中国电子院PSIM数字孪生工厂解决方案：以数字科技助力国家先进电子制造产业高质量发展

【文前提要】

中国电子院“以工艺为引领，以数字化仿真为手段”，积极开展数字化转型，首创以生产制造系统为核心的全要素、全系统数字工厂仿真模型（PSIM），为客户提供全生命周期数字孪生工厂解决方案，助力我国先进电子制造产业整体竞争力的提升，实现产业高质量发展。

一提到半导体，大多数人最先想到的可能是芯片。芯片是电子设备的“心脏”，小到手机，大到火箭，都离不开芯片。

在半导体领域，除了芯片，人们可能还会想到光刻机、晶体管等，但很少有人会注意到芯片制造的“幕后英雄”——为芯片制造提供生命线保障的半导体工厂。中国电子工程设计院股份有限公司（下称“中国电子院”），就是半导体工厂设计领域的一个引领者。

成立于1953年的中国电子院，是中国电子工程领域的开拓者，深度参与了中国电子工业从电子管到晶体管、再到集成电路的发展历程，对显示器件、半导体等重点领域产业化发展起到了重要支撑作用。

在新的产业格局和国际竞争环境下，中国电子院、中国先进电子制造产业在向新求变。如何用科技赋能产业高质量发展，一直是中国电子院肩负的重要使命。

过去四年，中国电子院大力开展数字化转型，首创提出以生产制造系统为核心的全要素、全系统数字工厂仿真模型（PSIM），为客户提供全生命周期数字孪生工厂解决方案。

中国电子院工艺数智研究院团队。本文图片均为 中国电子院 供图

全局性视角：首创PSIM数字孪生工厂解决方案

现代微芯片的宽度约为50纳米（仅为人类头发丝的1/2000），这种超精密制造和大规模生产的双重需要使得半导体工厂成为世界上最复杂、最昂贵的工业设施，其工程技术难度极高，对生产环境要求严苛，设计、运维极具挑战。

投资数十亿甚至几百亿的半导体芯片工厂一旦建成，如果发现问题需要调整，就会“牵一发而动全身”，纠错成本超乎想象。因此，科学规划设计一条高效、柔性的产线至关重要。

然而，在半导体芯片工厂的规划设计阶段，存在着诸多棘手问题。一方面，工艺条件具有不确定性，同时缺乏量化评价指标；另一方面，厂务系统设计与制造工艺之间存在断点。在这样的情况下，如何在项目前期就规划设计出投资更为合理、运行更加经济，并且具备国际竞争力的先进电子制造工厂，一直是困扰业界的难题。

“中国半导体产业的发展，在宏观层面有国家部委的政策支持以及产业基金的资金扶持；微观层面，科研院所和企业通过技术研发，致力于解决工艺、装备、材料、软件等‘卡脖子’难题。但在中观层面，也就是连接宏观和微观的先进电子生产制造系统以及生产保障系统，其效率与效能提升所涉及的工程技术难题，尤其是数字化技术对产线规划和生产运行的赋能方面，还没有引起足够的关注和重视。”中国电子院娄宇表示。

面对上述种种难题，中国电子院将目光方向锁定在了数字化技术上。

2021-2022年，中国电子院先后成立了工艺技术研究所和工艺数智研究院（原数字化技术中心），提出用数字化仿真技术为手段和载体打造PSIM（Plant Simulation Information Modeling）数字孪生工厂解决方案。

数字孪生工厂仿真建模。

作为中国电子院数字化转型中最为关键的“一把手”工程，该技术方案的研发由中国电子院董事长娄宇亲自领导，首席技术官杨光明带队攻坚。

一开始，娄宇作为全国勘察设计大师，提出关键性的全局技术路线，要求团队用全流程、全要素的视角来剖析工厂，真正把握先进电子制造工厂的机理、规律。

这一要求，让团队视野向产业技术层面更进一步，采用系统性视角解构先进电子制造工厂典型场景，以生产制造为核心，涵盖生产制造、生产支持、环境保障、建筑及其他四大系统，以数字化仿真为手段，构建真实工厂数字孪生体，通过动态模拟、量化分析、方案优化完整闭环，打造精益、绿色、智慧的未来工厂。

这样的一套先进电子制造工厂初期规划方案，能够作用于工厂全生命周期，不仅直接影响建设投资，还服务于未来20年的生产运营。

硬实力攻坚：瞄准关键核心技术打通PSIM技术路线

PSIM数字孪生工厂解决方案的核心，就是以生产制造系统为核心的全要素真实工厂仿真模拟（Plant Simulation Information Modeling）。

