执行概要
硅晶片制造厂通过各类工具和复杂工艺将材料加工制造成成品。本文将带您深入了解英特尔的内存工厂在基础设施架构方面的一项改进。通过这一改进，英特尔能够在部署新的处理技术或更多工具时，大幅降低成本，减少无尘车间面积，并确保可扩展性。 此外，采用虚拟化技术让平台更易于维护。本文还展示了一家晶圆制造厂如何在不做出巨大改变的情况下，通过英特尔® 傲腾™ 固态盘（一种基于非 NAND 的新型存储技术）， 提供制造自动化架构所需的性能。
简介
英特尔在制造业方面以自动化和复杂工艺著称，并由此制造出复杂的多层计算和内存芯片等最终产品。英特尔制造工厂（“晶圆制造厂”）在车间运行的 “工具”（生产设备） 就多达数千个。
各个工具及其接口都依赖于专用的计算设备（托管在数据中心服务器集群中的虚拟化工业级 PC (IPC) 客户端），与 MES（制造执行系统）进行通信。工具接口与虚拟化 IPC 通信，随后 IPC 通过软件控制器将工具健康状况和其他信息传送至 MES、在线流程控制和健康检查/容错系统（见图 1）。
在典型的非虚拟化制造环境中，IPC 实际上位于车间邻近工具的位置，或是其他数据中心， 并且工具和客户端需协同合作。英特尔作出了一个特别的决定，将其 IPC 虚拟化，以节省 其中一家晶圆制造厂中耗资较高的无尘室空间。这一改变带来了诸多益处，包括实现 整合、降低总体拥有成本 (TCO)，以及加快取得成果的时间。（请参阅 “Optimizing Operations with Virtualized Industrial PCs（通过虚拟化工业级 PC 优化运营）”， 了解更多有关该解决方案的信息。）
工作负载的增加要求虚拟化具备高性能
芯片制造中的典型计算工作负载与材料初制情况成正比。一家英特尔的大容量内存芯片制造厂拥有数千个复杂的自动化工具和虚拟化 IPC，每天需与 MES 进行数百万次通信。仅单个 IPC 每天执行这一操作就多达数万次。周期时间、在制品 (WIP) 周转率、吞吐 时间和生产线良率都是衡量性能的关键指标。
因此，容错率在芯片制造中起着关键的作用。每个工具与 IPC 之间的专用连接至关重要， 因为这可以确保通信线路在整个消息交换会话中保持活跃状态。鉴于工具与 IPC 之间一对一的关系，信息交换不可中断，因此冗余的方式并不可取。如果未能将数据按照预期的时间（通常为几秒钟）和频率从工具传输到 IPC 或从 IPC 传输到在线流程控制，容错系统将会触发警报，停止材料加工（也称为批量中止）。虽然此类中止是由于错误警报导致，但还是会产生不良的影响，造成昂贵工具的利用率不足和/或材料损失。
图 1. 车间的每个芯片制造工具都分别与 IPC 客户端配对，该客户端每天需与流程控制进行数千次通信
随着大容量内存芯片制造厂的材料初制量增加，数据和事务量也随之增加。大量数据必须在工具、虚拟化 IPC 和 MES 之间以极低的时延进行传输。英特尔制造自动化致力于通过英特尔® 傲腾™ 技术设计出更强大、更高效且更易管理的解决方案，从而优化性能，并避免内存芯片制造厂因生产延迟而产生高昂代价。
可提供诸多优势的解决方案
鉴于工具与 IPC 之间一对一的关系，没有冗余空间，因此传统的虚拟化并不可行。而英特尔的工程师们通过在两个数据中心之间进行精简配置实现了 “集群扩展”，因此，当其中一个数据中心出现故障时可提供备用措施，从而提高了效率和可靠性（见图 2）。与标准集群架构不同，在扩展集群中，服务器托管在两个数据中心，由见证服务器监视 vSAN。
为了发挥该架构的最佳效用，良好的网络连接和缓存层性能至关重要。相较于传统的 NAND 固态盘，英特尔® 傲腾™ 固态盘更适合缓存层中的写入密集型磁盘操作。英特尔® 傲腾™ 固态盘具有可预测且稳定的低时延、高耐用性以及高读/写性能，因此是扩展集群的理想选择。在运行初步的基准测试后，英特尔制造自动化工程师在一个集群中安装了英特尔® 傲腾™ 固态盘，并与基于 NAND 固态盘的集群进行性能对比。表 1 显示了用于比较的详细配置信息。
图 2. 两个数据中心之间 “扩展集群” 的参考设计，该集群在每个数据中心都拥有几台服务器，托管许多虚拟机
表 1. 内存芯片制造厂数据中心配置
英特尔® 傲腾™ 技术，提供低时延和高性能
从 NAND 转换到基于英特尔® 傲腾™ 固态盘的集群，可为大容量内存芯片制造厂带来诸多性能优势：
提升 vSAN 性能：英特尔工程师在缓存层安装了英特尔® 傲腾™ 固态盘后，性能得到了极大的提升。虽然 IPC 的工作负载保持不变（见图 3 中的上图），但在将相同的 IPC 迁移到缓存层中搭载英特尔® 傲腾™ 固态盘的集群后，时延降低至接近零（见图 3 中的下图）。
图 3. 从全部为 NAND 固态盘转换到 NAND 和英特尔® 傲腾™ 固态盘混用后的 IPC 性能比较（黄线表示转换时间）
提升车间应用性能：操作视图是 IPC 中使用的一个应用，可让用户远程查看和管理工具。当 IPC 迁移至搭载英特尔® 傲腾™ 固态盘的集群后，操作视图无响应的次数降低了 79%，从每周 115 次降低到 24 次。在降低时延的情况下，用户界面 (UI) 可以快速显示应用数据，实现精确的远程管理（如图 5 所示）。
图 4. 从在缓存层安装英特尔® 傲腾™ 固态盘的前后对比可见，操作视图应用的性能有所提升
精细化运营的益处
• 加快 vMotions 速度：VMware vSphere vMotion 的运行速度提升了 55%，执行实时迁移所需的时间从 9 分钟缩短到 4 分钟（见图 5）。
• 缩短打补丁/更新的时间：IPC 虚拟机补丁对 CPU 和磁盘性能的要求一直都很高。在集群中将英特尔® 傲腾™ 固态盘用于缓存后，打补丁/更新的时间缩短了一半，打补丁的时间窗口从 1 小时缩短到 30 分钟。
图 5. 在缓存层中使用英特尔® 傲腾™ 固态盘对 VMware vSphere vMotion 的改进情况
结论
事实证明，英特尔® 傲腾™ 固态盘非常适合像虚拟化 IPC 这样的写入密集型用例，包括关键的工厂应用和数据库。vSAN 与英特尔® 傲腾™ 技术相结合，可为制造自动化中的数据和事务密集型工作负载提供所需的高性能。
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了解更多信息 请参阅白皮书 “Optimizing Operations with Virtualized Industrial PCs（通过虚拟化工业级 PC 优化运营）”，了解更多有关向虚拟化 IPC 转型的信息。 请访问英特尔® 傲腾™ 固态盘网站：intel.cn/content/www/cn/zh/architecture-and-technology/optane-technology/optane-for-data-centers.html |