楊立熙

(福州大學(xué) 管理學(xué)院，福建 福州350108)

集成電路晶圓生產(chǎn)是在晶圓表面上和表面內(nèi)制造半導(dǎo)體器件的一系列生產(chǎn)過程。它從單晶拋光片開始，根據(jù)集成電路產(chǎn)品的復(fù)雜程度不同，反復(fù)經(jīng)過多達(dá)數(shù)次甚至10 多次的增層、光刻、摻雜和熱處理工藝的加工，使在晶圓上形成成百上千的集成電路芯片，產(chǎn)品生產(chǎn)周期一般長達(dá)幾個月。晶圓產(chǎn)品的生產(chǎn)周期除具有周期長的特征外，同時還具有高度不確定性。生產(chǎn)周期長主要是由晶圓產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝特征決定的，周期不確定性程度取決于制造系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備的利用率和關(guān)鍵設(shè)備前的工件排隊規(guī)則。設(shè)備利用率與制造設(shè)備、生產(chǎn)工藝特征有關(guān)，工件排隊規(guī)則由生產(chǎn)組織方式?jīng)Q定。

緊急訂單(包括來自企業(yè)自身的工程試驗訂單和來自重要客戶的交期緊迫的訂單)在晶圓制造企業(yè)經(jīng)常出現(xiàn)。從生產(chǎn)組織方面看，因緊急訂單對資源的優(yōu)先占用權(quán)導(dǎo)致了正常訂單的生產(chǎn)周期產(chǎn)生了波動，縮短緊急訂單的生產(chǎn)周期是建立在延長正常訂單的生產(chǎn)周期基礎(chǔ)之上的。許多學(xué)者的研究表明，緊急訂單對正常訂單的生產(chǎn)周期波動性產(chǎn)生重大的影響，但對緊急訂單的生產(chǎn)周期和產(chǎn)出率均無明顯影響［1－2］。從制造設(shè)備方面看，由于晶圓制造的一些重要設(shè)備價格昂貴，企業(yè)為充分利用設(shè)備產(chǎn)能，使這些設(shè)備成為了瓶頸資源，提高瓶頸資源的利用率將加大正常訂單的生產(chǎn)周期波動性。從生產(chǎn)工藝特征方面看，晶圓生產(chǎn)的重入性，即產(chǎn)品需要反復(fù)經(jīng)過相同設(shè)備，進(jìn)一步加劇對關(guān)鍵資源的爭奪。值得注意的是，緊急訂單和重入性特征的疊加又使得生產(chǎn)周期的波動大幅增加。

可見，晶圓產(chǎn)品生產(chǎn)周期的不確定性與設(shè)備產(chǎn)能利用率密切相關(guān)。產(chǎn)品生產(chǎn)周期是企業(yè)做出訂單承諾的最重要依據(jù)，然而晶圓產(chǎn)品生產(chǎn)周期的不確定性，使企業(yè)在做出可靠的訂單承諾方面產(chǎn)生了難度。由于晶圓制造業(yè)近年才開始在我國內(nèi)地迅速發(fā)展，目前國內(nèi)關(guān)于訂單承諾方面的研究較少，因此從訂單管理層面產(chǎn)能規(guī)劃著手，結(jié)合產(chǎn)生晶圓產(chǎn)品生產(chǎn)周期不確定性的原因，研究訂單承諾流程以提高訂單滿足率和準(zhǔn)時交付率，是值得探索的問題。

1 訂單承諾的實務(wù)探討

1.1 訂單承諾的實務(wù)方法

在晶圓制造企業(yè)的訂單承諾實務(wù)上，多以企業(yè)生產(chǎn)能力、負(fù)荷水平、產(chǎn)品生產(chǎn)周期和訂單到達(dá)時間為依據(jù)來響應(yīng)客戶訂單需求。訂單承諾過程的分時段產(chǎn)能分配如圖1 所示。

