本指南面向初学者介绍 SECS/GEM，即半导体工厂自动化中使用的标准通信协议。您将了解 SECS/GEM 的含义、三项核心标准（SEMI E30 GEM、SEMI E5 SECS-II 和 SEMI E37 HSMS）如何协同工作，以及设备如何与工厂主机系统通信。
对于半导体 OEM 和晶圆厂而言，SECS/GEM 已从“锦上添花”变成基本要求。领先的客户现在在验收新设备之前，都要求其具备 GEM 或 GEM300 合规性，而设备类型混杂的工厂则依靠标准化通信来保证 MES 数据畅通。如果您正在评估如何为设备引入 SECS/GEM， 了解面向晶圆厂的 SECS/GEM 解决方案 ，看看成熟的 SDK 如何缩短实施路径。
请参考完整的官方标准， SEMI.org. 要在不从头开始构建驱动程序的情况下在您的设备上实现SECS/GEM，请参阅我们的 NxSphere® GEM SDK。如需逐项了解各项标准，请访问我们的 SEMI 标准指南。想先阅读资料？ 索取 NxSphere® GEM 数据手册.
理解 SECS/GEM：定义与核心概念
1.
SECS（SEMI Equipment Communication Standards）和 GEM（Generic Model for Communications and Control of Manufacturing Equipment）是由 SEMI.org 发布和维护的标准。SEMI.org 是由半导体制造商组成的国际组织，负责制定半导体制造领域的标准。
2.
SECS/GEM 是半导体和电子行业自动化中使用的主要通信协议，如今也已在光伏和 SMT 行业得到广泛应用。
3.
SECS/GEM 为设备与主机系统之间提供通信接口。
4.
与 PLC 等其他通信协议不同，SECS/GEM 使不同厂商的设备能够通过标准统一的协议与各类主机系统通信。
为什么 SECS/GEM 集成对半导体制造至关重要
没有 SECS/GEM，工厂数据就会形成孤岛。操作员把读数手工录入电子表格，报警无人察觉，每台新设备都需要定制集成，最终造成代价高昂的停机和侵蚀良率的盲区。SECS/GEM 改变了自动化的经济账。
标准化通信可实现实时监控、更快的设备接入和更清晰的数据分析，业界的实际部署表明，这会显著降低集成成本，并带来可衡量的良率提升。
对于 OEM，符合 GEM 往往是成交的前提条件。对于晶圆厂， SECS/GEM 解决方案 是从现场设备获取可用数据的最短路径， SECS/GEM 网关解决方案 则负责接入原本会被孤立的老旧设备和 PLC 控制设备。
SECS/GEM 标准
三项 SEMI 标准协同工作，使 SECS/GEM 通信成为可能：SEMI E30 GEM 规定设备 做什么 ，SEMI E5 SECS-II 规定消息 如何 构成，SEMI E37 HSMS 规定 如何 这些消息如何在网络上传输。理解这三者如何配合，就能更清楚地理解该协议以及基于它构建的产品。
SEMI E30 GEM 标准详解
GEM 标准定义了一套通用的设备行为和通信能力，为半导体器件制造商的制造自动化方案提供所需的功能和灵活性。设备供应商可以提供 GEM 中未包含的额外 SECS-II 功能，前提是这些额外功能不得与 GEM 定义的任何行为或能力相冲突。这些扩展可以包括 SECS-II 消息、采集事件、报警、远程命令代码、处理状态、可变数据项（数据值、状态值或设备常量），或某一类设备（刻蚀机、光刻步进机等）或特定设备所独有的其他功能。
交流
COMMUNICATION 状态模型定义了设备在与主机之间存在或不存在通信链路时的行为，同时规定了通信中断后如何通过 S1F13/S1F14 建立或重新建立通信。
实际意义：通信状态模型为检测和恢复主机与设备之间的连接中断提供了可预测的方法。对晶圆厂而言，这意味着更少的无声故障和更稳定的开机率；对 OEM 而言，这意味着客户可以相信设备无需操作员干预即可重新连接并继续上报。
控制
脱机（最低一级）：设备操作由操作员在操作员控制台上手动执行。除 S1F13 或 S1F17 之外，设备将以 SxF0 回应主机发出的任何主信息。.
