[스터디 노트 02] 반도체 장비 개발자가 반드시 알아야 할 SECS 표준(4)

SECS 표준은 반도체 산업의 필수 통신 프로토콜로, 장비 및 시스템이 데이터를 교환하고 정보를 제어하기 위한 공통 언어를 제공한다. 또한 구현 가능하고 장비 성능 및 안정성 향상, 유연성 및 확장성 향상, 유지 관리 및 업그레이드 용이성과 같은 매우 유용한 기능을 제공한다.

전송 가능한 최대 메시지 크기

SECS-II가 처음 공개된 1982년에는 SECS-I 시리얼 통신 프로토콜만이 메시지 전송에 활용되었다. 이후로 TCP/IP 네트워크를 지원하기 위해 HSMS가 개발되었으며, 현재는 HSMS가 더 일반적으로 활용되고 있다. 이러한 전송 프로토콜과 SECS-II 표준 자체는 단일 SECS-II 데이터 항목으로 나타낼 수 있는 데이터에 대한 크기 제한에 걸린다는 어려움이 남아있다.

SECS는 여전히 반도체 산업에서의 주력 통신 규격이다. 빅 데이터 수집을 위해 EDA와 같은 최신 표준이 존재하지만 SECS는 여전히 장비에서 데이터를 수집하기 위한 실행 가능한 솔루션이라 할 것이다. 각 메시지와 함께 전송할 수 있는 데이터의 양은 사용 중인 표준에 따라 다른다.

SECS 채널은 데이터 전송을 위해 FA(Factory Automation) 호스트와 제어 메시지 및 간단한 데이터 수집을 위한 장비 간의 바이너리 통신 프로토콜을 사용한다. 장비 처리가 더 정확해지고 더 많은 매개변수 설정이 구성되고 데이터 수집 요구가 증가함에 따라 SECS 메시지를 통해 전송되는 정보도 매우 빠르게 매우 커질 수 있다. SECS 데이터 메시지를 보낼 때 최대 크기가 적용될 수 있다.

SECS-II 항목 크기

SEMI E5 (SECS-II) 표준에 따르면 SECS-II 메시지의 모든 항목은 목록 또는 항목 데이터 구조이다. (참조. SEMI E5 – Section 9 – Data Structures)
항목은 데이터 값과 함께 길이 및 형식을 정의하는 정보 패킷이다.
데이터 항목의 최대 허용 길이는 약 16MB이다. (참조. SEMI E5 – Figure 2 – Item and List Header, three binary length bytes = 2^24 bytes)

HSMS 메시지 크기

SEMI E37 (HSMS) 표준은 프로토콜 수준의 최대 메시지 크기가 구현에 따라 다름을 지정한다.
이론적으로 가장 큰 메시지 크기는 약 4GB이다. (참조. SEMI E37 – Section 8.2 – General Message Format: 4 byte message length = 2^32 bytes)

SECS-I 메시지 크기

SEMI E4 (SECS-I) 표준은 프로토콜 수준에서 최대 메시지 크기를 약 7.9MB로 지정한다. (참조. SEMI E4 – Section 9.2.1 – Message Length: maximum data length allowed in one message = 244 x 32767 bytes)
이 SECS-I 정의는 SECS-II 데이터 항목의 최대 길이가 7.9MB 미만으로 제한됨을 의미한다. 즉, SECS-I 메시지 프로토콜로 전송된 SECS-II 메시지는 SECS-II 프로토콜이 더 큰 데이터 항목 크기를 허용하더라도 7.9MB보다 큰 데이터 항목을 지정할 수 없다.

