Layout 與 Hookup 知識手冊
從「機台怎麼擺」到「管線怎麼接」——整理晶圓廠設計中 Layout 規劃與 Hookup 配管的核心概念、規則架構與 MetAI 的 AI 解法。
Layout = 機台擺哪裡
在有限廠房空間內排出最多機台,同時滿足上百條設計規範。人工設計要 6-12 個月,AI Layout Engine 用強化學習可縮短到 72 小時。
Hookup = 管線怎麼接
把機台的每個接點(POU)依規則連到對應的供應端(TOP),中間要避開障礙、遵守彎頭數與坡度等硬限制,並在多個可行解中挑出最優路徑。
兩者共用同一套邏輯
都是「規則數位化 → 驗證圖面 → 生成方案 → 輸出圖檔」的流程,差別只在 Layout 解的是機台位置,Hookup 解的是連線路徑。
為什麼需要 Layout 規劃
建廠的核心目標是擴充產能,Layout 決定了空間利用率的上限
對 TSMC 而言,建廠的核心目標是擴充產能,而實現產能最大化的關鍵之一,在於有效規劃機台配置,也就是 Layout。在有限空間中,工程團隊致力於擺放最多的生產機台;由於半導體機台結構多樣(單層、雙層、三層式皆有),如何最佳化空間利用率、同時滿足產能需求,是設計 Layout 時最重要的課題。
困難與挑戰
半導體製程高度精密,為確保良率與產能,廠內設有上百條 Layout 設計規範,涵蓋機台相容性、冷卻水/化學品等廠務供應需求、安全法規遵循,以及跨樓層機台配置與附屬設備設計。一座新廠的 Layout 規劃通常需要 6–12 個月,仰賴工程人員人工設計,並須跨部門密切協調、反覆驗證與審查,流程複雜且耗時。
Macro Layout:廠房怎麼分區
Macro Layout 定義的是 Cleanroom 內各製程區的相對位置。常見的區域配置:
LIT / 微影區
對溫濕度、震動、潔淨度最敏感,EUV 機台通常自成一區,有專屬建築要求。
ETCH / CMP / PVD / CVD
主製程區,機台以 bay-and-chase 方式成排配置,中間穿插走道。
HPM 區
通常比較「髒」、且多為單層式機台,位於製程區的一側。
Metrology 量測機台
不獨立佔一個 Macro,而是散落分布進各製程區內。
Cleanroom 樓下還有 Subfab 與 Dirty Fab,機台的附屬設備(如 Chiller、VMB、DP 盤)往往落在這些樓層,因此 Layout 規劃必須跨樓層評估空間可行性。
AI Layout Engine 怎麼擺機台
用強化學習學出 TSMC 的擺放邏輯,讓機台自己「長」出最佳配置
AI Layout Engine 可將人工設計的 6–12 個月縮短至 72 小時,並允許使用者調整走道寬度等 config,測試不同的最佳化策略。只要建廠時間能縮短一個月,對 TSMC 就是多一個月的產能。
整體流程
設計邏輯:Rule 定義「不可以」,AI 決定「怎麼做最好」
強化學習中,Rule 是界定「不可以」做的事,而不是「可以」做的事。以好鄰居壞鄰居表為例,機台由大到小依序擺放,AI 在可擺放區域內自由尋找最佳位置,而下列規則作為硬性遮罩(mask):
| 規則 | 類型 | 說明 |
|---|---|---|
| 兩條 Intra-bay 最相近機台 LP 中心 > 290cm | AI 生成/越近越好 | 屬於獎勵導向的最佳化目標 |
| 不可左右相鄰 | Rule-based | 硬性禁止 |
| 不可前後相鄰 | Rule-based | 硬性禁止 |
| 不可同 bay | Rule-based | 硬性禁止 |
| 不可同區域 | Rule-based | 硬性禁止 |
| 需距離 XX cm 以上 | Rule-based | 硬性禁止 |
Reward 機制:機台擺越多分數越高、剩餘空間越多分數越高——AI 在不違反硬規則的前提下,持續朝這兩個方向最佳化。
Training(訓練)與 Inference(推論)
每次輸入後會執行一連串策略最佳化:訓練階段模型會隨機探索各種擺法的可能性,直到收斂出一個最佳擺放策略(Best Policy);推論階段模型不再探索,只選擇當下機率最高的動作,重複執行直到產生完整佈局。每次訓練結束會做一次評估(Evaluation),作為判斷策略好壞的依據。
目前面臨的挑戰
- 規則是人類口語撰寫,轉譯為程式碼時存在模糊空間與極端案例,需理解設計精神才能正確實作。
- 不同樓層(Fab Layout / Subfab Layout)、不同製程區域有各自的特例限制,泛化性有限。