ONLINE/LOCAL（中间级别）：在此状态下，主机只允许执行数据采集等“只读”操作。禁止主机修改会影响工艺的设备常量，也禁止发出会引起物理动作或启动加工的远程命令。
联机/远程（最高级别）：在此状态下，主机可通过通信接口对设备进行全面操作（"读写 "操作）。.
加工
远程命令
变量
GEM 标准定义了主机可以访问的三种变量：
状态变量（Status Variable）：设备中定义的“只读”全局变量。每当发生处理时，设备都会更新相应的状态变量以反映最新数据，例如计数器的增量、当前或先前的状态等。
设备常量（Equipment Constant）：设备中定义的“读写”全局变量。主机可以设置或修改设备常量，这可能影响相关设置，进而改变设备的行为。
离散变量（Discrete Variable）：仅存在于某个采集事件中的“局部”变量。
数据收集
SECS/GEM 为主机提供了多种从设备采集数据或信息的途径：
可随时使用 S1F3 命令请求一组状态变量的值。
可随时使用 S2F13 请求一组设备常量的值。
主机可以定义一个包含状态变量、设备常量和数据变量的报告，并将其关联到某个采集事件。当设备触发该事件时（使用 S6F11 命令），包含这些变量值的报告会一并发送。
主机可以定义跟踪（trace），定期采样状态变量数据。
另一种方式是利用报警通知，通过采集事件获取更多数据。按照标准，每当报警发生或解除时，都必须向主机发送一个采集事件。
警报通知
此功能允许设备将设备上每次发生或解除的报警或错误通知主机。报警是指异常、不期望的事件，或危及人员、设备或被加工物料的事件。
以下是 GEM 定义的报警管理的一些特征：
每个报警都有两种相关状态：ALARM SET（发生）和 ALARM CLEAR（解除）。
每个 AlarmSet 和 AlarmClear 都有一个关联的采集事件，以满足主机对更全面、更灵活的数据上报的潜在需求。
主机可以请求启用或禁用哪些报警，设备只会就已启用的报警通知主机。
文件
还有更多...
有关假脱机（Spooling）、工艺程序（Process Program）、终端服务（Terminal Services）和限值监控（Limit Monitoring）等其他功能，请参阅完整的标准。
要在您的设备上实现 SECS/GEM？
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SEMI E5 SECS-II 消息结构
如引言所述，该标准提供了主机与设备之间接口的 API。在该标准中，每条消息表示为一个功能（Function），并归入某个流（Stream，即类别）。
与 Web 服务类似，每条 SECS-II 消息由 消息头 （通常包含方法或函数名称以及事务类型：请求或应答）和 消息体 （指定参数的名称和类型）组成。在某些功能中，消息体可以为空。
下面介绍 SECS-II 消息结构的约定。
信息标题
在哪里？
Stream ID = 消息流（类别）
Function ID = 消息的功能标识符。每个流包含多个功能。奇数 Function ID 表示主消息（请求），偶数 Function ID（SnFm+1）表示辅消息（应答）。
Mnemonic = 消息的简称
S, M = S=Single（单块），M=Multi-block（多块）
H, E = H=Host（主机），E=Equipment（设备）
Message Directions = 表示消息的有效方向。部分消息仅在单一方向有效（例如 H->E 或 H<-E），也有部分消息可以双向传输（HE）。例如：S1F13 Establish Communication（HE）。
Reply = 表示该消息是否需要应答。
说明
结构
该功能的消息体。以详细结构展示列表和已定义的数据项。列表以大写字母 L 后跟用逗号分隔的长度表示，列表中的各个元素分行编号。
嵌套列表通过缩进来突出结构。各数据项的详细形式在事务开头的 define 部分给出。符号“<”和“>”用于标记数据项头。每个数据项的详细说明以及允许的数据格式列表，可在 Data Item Dictionary 中查阅。
例外情况
SEMI E37 HSMS：高速 SECS 消息服务（High-Speed SECS Message Services）
HSMS 是构建在 TCP/IP 协议之上的传输层。对于需要更高速通信、或简单点对点拓扑不够用的应用，HSMS 可作为 SEMI E4（SECS-I）的替代方案。
TCP/IP 设置
由于 HSMS 源自 TCP/IP，主机（客户端）和设备（服务器）都需要进行以下设置：
ConnectionMode：ACTIVE 或 PASSIVE 模式。通常主机端使用 ACTIVE 模式，设备端使用 PASSIVE 模式（监听），但并不限制反过来使用。
Local IP Address and Port Number：任何以 PASSIVE 模式运行的实体都必须设置。它决定本地实体监听传入连接请求的地址。设备通常以此模式运行。
Remote IP Address and Port Number：任何以 ACTIVE 模式运行的实体都必须设置。它决定本地实体尝试连接的远程实体的地址。主机通常以此模式运行。
HSMS 超时设置
HSMS 的实现必须提供以下参数的安装时设置：
T3 Reply Timeout：规定等待应答消息的实体等待该应答的最长时间。
T5 Connection Separation Timeout：规定对同一远程实体连续两次尝试连接之间必须间隔的时间。
T6 控制事务超时：指定控制事务在被视为通信故障前可保持打开的时间。.