다중 블록 메시지

SEMI E5는 특정 메시지가 메시지 전송 프로토콜에 의해 단일 블록 또는 패킷으로 전송될 것을 요구한다. (참조. SEMI E5 – Section 6.3.2 – Multi-Block Messages)
SEMI E4와의 호환성을 위해 단일 블록 SECS-II 메시지에 허용되는 최대 길이는 244바이트이다. 244바이트보다 긴 SECS-II 메시지를 다중 블록 메시지라고 한다.
SEMI E5는 송신자가 수신 주체가 다중 블록 메시지를 보낼 수 있는 권한을 부여하는지 확인하는 데 사용할 수 있는 다중 블록 조회/부여 SECS-II 메시지를 지정한다. 최신 메시지 프로토콜(예: SEMI E37(HSMS))을 지원하는 구현에서는 기본 메시지 프로토콜이 다중 블록 메시지를 처리하는데 문제가 없기 때문에 이 요청/승인(Inquire/Grant) 전환이 필요없다.

직렬 케이블을 통하지 않고 FA 호스트를 장비에 연결하기 위해 TCP/IP를 채택함에 따라 이전의 많은 최대 메시지 크기가 사라졌다. 그러나 최종 사용자의 요구로 인해 상한선에 대한 구현이 이루어졌으며, 이벤트 보고서 메시지에 너무 많은 분석 데이터가 포함되어 단일 SECS 메시지로 표현할 수 없는 경우가 매우 많다.

여러 기술을 사용하여 데이터를 다른 SECS 메시지(예: 스트림 13(데이터 세트 전송) 또는 스트림 21(항목 전송) 메시지로 나눌 수 있다. 또한 EDA(장비 데이터 수집)는 별도의 통신 채널을 통해 고속 데이터 수집을 지원한다.

SECS를 통한 기가바이트 데이터 전송

데이터 요구 사항 및 구성이 복잡해짐에 따라 장비가 SECS 채널을 통해 공장내 호스트로 전송해야 하는 데이터가 증가하고 있다. 따라서 SECS-II를 사용하는 소프트웨어 애플리케이션은 전송 데이터의 크기 제한에 자주 직면하게 된다. 그러나 SECS-II 데이터 항목에 표시할 수 있고 전송 프로토콜(SEMI E4 또는 SEMI E37)로 전송할 수 있는 데이터에는 크기 제한이 있다. 이 상황을 해결하기 위해 SEMI E5-0220(SECS-II)은 잠재적으로 큰 항목을 전송하기 위해 새로운 Stream 21 메시지를 도입했다.

이는 SECS-II 데이터 항목의 16MB 크기 제한 내에 맞는 더 작은 조각으로 전송하기 위해 항목을 분할하여 수행된다. 이러한 작은 조각은 Stream 21 메시지의 ITEMPART 데이터 항목에 순차적으로 저장되며, 수신자가 이러한 메시지를 받으면 개별 ITEMPART를 연결하여 원래 항목을 복원할 수 있다.

스트림 21 메시지는 장비 또는 호스트에서 보낼 수 있다. 이러한 메시지에는 데이터를 올바르게 처리하는 방법을 알 수 있도록 수신자가 수신한 항목 유형을 알 수 있도록 하는 ITEMTYPE 값을 포함하고 있다.

원래 형식화되지 않은 프로세스 프로그램을 전송하기 위한 이 Stream 21 메시지는 대용량의 다른 데이터(예: 웨이퍼 맵 및 분석 데이터)를 전송하는데 사용한다. Stream 21 메시지에는 수신자가 수신한 항목 유형을 알 수 있도록 하는 ITEMTYPE 값이 포함되어 있어 데이터 처리 방법을 알 수 있다.

더 큰 데이터는 항목을 SECS-II 데이터 항목의 16MB 크기 제한에 맞는 더 작은 조각으로 분할하여 Stream 21 메시지를 사용하여 보낼 수 있다. 이러한 작은 조각은 Stream 21 메시지의 ITEMPART 데이터 항목에 순차적으로 저장된다. 수신자가 이러한 메시지를 받으면 개별 ITEMPART를 연결하여 원래 항목을 복원할 수 있는 것이다.