- 人為設計 Layout 時不會 100% 遵守規則,追求產能最大化時常有妥協,理想規則與實際設計存在落差。
- 機台可跨樓層擺放,使模型的限制式學習環境不固定,是尋求最佳解的一大挑戰。
Hookup 到底在解什麼
Problem Ontology:三個維度拆解「怎麼把兩個接點接起來」這件事
Hookup 求解的順序是:先透過接口分群把接點需求組成一條條「實體對實體連線」,再把每條連線經節點與 N:M 拆解變成多組一對一的選點問題,最後在解題範圍與有狀態路徑策略下產生實際走線。
3.1 維度一:基本題型
拓樸在這裡有兩層意思:一是整體連線的形狀(一對一、一對多);二是選點上的自由度(N 個候選起點對 M 個候選終點)。
Node:拆解過程中「必須經過」的中介點
Node 不是預先存在的實體類別,而是在拆解一對一連線時,因為需要選點、分匯流或必經通過而產生的位置。常見三種型態:
- 多接點單一物件:如集管(Header)、環狀管(O-ring),本身有多個可選接點位置。
- 單接點單一物件:如門型架這類必經之路。
- 群組物件:如一組 4 個 RC 孔,就形成 4 個可選點位置的 Node。
Node-A: RC 孔 → 1:1(必經門型架)
Node-B: 門型架 → 1:4 / 1:3 / 1:2 / 1:1
Entity: 4 個 Pump POU
接口分群:連線從哪裡來
在確認實體對實體連線之前,要先決定哪些接點屬於同一條連線,分幾群就有幾條連線,需考量三件事:
- 相容性——群內接口兩兩相容才能同管
- 容量——群內流量總和不得超過共用管容量
- 目標——群數越少、管線越省
3.2 維度二:解題範圍(耦合關係)
多條線段之間常存在耦合,導致不能各自獨立求解:
資源競爭
多條線段搶同一個有限容量資源,如 RC 孔(一孔限量)或 Tray 截面,必須一起分配,若產生無解需退回重新搜尋。
聚合與配對
多條線之間有同行(共走一條走廊)、相鄰、幾何一致(轉折高程相近)、隔離等偏好或義務,第一條線會改變下一條的空間偏好。
跨系統耦合
不同廠務系統之間,設計上有固定的求解先後順序(邏輯來自空間需求度由大到小):
WET/CMP 區:排液 > 化學品 > 排氣 > 電力 > 冷卻水=超純水 > 其餘氣體
此外,多系統共用同一空間時也有上下分層偏好,例如電纜架(Tray)上方不可有並行水路——這種上下關係只有相對於別的系統才成立,後解系統的空間偏好取決於先解系統實際走在哪裡。
3.3 維度三:有狀態路徑策略
實際走線時,動態規則(元件本身的規則)、環境規則(空間本身的規則)與目標需求三者共同決定每一步的路徑選擇。
(1) 動態規則:元件生成
元件擺放本身帶有規則,也會影響走線:
| 元件 | 規則 |
|---|---|
| 彎管(Elbow) | 純幾何轉折,但受整段彎頭數上限或角度累積額度限制 |
| 洩氣閥(Vent Valve) | 排序規則,通常位於線段最高處 |
| 流量計(Flow Meter) | 直管段規則,需保持上游 10 倍管徑、下游 5 倍管徑的直管長度 |
| 縮管(Reducer) | 狀態轉移——通過後管徑縮小,下游淨空需求與壓損計算跟著改變 |
這些規則會在線上留下「之後走線要記得的事」,這就是狀態。規則對狀態有讀有寫:流量計上游 10D 是「讀」(檢查已累積的直管長度),下游 5D 是「寫」(留給後段的欠條)。
| 狀態類型 | 範例 | 影響下一步 |
|---|---|---|
| 物理截面 | 縮管通過後管徑變小 | 後段佔用與淨空需求改變、可穿的孔跟著變 |
| 幾何連續 | 流量計下游尚欠 5D 直管;Drain 沿線只降不升的坡度 | 接下來多長內不能轉彎、還能維持的坡度 |
| 累積額度 | 已用彎頭數對上限、已用管長對長度上限 | 剩餘還能用的額度 |
| 性能餘裕 | 每個彎頭與縮徑各自增加壓損/真空導通損失 | 整段壓損上限內還剩多少可用 |
(2) 環境規則:空間標注
空間本身帶規則,先於走線存在、與元件無關。走線時會把空間離散化(Voxel),每個切塊的可走性由兩層決定:
- 物理層:這格有沒有被柱、牆、既有管線占用——占用即不可走。
- 規則層:對未占用的格子標注偏好等級,決定走線成本:
| 標注 | 意義 |
|---|---|
| Preferred 偏好 | 優先使用 |
| Allowed 可行 | 一般可使用(未標注格子預設為此) |
| Discouraged 低偏好 | 可用但增加成本 |
| Forbidden 禁止 | 空著也不准走 |