圖1 訂單承諾過程的分時段產(chǎn)能分配

圖1(a)列出了在計劃展望期內(nèi)各時段(晶圓制造企業(yè)通常以周或月作為單位)的累積可承諾量，它是企業(yè)各時段的生產(chǎn)能力扣除已承諾部分的剩余量，這是綜合企業(yè)生產(chǎn)能力和負(fù)荷水平(或需求水平)后的運算結(jié)果，以時段內(nèi)晶圓的產(chǎn)量為計量指標(biāo)。要求企業(yè)能在恰當(dāng)?shù)臅r間提供滿足客戶需求的訂貨數(shù)量是訂單承諾過程要遵循的基本原則。在響應(yīng)客戶的訂單時，銷售管理部門首先根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期信息，結(jié)合該產(chǎn)品的需求時界(demand time fence，DTF)，判斷在時間上是否能滿足需求。若滿足交貨期需求，則進(jìn)一步確定該時段上的能力供給能否滿足需求，若滿足，則將該時段及其之后各時段的可承諾產(chǎn)能分配給該訂單。圖1(b)、(c)、(d)顯示了3 張依次到達(dá)的客戶訂單，交貨期分別落在第1、第3 和第2 時段時的訂單產(chǎn)能分配情況，假設(shè)在3 個場景中可承諾量都能滿足需求。以圖1(b)為例，將時段1的產(chǎn)能承諾給第1 張訂單，因可承諾產(chǎn)能是以累積方式計量，因此在將時段1 產(chǎn)能分配給該訂單的同時，其后各時段的相應(yīng)可承諾產(chǎn)能也應(yīng)扣除。如果某時段可承諾量不能滿足需求，可將前期的可承諾產(chǎn)能作為響應(yīng)訂單的依據(jù)。

1.2 問題探討

一些企業(yè)應(yīng)用上述方法取得了良好效果，如在TFT－LCD 液晶顯示屏制造企業(yè)的應(yīng)用［3］。然而，在晶圓制造企業(yè)的應(yīng)用中，訂單滿足率、準(zhǔn)時交付率和產(chǎn)能利用率等方面的表現(xiàn)不理想，主要有以下3 個方面原因。

(1)訂單優(yōu)先級規(guī)則對重要客戶訂單滿足率的影響。許多企業(yè)采用先到先服務(wù)(first come first served，F(xiàn)CFS)規(guī)則安排訂單的優(yōu)先級，這種公平對待客戶的規(guī)則，實則忽視了重要客戶訂單對企業(yè)績效的影響作用。目前一些晶圓制造大廠在產(chǎn)能緊張情況下，拋棄FCFS 規(guī)則，采取只承接重要客戶訂單的策略。

(2)產(chǎn)品生產(chǎn)周期預(yù)測方法對準(zhǔn)時交付率的影響。企業(yè)多以固定生產(chǎn)周期作為響應(yīng)客戶訂單交貨期的依據(jù)。實際上產(chǎn)品生產(chǎn)周期與關(guān)鍵設(shè)備的負(fù)荷密切相關(guān)，設(shè)備的高負(fù)荷運行將加劇產(chǎn)品生產(chǎn)周期的波動［4－5］。晶圓制造企業(yè)關(guān)鍵設(shè)備多為瓶頸資源，造成了晶圓產(chǎn)品的生產(chǎn)周期大幅度變化，給訂單的準(zhǔn)時交付帶來不利的影響。

(3)可承諾產(chǎn)能的信息粒度對準(zhǔn)時交付率和產(chǎn)能利用率的影響。上述訂單承諾方法的可承諾產(chǎn)能通常用每月產(chǎn)量來表示，而晶圓產(chǎn)品的生產(chǎn)周期卻有多個時段的跨度，此外，在重入性的作用下，設(shè)備的產(chǎn)能在產(chǎn)品的整個生產(chǎn)周期內(nèi)被該訂單間斷性地占用。因此，用來作為訂單承諾依據(jù)的可承諾產(chǎn)能并非訂單實際占用產(chǎn)能，這將對訂單的準(zhǔn)時交付率產(chǎn)生影響。為訂單預(yù)設(shè)緩沖產(chǎn)能是這類問題的有效解決方案，但會降低產(chǎn)能利用率。