T7 Not Selected Timeout：规定 TCP/IP 连接可以保持在 NOT SELECTED 状态（即没有 HSMS 活动）的时间，超过该时间即视为通信故障。
T8 Network Inter-character Timeout：单条 HSMS 消息中相邻字节之间允许的最长时间。
关于 SECS/GEM 的常见问题
SECS/GEM 与旧式通信协议有什么区别？
SECS/GEM 是半导体行业的标准，全球已有 100 多家 OEM 采用。专有 API、手工录入数据和 RS-232 串口等旧方式缺乏实时能力、无法扩展，并会造成厂商锁定。SECS/GEM 标准化、实时且与设备无关，是现代晶圆厂自动化的基础。
老旧半导体设备能使用 SECS/GEM 吗？
可以。使用 10 至 20 年以上的老旧设备通常不原生支持 SECS/GEM，但可以通过网关中间件或基于 SDK 的驱动程序进行改造。 NxSphere® GEMBridge 和 NxSphere® GEM 专为老旧设备集成而设计，使现有设备无需更换即可与现代晶圆厂自动化系统通信。
SECS/GEM 集成通常需要多长时间？
SECS/GEM 集成所需时间因设备复杂程度和网关类型而异。简单的网关部署需要 2 到 4 周；跨多台设备的基于 SDK 的集成通常需要 6 到 12 周。Insphere 会优先处理影响最大的设备，因此投资回报会逐步显现。
SECS/GEM 代表什么？
SECS 是 SEMI Equipment Communication Standards（SEMI 设备通信标准）的缩写，GEM 是 Generic Model for Communications and Control of Manufacturing Equipment（制造设备通信与控制通用模型）的缩写。两者共同规定了半导体和电子制造设备如何与工厂主机系统通信。
SECS/GEM 如何工作？
SEMI E30（GEM）规定设备做什么：设备的状态、事件、报警和远程命令。SEMI E5（SECS-II）规定每条消息的结构，SEMI E37（HSMS）规定这些消息如何通过 TCP/IP 传输。主机与设备通过交换这些消息，对设备进行监控、控制和数据采集。
哪些行业使用 SECS/GEM？
SECS/GEM 是半导体晶圆厂中的标准设备接口，同时也广泛应用于电子组装、光伏（太阳能）制造和 SMT 生产线。
SECS-I（SEMI E4）与 HSMS（SEMI E37）有什么区别？
两者都是 SECS-II 消息的传输层。SECS-I（SEMI E4）通过串行 RS-232 连接运行，而 HSMS（SEMI E37）通过 TCP/IP 以太网运行。HSMS 速度更快，是现代设备的标准选择；SECS-I 多见于较老的设备。
SECS/GEM 和 GEM300 有什么区别？
GEM300 是在 SECS/GEM 基础上面向 300 mm 晶圆厂的扩展。它增加了载具管理、基板跟踪、控制作业和工艺作业（SEMI E87、E90、E94 和 E40），使工厂能够实现物料搬运和作业执行的自动化。详情请阅读我们的 GEM300 标准简介 了解详情。
设备制造商必须支持 SECS/GEM 吗？
这不是法律要求，但在实践中，大多数半导体晶圆厂和许多电子制造商都要求符合 GEM，对设备制造商而言，这往往是成交的前提条件。
准备好实施 SECS/GEM 了吗？
无论您是要交付一台从第一天起就必须符合 GEM 的新设备，还是要让现有设备接入 MES，选择合适的 SDK 和网关，都可以把原本需要数月的项目缩短到数周。Insphere 的 SECS/GEM 解决方案建立在 15 年以上在领先晶圆厂和 OEM 的生产部署经验之上。
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