“我们首先要构建一个虚拟模型即数字孪生工厂模型，对工厂的产线配置、生产布局、物流系统、动力用量等多个要素进行模拟仿真，把未来工厂中可能面临的各种变化情况都考虑进去，然后不断优化找到最优解。”中国电子院工艺数智研究院常务副院长程星华说。

然而虚拟模型并非凭空构建，攻克数字化仿真技术是一场硬仗。

2021年3月11日，娄宇提出：打一场攻坚战，将PSIM的生产制造系统路线打通。

接下来的一个月，中国电子院总部5层会议室，每至夜晚，灯火通明，数字化团队成员们分秒必争，全身心奋战在技术攻坚的“战场”。

数字化仿真技术攻坚的第一步，是围绕着生产制造系统中的八大类工序、数百个工艺机台、数百步工艺流程，以及每小时数百次的搬送任务展开建模。

仿真建模的过程，就是把一个系统运行的复杂过程还原到模型中，包括参数的类型、数值，以及这背后的算法或者逻辑。

数字化仿真模型搭建起来后，紧接着就要通过虚拟实验对设备配置、产能规划、物流方案、能耗与厂务系统进行优化。

如何优化？

“我们会从一座工厂的人机料法环全系统、全方位去规划并不断优化，持续降低企业的制造成本。”程星华介绍说。

具体而言，包括从精益组线与产能提升的角度切入，根据设备选型与配置实现多产品组合寻优和最佳排产策略定位；在物流规划环节进行快速比选寻优，实现空间优化与效率提升；围绕精准用能与厂务系统设计，从工艺需求与设备用能特点分析出发，进行厂务系统仿真分析与优化；在工厂运维阶段，通过数字孪生平台实现精益化管理。

此外，数字化团队还对生产制造过程中的随机干扰做出预测、追溯原因，在投资规模、弹性生产和风险防范的平衡中为业主找到最优的设计方案，最终实现将生产不确定性转变为数百种方案中的最优解。

第一场攻坚结束后，数字化团队又相继开展了半导体、医药、PCB细分领域生产系统PSIM攻坚，以及半导体工厂废气系统、废水系统、纯水系统、化学品系统等厂务系统PSIM攻坚，最终首次构建了基于工艺源头、工艺机台与厂务系统联动的全流程、全要素数字化仿真模型。

除了数字技术本身，中国电子院的PSIM方案还有几十年来积累的先进电子制造工厂生产环境保障能力的“加持”。

对于先进电子制造工厂而言，如果生产环境不达标，良品率就上不去，数十亿、上百亿的产线投资就有可能打水漂。

在先进电子制造工厂的环境保障系统中，中国电子院全球领先的“超洁净”和“微振动”技术“立了大功”。

中国电子院所属企业世源科技公司设计建设的国内半导体龙头企业最高世代新型显示器件生产厂内部洁净室，满足超大面积超高洁净要求保证液晶屏达到超高良品率。

所谓“超洁净”，就是控制生产环境中空气里面的悬浮颗粒物的数量。中国电子院的“超洁净”技术，实现了环境洁净度等级ISO1级、温度精度±0.1℃、相对湿度精度±2%等超净环境指标。“0.1微米的灰尘，落在显示器、半导体上纳米级的线条上，就像陨石砸中了蚂蚁。”杨光明介绍道。

值得一提的是，最近五年来，国内90%以上的显示器件、约60%的存储芯片，是在中国电子院设计、建设的超洁净工厂中生产的。

在芯片制造过程中，如果存在轻微振动干扰，整个芯片就可能损坏。针对这个业界难题，中国电子院首创综合微振动控制理念，研制出具有100%自主知识产权的主动控制隔振系统，在项目应用中振动控制水平达到了前所未有的VC-L（25nm/s），打破了国外技术垄断。

“实验室解决造不造得出来的问题，我们解决造不造得好、有没有竞争力的问题。”杨光明表示。

让改变发生：工艺引领技术竞争力提升

在PSIM的打造中，中国电子院始终遵循“以工艺为引领，以数字化为手段”的工作思路，将“工艺”放在比数字技术更加优先的地位。

这里提到的“工艺”，即指对生产工艺、生产特点、生产技术要求的深度理解和掌握，包括先进电子制造的工艺路线选择、生产设备选型配置、生产线组织运行、生产效率良率提升等。

“我们坚持从工艺出发，还原工厂本质运转逻辑，这种‘硬核’路线，需要扎实的技术积累，目前业内尚未有同类实践。”工艺数智研究院工艺负责人白帆介绍。

中国电子院在几十年设计先进电子制造大规模工厂的经验中形成了丰富的工艺工程实践积累和关键技术布局，因此“懂工艺”，成为中国电子院的核心优势之一。

以单机台仿真建模为例，通常的做法是根据工艺设备生产运行参数和加工节拍进行对象建模，该方法虽然能保证较高的准确性，但面对复杂机台时有很大的局限性且效率低。

中国电子院数字化团队在某项目中，基于工艺特点，归纳机台单元运行特点，形成具有普遍复用的通用组件，大大提高了模型的扩展性和复用性，并经过大量数据的验证迭代，形成独有的仿真建模方法和算法。