2 基于產(chǎn)能規(guī)劃的多等級訂單承諾流程

2.1 多等級訂單承諾流程總體框架

基于產(chǎn)能規(guī)劃的多等級訂單承諾流程框架如圖2 所示，其由訂單等級數(shù)確定、產(chǎn)能規(guī)劃、訂單處理和訂單承諾決策4 個模塊構(gòu)成，涉及到對訂單等級數(shù)、產(chǎn)能分配、資源負(fù)荷和訂單產(chǎn)品需求信息的處理。

圖2 基于產(chǎn)能規(guī)劃的多等級訂單承諾流程框架

訂單等級數(shù)確定和產(chǎn)能規(guī)劃為訂單管理的戰(zhàn)略層活動。前者的輸出結(jié)果是訂單的優(yōu)先等級數(shù)，后者則輸出各等級訂單的產(chǎn)能分配比例。訂單處理模塊獲取客戶訂單的需求信息，包括工藝和交付期兩方面的信息，同時依據(jù)訂單利潤、客戶重要性等信息確定訂單等級。

訂單承諾決策模塊是該流程的核心功能，它綜合訂單在工藝和交付期兩方面的需求信息、資源負(fù)荷和產(chǎn)能分配表，確定在訂單規(guī)定的交付期內(nèi)能否滿足規(guī)定的交付數(shù)量。因產(chǎn)品生產(chǎn)周期與訂單等級數(shù)密切相關(guān)，為提高訂單的準(zhǔn)時交付率，預(yù)測產(chǎn)品生產(chǎn)周期必須基于訂單等級因素。訂單承諾決策模塊運作流程如圖3 所示。圖3 中訂單等級、產(chǎn)品工藝需求、交付期需求信息來自訂單處理模塊，算法步驟如下。

圖3 訂單承諾決策模塊運作流程圖

(1)產(chǎn)品生產(chǎn)周期預(yù)測模塊依據(jù)產(chǎn)品工藝需求和訂單等級信息輸出特定等級下的產(chǎn)品生產(chǎn)周期以及產(chǎn)品生產(chǎn)過程所占用分時段資源需求信息;

(2)訂單交付期決策模塊依據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)周期和交付期需求信息評估交付期滿足情況。若滿足要求，則進(jìn)入步驟(3)，執(zhí)行訂單產(chǎn)能分配模塊，否則轉(zhuǎn)入步驟(4)，執(zhí)行訂單級別調(diào)整;

(3)訂單產(chǎn)能分配模塊以相應(yīng)等級訂單的產(chǎn)能分配表扣除已承諾給其他需求的資源負(fù)荷作為可承諾產(chǎn)能，與該訂單占用的分時段資源需求進(jìn)行供需平衡，以評估產(chǎn)能是否滿足負(fù)荷。若滿足需求，則接受訂單，訂單承諾決策過程結(jié)束，否則進(jìn)入步驟(4)，執(zhí)行訂單級別調(diào)整;

(4)若是因交付期不能滿足需求而執(zhí)行訂單級別調(diào)整模塊，則評估是否提高訂單級別，若是因產(chǎn)能原因，則考慮提高或降低訂單級別。若同意調(diào)整訂單級別，則遞歸調(diào)用訂單承諾決策流程，即算法轉(zhuǎn)回步驟(1)，依據(jù)新訂單等級信息開始新一輪的訂單承諾決策;若不同意調(diào)整，則拒絕訂單，過程結(jié)束。

2.2 優(yōu)勢分析

與傳統(tǒng)方法相比，基于產(chǎn)能規(guī)劃的多等級訂單承諾流程(以下簡稱新流程)顯著提升了重要客戶的訂單滿足率、正常訂單準(zhǔn)時交付率和生產(chǎn)計劃的穩(wěn)定性。