(3) 目標需求
硬限制篩完後通常仍有多個可行解,目標負責排序。同一個量常有兩種身分:「最多 3 個彎頭」是硬限制,「彎頭越少越好」是目標;長度、壓損同理。常見目標包含路徑長度、彎頭數、壓損/真空性能、同行一致性、共享資源使用量、施工複雜度、維修可達性、空間成本,優先序與權重依系統與客戶設定。
走線規則怎麼分類
同樣叫「規則」,管的對象完全不同——分類速查表
| 規則約束的對象 | 歸屬 |
|---|---|
| 哪些接口可以進同一條連線,含相容性與容量 | 接口分群 |
| 連線兩端可以選哪些點、必經哪些 Node | 節點與 N:M 拆解 |
| 多條線之間的資源分配或相互關係:孔位、Tray 截面、同行、隔離、間距 | 解題範圍 |
| 元件自身的幾何、順序、前後管段,走線沿途累積的狀態 | 動態規則 |
| 空間格子可不可走、偏好等級 | 環境規則 |
| 多個可行解之間的排序偏好 | 目標需求 |
| 多個廠務系統之間先解哪個、後解哪個 | 求解順序(跨系統耦合) |
實際規則範例
| 規則原文 | 歸屬 | 性質 |
|---|---|---|
| 管路離樑 5cm、離柱面 2.5cm | 環境規則 | 硬限制 |
| 維修空間上方走管列為軟性成本,非禁止 | 環境規則 | 目標 |
| EUV 區 PPL 彎管角度加總不超過 180°,一般區 270° | 動態規則(累積額度) | 硬限制 |
| 橫向管路斜率至少 1/150 | 動態規則(幾何連續) | 硬限制 |
| 合併管容量查流量表,例:一支 1 吋管可收三支 1/2 吋支管 | 接口分群 | 硬限制 |
| 不同氣體可放同一分配盤面,但同一支管必須同一氣體源 | 接口分群 | 硬限制 |
| 兩條 PPL 最外圍間隔至少 5cm(含管夾、保溫) | 解題範圍 | 硬限制 |
| 同一 bay 的共管集管(Header)高程一致 | 解題範圍(形態聚合) | 硬限制 |
| 三層式機台至幫浦前轉彎處應在 L10,雙層式在 L20 | 有狀態路徑策略 | 硬限制 |
| 系統求解順序:PPL>電力>排氣>排液>冷卻水=超純水>化學品>其餘氣體 | 求解順序(跨系統耦合) | 無 |
| 分配盤優先放主機台正面(load port 側),空間不足依序改後方、側邊 | 節點與 N:M 拆解 | 目標 |
實際配管:以幾個系統為例
把前面的抽象概念對回真實系統的配管流程
Power(Sky Tray)
- Step 1:取得 AC Box 位置(Rack 視為 AC Box 延伸);取得需要電力的附屬設備位置並群組統計需求總量;依附屬設備上方間距判斷 tray 高度。
- Step 2:在附屬設備群集地區尋找 tray 可能空間,依附屬設備長寬決定 tray 方向。
- Step 3:將 AC Box 的 bbox 視為起點、tray 群組視為終點進行連接。
DP Panel(Distribution Panel,分配盤)
DP 盤的功能是把中央供應的製程氣體或化學品,在終端分配到不同製程或機台。已知的設計假設:
- DP 盤永遠依循前 > 後 > 左右的方式擺放,以機台 load port 做為前方。
- 每台機台的 DP 盤需求固定(例如一組 1v4 的需求不可拆解成兩組 1v2),可從 3D 圖塊中取得。
Chemical / Drain(化學品排液)
Drain 系統的管線依 Utility Matrix 標註分為 general 與 chemical 兩種:
- Chemical 型:POU 方向預設朝下,只需向下固定長出 n 單位長度的管線,不須複雜避障。
- General 型:每個 POU 依 remark 標籤找到對應的 Submain 作為連接目標;同一類 remark 的 POU 會先收到合併管,再以向下 45° 方式接進 Submain(同一類可能產生多根合併管以收完所有 POU,取決於合併管的流量限制)。
合併管只沿 X / Y 軸方向產生,不會有斜的、垂直的、階梯狀的合併管;高程原則:POU 高度 > 合併管高度 > Submain 高度。
從 3D 模型到 2D 圖面
Layout Engine 產出的 OpenUSD,如何變成工程師能用的 CAD 交付物
Step 1 — 讀取資料
系統讀取 Layout 輸出的 CSV(記錄每台機台的配置資訊)。機台的原點座標計算方式特別:不是取 2D 圖塊左下角,而是抓出機台所有「維修區域」的四角,計算出整體中心點作為原點。3D 圖塊由客戶提供,包含機台本體、維修空間、Load Port、參考樓層、附屬設備等。