“对于先进电子制造工厂生产物流系统仿真，行业普遍做法是在工厂设计完成后再做机台和轨道建模，比对设备布局进行描点绘制，建模工作量大、周期长、协同差。而我们是在进行工艺布局设计时同步启动生产物流系统模拟构建，通过物流效率验证与优化工艺布局，在设计阶段找到最优解；同时我们的独有算法也让物流仿真效率相较行业提升了3-5倍。” 工艺数智研究院仿真负责人徐策表示。

因为共同的“工艺语言”，中国电子院数字化团队与业主的沟通颇为顺畅，业主更能理解“PSIM”的概念及应用，也能够与团队有更多互动和反馈。

这种良好的沟通使中国电子院数字化团队，在与客户的良性交互中，不断吸取经验、不断实践验证，从而构建符合真实工厂运行的高保真仿真模型与优化算法，在工艺设计中快速提升PSIM数字化仿真能力，真正提升自身竞争力。

让价值落地：数字赋能产业高质量发展

在与产业互动的过程中，客户的反馈、项目的落地，倒逼PSIM仿真模型算法的不断完善，这进一步加快了中国电子院PSIM数字孪生工厂解决方案实现产业化落地的步伐。

经过近两年的内部研发和项目打磨，工艺数智研究院决定“走出去”——寻求PSIM在产业中落地的可能。

2023年6月，在中国电子院70周年历史回顾暨科技成果发布会上，作为PSIM模型的阶段性成果，“先进电子制造数字孪生工厂解决方案1.0版”正式发布。

2023年6月，在中国电子院70周年历史回顾暨科技成果发布会上，中国电子院首席技术官杨光明正式发布PSIM模型阶段性成果——“先进电子制造数字孪生工厂解决方案1.0版”。

2023年11月，中国电子院与某硅基微显示龙头企业达成战略合作，在产线效能提升、数字孪生产线建设、科研平台共建等方面展开深度合作。

客户负责人介绍，选择与中国电子院合作，是因为“他们有丰富的建厂经验和工艺技术，通过模拟仿真技术帮我们优化了产线方案，实现减少建设投资、缩短建设周期、提升生产效率、降低运行成本的‘ITEC’目标，这有助于我们压缩产品生产成本，大幅度提升企业竞争力。”

在12英寸硅基微显示的合作项目中，中国电子院数字化团队优化了生产物流系统方案，规避了产线建成后搬送能力不足的风险，避免了8%左右的产能损失，节省投资200万元，运能提升超过40%。

中国电子院的PSIM数字孪生工厂解决方案，正在为业主带来真实价值。

此后，更多先进电子制造项目、应用场景，正在插上PSIM的“翅膀”，陆续迸发出强劲的发展动能。

“中国电子院PSIM数字孪生工厂解决方案可以有效解决工艺源头与厂务系统断点难题，实现运行效率提升在5%以上，系统优化8%以上，降低投资12%以上，局部环节优化后有效实现年运行成本降低近千万元。”程星华表示。

接下来，中国电子院还将把PSIM数字孪生工厂解决方案和工业互联网智能化解决方案相结合，为相关产业提供智能工厂整体解决方案，这意味着PSIM将进入智慧赋能新阶段。

对于中国电子院而言，PSIM的创新应用是企业数字化转型的重点方向，也是企业未来发展之道。

这是一个自己革自己命的过程。数字化团队一直有种“时不我待”的紧迫感，程星华作为数字化转型落地执行者，始终如履薄冰：“我们团队从不缺新课题。PSIM算法数据库每天都在进行积累和迭代，团队成员每天都在自我更新迎接新挑战。做创新一定要把真需求和真技术衔接起来。”

这样强大且实干的创新型人才团队成为PSIM研发攻坚的有力支撑，这支平均年龄不到35岁的年轻力量，为项目殚精竭虑，干劲十足。在他们身上凝聚着中国电子院七十多年来光荣的红色基因，传承着浓厚的工程师精神文化，彰显着提升国家先进电子制造产业竞争力的使命担当。

中国电子院始终相信打造PSIM技术、为最终实现“ITEC”目标而奋斗，是一件“艰难而正确的事”。

“这项技术是立足于服务国家战略需求，通过持续迭代数字化技术，帮助中国半导体产业提升效能与效率，大幅降低生产运行成本，提升中国半导体行业的市场竞争力。”娄宇表示。