面向多等級訂單承諾的產(chǎn)能規(guī)劃在需求管理的基礎(chǔ)上，為各等級訂單預(yù)先分配一定比例的專用產(chǎn)能。與FCFS 訂單處理規(guī)則不同，為重要客戶預(yù)留的這部分產(chǎn)能不因其他等級的客戶訂單先到達(dá)而被占用，因此新流程提高了重要客戶的訂單滿足率。同時，傳統(tǒng)方法中緊急訂單對正常訂單的生產(chǎn)周期波動性有重大的影響，而在新流程中通過為各級訂單預(yù)先分配專用產(chǎn)能，有效地隔離了緊急訂單對正常訂單生產(chǎn)周期的影響，從而降低了生產(chǎn)計劃的不穩(wěn)定性，且提高了正常訂單的準(zhǔn)時交付率。

在計算訂單的生產(chǎn)周期方面，新流程以產(chǎn)品的工藝需求、訂單等級和產(chǎn)能負(fù)荷為基礎(chǔ)預(yù)測產(chǎn)品生產(chǎn)周期，而非采用固定生產(chǎn)周期，因此新流程中的生產(chǎn)周期更接近現(xiàn)實，進(jìn)一步提高了訂單的準(zhǔn)時交付率。

在訂單的產(chǎn)能承諾方面，在新流程中需計算出產(chǎn)品在整個訂單期內(nèi)的分時段資源需求，時段單位較傳統(tǒng)方法更為精細(xì)，因此訂單的承諾將更為可靠。此外，在產(chǎn)能利用率方面，雖然新流程存在因預(yù)測的客戶訂單未到達(dá)而造成產(chǎn)能浪費的可能性，但產(chǎn)能的這種機會成本可以通過良好的產(chǎn)能規(guī)劃提高重要客戶的訂單滿足率而得以彌補。

2.3 流程實施技術(shù)

新流程的實施圍繞框架中的等級數(shù)確定、產(chǎn)能規(guī)劃、訂單處理和訂單承諾決策4 個主要模塊及其所涉及到的相關(guān)信息而展開。

訂單等級代表了客戶或訂單對企業(yè)績效的貢獻(xiàn)水平，可從產(chǎn)品單價、客戶的重要性等方面衡量。因為等級數(shù)越多則生產(chǎn)管理越復(fù)雜，所以晶圓制造企業(yè)通常要結(jié)合企業(yè)自身的管理水平和客戶訂單需求的特征來確定訂單優(yōu)先等級數(shù)，企業(yè)實務(wù)操作上一般分為3 ～5 級。

訂單管理層面的產(chǎn)能規(guī)劃屬于一種較高層次的供需協(xié)調(diào)決策，是實施新流程的重要內(nèi)容。產(chǎn)能規(guī)劃方案，即為不同等級訂單預(yù)先分配產(chǎn)能是影響客戶服務(wù)水平、產(chǎn)能利用率和企業(yè)的盈利能力等績效水平的重要因素。從客戶服務(wù)水平看，雖然緊急訂單預(yù)分配產(chǎn)能提高了重要客戶訂單的滿足率，但緊急訂單的百分比增加將造成非緊急訂單的平均生產(chǎn)周期大幅上升［6］，過多的緊急訂單預(yù)分配產(chǎn)能將延長正常訂單的生產(chǎn)周期。從產(chǎn)能利用率方面看，如果預(yù)測的客戶訂單未到達(dá)，那么單純地看新流程可能在一定程度上降低了產(chǎn)能利用率，但為重要客戶訂單預(yù)留產(chǎn)能的高回報率卻使得企業(yè)的利潤水平得以提升。因此，企業(yè)需在對客戶需求進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，權(quán)衡產(chǎn)能規(guī)劃方案對各等級客戶的服務(wù)水平和企業(yè)總體盈利能力的影響。

訂單處理模塊主要處理事務(wù)性活動，包括負(fù)責(zé)訂單交付期需求、產(chǎn)品工藝需求等信息的獲取以及確定訂單的等級。

訂單承諾決策模塊是實施新流程的核心，由于晶圓產(chǎn)品的生產(chǎn)周期長且高度不確定，使得預(yù)測難度加大，吸引了許多學(xué)者與工業(yè)界的關(guān)注。如CHEN 用模糊BP 網(wǎng)絡(luò)計算晶圓產(chǎn)品生產(chǎn)周期［7－8］;YANG 采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究晶圓產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和產(chǎn)出關(guān)系［9］;在三星電子的縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期與降低庫存項目的實施過程中，LEACHMAN 等采用離散事件仿真方法研究晶圓產(chǎn)品的生產(chǎn)周期影響問題［10］;BROWN 等則用排隊網(wǎng)絡(luò)理論研究IBM 晶圓制造廠的產(chǎn)能和產(chǎn)品生產(chǎn)周期問題［11］。關(guān)于晶圓產(chǎn)品生產(chǎn)周期的預(yù)測問題暫不做深入探討。