Step 2 — 映射與定位
系統將機台中心點放置到 CSV 指定的 XY 座標,並依角度旋轉。過程中常需處理 3D 圖塊瑕疵(如缺件、命名錯誤),系統需具備通用方法自動尋找並補正。
Step 3 — 3D 轉 2D 投影
將視角拉到最高、以俯視圖模擬「打光」效果,把物件投射邊緣描繪出來,達到壓扁成 2D 平面的效果。分層描繪:先主機台邊緣,再附屬機台,最後維修空間——前提是這些結構在原始 3D USD 中已是獨立物件。
Step 4 — 圖面規格化
投影完成後轉為 2D CAD(.DXF),依廠商需求把機台上色為藍色設備面,加上巨大 Main 邊框;依 CAD 規範在特定位置打叉或標框;附屬機台若需獨立標示,會畫上專屬藍色方框確保能被獨立識別。
1. 「純 2D 流程」——先把單一圖塊壓成 2D,再依 CSV 座標直接排列成 2D 佈局,省去先組裝 3D 再壓扁的步驟。
2. 「2D 手排逆向生成 3D」——允許客戶直接在 CAD 手動排列 2D 圖面,系統再反推生成 3D 模型以驗證是否符合規範,技術挑戰在於圖層合併、文字塊與模型連結、以及回推中心點座標。
MetAI 產品架構與開發原則
Auto Hookup 與 Auto Layout 是兩套模組化流程,共用同一種「規則數位化」哲學
Auto Hookup
Auto Layout
PoC 的建議切法
兩者是獨立的 PoC 項目:Hookup 選定單一系統、一組指定機台、一對一拓樸且人工設計最耗時者,先把該系統走線規則數位化並驗證;Layout 則以該機台所在區域為範圍,用 Hookup 視角驗證機台配置圖面。規則數位化是一次性投入,成功後可直接擴展到同類拓樸的其他系統或區域。
開發原則
| 原則 | 意涵 |
|---|---|
| Evidence before abstraction | 每個新抽象必須指出正在解決的已出現問題;「場內有」或「未來可能需要」不構成當下實作理由 |
| Stable boundaries, replaceable implementations | 優先穩定資料 ownership 與模組 contract;solver、storage、加速實作應可替換 |
| Immutable base, explicit derived state | 物理真相與請求特定/規劃特定的狀態要分開 |
| Rules compile to semantics | Rule Engine 的價值是把 domain knowledge 轉成可執行的 routing semantics,而非另建一套平行世界模型 |
| Capability-based growth | 每個階段先形成最小端到端能力並驗證,再擴充下一層 |
| Production readiness = contract + evidence | 成熟度不看文件詳細度或 class 數量,而看清楚的 contract、可預期行為、迴歸測試與現場實證 |
關鍵術語
| 術語 | 定義 |
|---|---|
| Physical World | 不依賴特定管線請求的場景實體佔用與必要 domain semantics |
| Traversability | 針對特定管線 envelope 與空間規則推導出的「可走/不可走」空間 |
| RoutingProblem | 一個 solver-agnostic、可執行的單管尋路問題描述 |
| Planning State | 已 commit 的管線、候選佔用、容量消耗等隨走線迭代改變的狀態 |
| Constraint Compiler | 把系統規格、domain 規則與請求轉成 RoutingProblem semantics 的轉譯層 |
| Orchestration | 管理多個 routing 請求的順序、commit/rollback、重試與全局策略 |
名詞對照表
依類別分組的常用詞彙速查,看到陌生術語時直接搜尋這裡
廠務系統
| 詞彙 | 說明 | 上下游關係 |
|---|---|---|
| UPW(超純水)/PCW(製程冷卻水) | 由中央或區域供應端經幹管分配到設備,供回成對迴路系統 | Source → Main → Sub-main → Tool |
| Bulk Gas(GN2、CDA)/Specialty Gas | 由中央氣源經主管與控制設備送到使用點;特氣有相容性、隔離與氣密要求 | Source → Main/VMB → Tool |
