选址要素模型和清单，包括经常被忽略的地方行政事业性收费和政府规划条件变量要素指标，覆盖了设计方案选型、图纸经济性模型，工艺设备和厂务设施动能管理，动力配置方案模拟，主设备主材技术规格模型和对标价格，采购流程和供应商直供资源库，清单编制方案，合约内容策划与动态成本管理模型。

进度规划模型核心：

掌握对时空变量的专业解决方案

       在项目建设进度规划模型中，一般的投资建设业主单位往往只有一个概念框架里程碑要求，而设计院等单位和执行团队往往只能根据业主提供的机台搬入时点倒排从项目摘地到施工竣工的进度计划，两者之间忽略了建设前期阶段的、也是最为关键的业主单位自身的项目规划、筹备，决策的进度计划。

       而且在此类计划中往往只能依赖个体经验对工程进度进行推演，而忽略了项目执行落地背后复杂的人、机、料、法、环的时空变量，而这些变量的专业化解决方案是久已存在于工程业界，均有标准的规范定义和成功工程实践案例的，是都可以借鉴的。对这些变量所形成的专业化解决方案对于团队成员来自五湖四海的融合型业主团队更为重要。

结语

       最后，合景净化工程公司认为，再优秀、再强大的企业都有自己力不能及之处，况乎一些新生的企业和项目。半导体产业是一个分工高度精细化、协同化和国际化的产业，半导体企业要做大做强，尤其制造型企业从工厂的开发建设第一步就要以高标准、严要求来规范自己、提高自己的专业程度，在项目早期规划出高效的开发建设模式，以开放的态度引入新要素，新技术，新伙伴，多维度整合人才、信息，数据和资源，分工明确，高效协同，进而为项目建设的成功提质、降耗，控险。