Stream 21 메시지에서 발신자가 전체 항목을 받게 될 수신자에게 전송하는데 사용할 수 있는 2가지 기술이 있다. 둘 다 전체 항목을 수신자에게 전송하게 된다.

단일 메시지 기술

발신자는 하나의 단일 Stream 21 메시지를 사용하여 모든 항목 부분을 전송한다. 이 접근 방식은 발신자와 수신자 모두 하나의 SECS 메시지로만 작업하면 되기 때문에 더 쉽지만 여전히 기본 전송 프로토콜의 최대 메시지 크기(SEMI E37(HSMS)의 경우 약 4GB로 제한되며, SEMI E4(SECS-I)의 경우 7.9MB로 제한됨)로 제한된다. 대용량 데이터로 작업할 때 발신자는 이 메시지가 전송되는 동안 큐에 있는 다른 SECS 메시지에 미치는 영향을 고려해야 한다. SECS 통신 채널이 이에 의해 차단되기 때문이다.

복합 메시지 기술

발신자는 별도의 Stream 21 메시지를 사용하여 각 항목 부분을 전송할 수 있다. 이 접근 방식은 여러 Stream 21 메시지로 작업하기 위해 발신자와 수신자에게 약간의 노력이 더 필요하지만 전송 가능한 데이터에 대한 크기 제한이 없으며, 매우 큰 SECS 메시지를 보내도 SECS 채널이 차단되지 않는다.

발신자는 별도의 Stream 21 메시지를 사용하여 각 항목 부분을 전송할 수 있다. 이 방법은 발신자와 수신자가 여러 Stream 21 메시지로 작업하기 때문에 더 많은 노력이 필요하지만 보낼 수 있는 데이터의 크기 제한이 없다. 복구 시나리오는 개별 메시지가 성공하지 못했을 경우, 수신자가 발신자에게 개별 메시지 전송을 다시 시도하도록 요청하는 것이 가능하다.

가장 중요한 것은 여러 메시지를 사용하여 SECS 채널이 매우 큰 단일 Stream 21 메시지에 의해 차단되지 않는다는 것이다. 이렇게 하면 다른 메시지와 중복되지 않도록 인터리브(interleave)할 수 있으므로 Stream 21 메시지 뒤의 대기열에 있는 SECS 메시지에 미치는 영향이 적다. 이것은 중요한 제어 및 정보 메시지가 지연되지 않도록 하기 위한 중요한 고려 사항이다.

또한, 구현자는 SECS 채널이 사용되는 방식, 즉 SECS 채널을 사용하는 다른 메시지, 전송 속도 및 상대방의 응답 속도를 고려해야 한다.

전송되는 항목의 크기도 다음과 같이 결정에 영향을 미친다.

전송할 항목이 1GB 미만인 경우 여러 ITEMPART가 포함된 단일 Stream 21 메시지를 사용하여 더 나은 성능을 얻을 수 있다. 이 메시지가 전송되는 동안 다른 SECS 메시지에 대한 SECS 채널 차단의 영향을 여전히 고려해야 한다.
전송할 항목이 1GB보다 크면 여러 개의 Stream 21 메시지를 사용하여 데이터를 보내는 것이 좋다. 이로 인해 채널의 다른 SECS 메시지와 중복될 수 있는 더 작은 SECS 메시지가 생성되어 스트림 21 메시지 뒤에 있는 SECS 메시지의 대기열 및 시간 초과가 줄어든다.

Stream 21 메시지는 대용량 데이터 작업에만 국한되지 않는다. 단일 ITEMPART 데이터 항목에 맞는 데이터를 보내는데 사용할 수 있다.(예: 1MB인 XML 텍스트 보내기) 이를 통해 구현 시 Stream 21 메시지를 사용하여 데이터 크기에 관계없이 항상 데이터를 전송하는 것이 더 가능해진다.