| Vacuum / Pumping(PPL、Foreline) | 以幫浦與壓差抽除氣體,管路幾何直接影響真空導通與有效抽速 | Tool → Pump → Abatement → Exhaust |
| Exhaust 排氣 | 以負壓與風管收集廢氣送往處理,管徑沿匯流逐段放大 | Tool/Abatement → Header → Exhaust 主系統 |
| Drain / Waste 排液 | 收集廢液送往處理,重力型高度依賴坡度與高程 | Tool → Branch → Header → 處理端 |
| Electrical Power 電力 | 從廠區電力系統逐層分配到機台與附屬設備 | Power → AC Box → Tray → Acc |
附屬設備
| 詞彙 | 說明 |
|---|---|
| Chiller | 局部冷卻設備,建立局部冷卻迴路帶走 Tool 產生的熱量,與廠區級 Chiller Plant 不同層級 |
| VMB(Valve Manifold Box) | 特氣閥件分配箱,對特殊氣體進行調壓、切斷、分配與安全控制 |
| DP 盤(Distribution Panel) | 氣體/化學品終端分配盤,將中央供應在終端分配給 Tool;常與 VP Panel、DAQ 並列規劃 |
| AC Box | 交流配電箱,將電力分配給附屬設備;Rack 視為其延伸 |
| Lift Station / Waste Lift | 廢液提升設備,將重力收集的廢液以泵加壓送出 |
載體支撐
| 詞彙 | 說明 |
|---|---|
| Cable Tray 電纜架 | 承載纜線的架體,分 Sky Tray(天)、Ground Tray(地)、立 Tray、Conduit;位置本身是決策變數,截面容量有限 |
| 門型架(Gate/Portal Frame) | Subfab 內管線與 Tray 的依附結構,PPL 貼齊它走,Sub-tool 圖塊常以它為座標原點 |
資料文件
| 詞彙 | 說明 |
|---|---|
| Utility Matrix(UM/TUM) | 記錄每台設備的系統類別、用量、管徑與點位,是連線需求的來源,以機型為單位 |
| Bluebook(BB) | 記錄 TOP 與其下游連管資訊的 SP1 接點資料表;與 UM 對應可能多對多,需人工判斷 |
| P&ID/單線圖(SLD) | P&ID 表達管線系統拓樸、流向與儀表;單線圖是電力系統的簡化連接圖,不表達流量 |
| Rule List/Rule Sheet | 把工程限制與偏好以可判定的條列形式記錄,是 Rule Engine 數位化的源頭 |
| Macro/Micro Layout | 定義環境與機台位置,是 Hookup 的空間前提;Macro 先於 Micro |
| Tool Block/Sub Tool Block | 可重用的標準模型元件,含 Maintenance Area、Load Port、Connector 等必要標注 |
| RVT/IFC/DWG/DXF/USD | 各工具間交換模型與圖面的載體格式 |
| BOM | 材料與元件的數量清單,供採購與施工使用 |
空間區域
| 詞彙 | 說明 |
|---|---|
| Bay/Intra-bay | bay-and-chase 佈局中機台成排的分區單元,與走道相間;Layout 規則多以 bay 為單位 |
| Maintenance Area | 設備周邊保留的維修操作空間,屬圖塊一部分 |
製程區
| 詞彙 | 說明 |
|---|---|
| Lithography(LIT / EUV) | 透過塗光阻、曝光、顯影把電路圖形轉移到晶圓,對溫濕度、震動、潔淨度最敏感 |
| Etch 蝕刻 | 利用電漿或化學反應選擇性移除材料 |
| Deposition(PVD/CVD/EPI) | 在晶圓表面形成材料薄膜 |
| Diffusion / Thermal(DIF) | 透過高溫進行氧化、擴散、退火與材料活化 |
| Ion Implantation(IMP) | 將離子加速後植入晶圓,改變材料電性 |
| Wet Process / Clean(WET) | 以 UPW 與化學品進行清洗與濕式處理 |
| CMP | 以 Slurry 的化學反應加機械研磨使晶圓表面平坦 |
| Metrology/Inspection | 量測線寬、膜厚、套刻與缺陷等製程結果 |