线程耗时对程序时序的影响分析

高荣荣，张 叶，郑佳晶，付纯鹤

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

随着芯片集成度和工艺复杂性的提高，对于半导体代工厂（FAB）来说，生产设备的性能直接影响到成本和利润，因此生产设备性能提升一直是半导体代工厂最为关注的问题之一[1]。对于生产线上的设备而言，不仅要满足复杂工艺的适应性问题，还需不断提高设备的生产效率和稳定性。这些因素对设备软件的流程控制提出了更高的挑战和要求。

1 软件方案设计

1.1 软件介绍

半导体设备软件的功能是指挥设备各个硬件协同工作，使其按照工艺要求稳定运行。以半导体设备为例，为降低各模块之间的耦合度，将软件分为流程调度层和设备分控层。流程调度层主要负责业务流程的调度，即指挥各个分控层在正确的时间内执行正确的动作；设备分控层主要是控制硬件执行相应的动作。

流程控制时，常用多线程并行方式，充分利用计算机系统资源，从而加快系统工作效率[2]。

1.2 流程调度层软件设计

半导体工艺过程中，将使用同一工艺参数的晶圆处理定义为一批。将批处理晶圆的数量定义为批大小。流程调度分为批调度和批队列调度。批队列调度是以批为单位，调度批的启动和结束；批调度是以晶圆为单位，调度各个环节的晶圆处理。晶圆处理过程包括加载晶圆、工艺处理、卸载晶圆/交换晶圆。晶圆的加载、交换、卸载动作异步执行，在设备分控层实现，通过事件触发的方式与批流程进行交互，批处理流程如图1所示。

图1 批处理流程图

批队列的启停由界面触发，与队列中批的个数无关，即队列为空时，仍可启动批队列。批队列启动后，若队列不为空，则队列中的首批被启动，批队列调度流程如图2所示。

图2 批启动流程图

2 异常现象及分析

2.1 异常场景

定义多个大小为2的批，并启动批队列，正常情况下，批队列中的批按顺序执行，第一批的第一片晶圆被加载到工位，第二片晶圆及其它批的晶圆被交换到工位，每个晶圆在工位均需做工艺处理。出现的偶发异常现象为，第一批的第一片晶圆正常执行，第二片晶圆只被传输，未被工艺处理。查看异常日志，发现异常批的加载晶圆动作执行了2次，交换晶圆动作执行了1次，卸载晶圆执行了1次。

2.2 异常分析

在批生产过程中，晶圆传输的动作执行结果通过事件WaferStateEvenet与批流程进行交互，事件WaferStateEvenet为自动触发机制（AutoResetEvent）。事件的信号只允许单一状态改变，独占访问，即使多线程设置为并行，每次也只能触发1次待处理（WaitOne）信号。

异常流程中，批启动的线程被启动了2次，即一个批对象被线程1和线程2同时控制。根据日志分析，发现批的首片晶圆加载动作执行了2次，则说明事件待处理信号（WaitOne）被执行了2次，首片晶圆加载晶圆操作执行完成后，事件被设置（Set），由于资源抢占的原因，只有线程1的待处理信号（WaitOne）被触发，线程2的待处理信号（WaitOne）继续等待。

晶圆进入工艺处理阶段，处理完成后，进入交换晶圆操作，线程1的待处理信号（WaitOne）被执行。交换晶圆执行完成后，首片晶圆被卸载，第二片晶圆被加载，事件被设置（Set），被线程2的待处理信号（WaitOne）抢占资源，线程2执行首片晶圆加载完成后的逻辑，由于此时首片晶圆的状态为已处理，则线程2执行卸载晶圆操作，线程2的事件待处理信号（WaitOne）被执行。

卸载晶圆操作将批处理的第二片晶圆从工件台上卸载，执行完成后，事件被设置（Set），被线程1的待处理信号（WaitOne）抢占到资源，进入交换晶圆结束的后续逻辑，线程1根据第二片（批的最后一片）晶圆状态判断该晶圆工艺结束且被卸载，进入批结束状态（Complete），线程1结束，批对象被释放。

通过以上分析，发现该批只有首片晶圆被处理，第二片晶圆被加载，但是未被工艺处理，批处理属于异常结束。

2.3 因果验证

启动批处理线程的代码如下所示：因是线程启动，标志位IsCurrentLotStart被置为true后，被外部置为false，循环检测时，发现批满足启动条件而未启动，再次启动批处理线程。

批处理线程由批队列管理，批队列的线程启动代码如下：

批队列线程启动成功分两步，第一步是开辟ScanJobTask运行空间，第二步是启动线程，两步执行完成后，ScanJobTask开始工作，即开始循环检测批状态，并启动批。C#代码的Thread.Start内部执行完线程启动功能后，还需置线程状态，需要消耗时间。若置线程状态的时间大于ScanJobTask开辟运行空间的时间，则ScanJobTask启动批在先，队列置concurrentQueue[0]状态在后。即批处理线程启动后，标志位状态IsCurrentLotStart被队列置为false，下一次循环时，根据标志位状态判断该批未启动，对批处理进行了第二次启动。

由于代码执行过程中的运行时间跟当前PC机的内存占用率有关，在特定的时间内，会出现线程启动时，线程启动时间开销大于ScanJobTask开始循环的时间，所以批异常为偶发现象。

2.4 解除异常

从批线程标志位着手，解决批线程重复启动的根本原因。调整批队列线程启动顺序，先置状态，后创建线程，可避免因时间差原因而导致批异常，代码如下所示：

3 结束语

半导体设备软件中，经常将复杂的流程进行解耦，用不同的线程执行不同的控制流程。这种多线程并行的方式，减少了CPU周期的浪费，提高了应用程序的执行效率，从软件层面提高了设备的性能和产率。但是在使用多线程时，要考虑线程开销问题，将线程状态标志位前置，避免时间差问题引起时序错乱，而导致程序运行异常。