Stream 21 전송 메시지는 또한 Stream 13 데이터 세트 메시지보다 전송자와 판독기가 구현하기가 더 간단하다. 이전에는 Stream 13 메시지가 SECS-II 데이터 항목에 저장할 수 있는 것보다 더 큰 데이터를 전송하는 유일한 방법이었다. Stream 13 메시지는 중단된 전송을 재개하고, 스트리밍 데이터를 처리하고, 발신자와 수신자가 각 메시지에서 보낼 최대 데이터를 결정할 수 있는 기능을 포함하여 강력한 인프라를 제공한다. 그러나 이 인프라는 과도하며, 너무 크지 않고 알려진 크기의 데이터를 전송하려는 경우 장벽이 될 수도 있다.

SEMI Standards Task Forces는 SECS-II 메시지를 사용하여 Stream 21 메시지를 정보 전송을 위한 허용된 방법으로 적절하게 사용하는 다른 SEMI 표준에 대한 업데이트 작업을 진행하고 있다. 예를 들어, Stream 21이 프로세스 프로그램(레시피)을 전송할 수 있도록 SEMI E30(GEM)을 업데이트하고, Stream 21 메시지가 웨이퍼 맵을 전송할 수 있도록 SEMI E142(기판 매핑)를 업데이트하는 작업이 진행 중이다.

현대 팹에서 복잡한 도구의 높은 데이터 요구 사항과 관련된 문제를 해결하기 위해 다양한 솔루션이 시도되었다. 일부는 특정 목적을 위해 구축된 맞춤형 SECS 메시지를 개발하는 반면 다른 일부는 특정 기능을 위해 SECS-II 메시징을 포기하고 파일 전송 또는 맞춤형 통신 인터페이스에 의존한다. 두 접근 방식 모두 구현하는데 비용의 문제가 발생할 수 있다.

한 세대 전에 Stream 13 데이터 세트는 대량의 데이터를 전송하기 위해 개발되었다. 데이터 세트는 강력하고 유연하지만 특히 전송할 데이터가 SECS-II 데이터 항목의 16MB 용량보다 약간 큰 경우 구현하기 번거로웠다. 그리고 EDA(Interface A) 표준은 막대한 양의 도구 측 데이터를 펌핑하는 훌륭한 옵션이지만, 일부 호스트는 이 전송에 SECS 채널을 사용하기를 원하므로 다른 통신 프로토콜을 사용하여 다른 소스의 데이터를 통합할 필요가 없다.

Stream 21 메시지의 도입으로 이제 SECS 채널을 통해 대용량 메시지의 양방향 전송을 일관되고 확장 가능한 방식으로 지원하는 더 나은 방법을 갖게 되어 OEM과 공장 모두의 통합 작업을 간소화할 수 있게 된 것이다.

결론

SECS 표준은 데이터 및 제어 정보를 교환하기 위해 장비 및 시스템에 공통 언어를 제공하는 반도체 산업의 필수 통신 프로토콜이다. SECS 표준을 구현하면 장비 성능 및 안정성 향상, 유연성 및 확장성 향상, 보다 쉬운 유지 관리 및 업그레이드를 포함하여 반도체 장비 개발자에게 많은 이점을 제공할 수 있다.

그러나 SECS 표준을 구현하는 것은 복잡한 프로세스일 수 있으며, 상당한 리소스와 전문 지식을 요구한다. 아이씨엔 미래기술센터 오승모 수석연구위원은 “SECS 표준의 주요 구성 요소와 이점을 이해함으로써 반도체 장비 개발자는 작업 과정에서 표준을 구현하는 방법에 대해 더 많은 정보에 입각해 결정을 내릴 수 있다.”고 말했다.

또한 전송 및 분석 데이터에 대한 크기가 함께 증가하면서 SECS 표준에서 초기에 제기했던 전송 데이터에 대한 제한을 극복하기 위한 새로운 기술 방식이 출현하기에 이르렀다. 지속적으로 관련 표준에 관심을 가지고 장비의 세부 사양과 SEMI SECS 표준을 확인하는데 많은 노력을 지속해 나가야 할 것이다. [끝]