3 結(jié)論

在晶圓制造系統(tǒng)的生產(chǎn)特征和生產(chǎn)組織方式對晶圓產(chǎn)品生產(chǎn)周期的影響分析的基礎(chǔ)上，指出晶圓產(chǎn)品的工藝過程以及晶圓制造系統(tǒng)的生產(chǎn)特征和生產(chǎn)組織方式導(dǎo)致了訂單承諾決策的復(fù)雜性。由于當(dāng)前的訂單承諾實務(wù)方法在重要客戶訂單滿足率和訂單準(zhǔn)時交付率等方面的表現(xiàn)較差，為提高晶圓制造企業(yè)的訂單承諾決策水平，在對晶圓產(chǎn)品生產(chǎn)周期不確定性因素分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于產(chǎn)能規(guī)劃的多等級訂單承諾流程。在該流程中，為降低緊急訂單沖擊的影響，將訂單分設(shè)為多個等級，為各級預(yù)先分配一定產(chǎn)能。同時，該流程正視晶圓產(chǎn)品的生產(chǎn)周期與設(shè)備負(fù)荷相關(guān)這一事實，且要求考慮訂單產(chǎn)品的分時段產(chǎn)能需求。與訂單承諾實務(wù)方法相比，該流程能夠提高重要客戶訂單的滿足率和訂單準(zhǔn)時交付率。

值得注意的是，晶圓產(chǎn)品生產(chǎn)周期預(yù)測作為成功實施該流程的關(guān)鍵技術(shù)，由于問題本身的難度大，已成為當(dāng)前的研究熱點，有待深入研究。

［1］ EHTESHAMI B，PETRAKIAN R G，SHABE P M.Trade－offs in cycle time management:hot lots［J］.IEEE Transactions on，Semiconductor Manufacturing，1992，5(2):101－106.

［2］ FRONCKOWIAK D，PEIKERT A，NISHINOHARA K.Using discrete event simulation to analyze the impact of job priorities on cycle time in semiconductor manufacturing［C］// Advanced Semiconductor Manufacturing Conference and Workshop，ASMC 96 Proceedings.［S.l.］:IEEE/SEMI，1996:151－155.

［3］ JEONG B，SIM S B，JEONG H S，et al.An availableto－promise system for TFT LCD manufacturing in supply chain［J］. Computers ＆ Industrial Engineering，2002，43(1－2):191－212.

［4］ VANDAELE N，DE BOECK L. Advanced resource planning［J］. Robotics and Computer－Integrated Manufacturing，2003，19(1－2):211－218.

［5］ MOON Y B，PHATAK D. Enhancing ERP system's functionality with discrete event simulation［J］.Industrial Management ＆ Data Systems，2005，105(9):1206－1224.

［6］ NARAHARI Y，KHAN L M.Modeling the effect of hot lots in semiconductor manufacturing systems［J］.IEEE Transactions on，Semiconductor Manufacturing，1997，10(1):185－188.

［7］ CHEN T.A fuzzy back propagation network for output time prediction in a wafer fab［J］.Applied Soft Computing，2003，2(3):211－222.

［8］ CHEN T.Job cycle time estimation in a wafer fabrication factory with a bi－directional classifying fuzzy－neural approach［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2011，56(9):1007－1018.

［9］ YANG F.Neural network meta modeling for cycle time－throughput profiles in manufacturing［J］.European Journal of Operational Research，2010，205(1):172－185.

［10］LEACHMAN R C，KANG J，LIN V. SLIM:short cycle time and low inventory in manufacturing at Samsung electronics［J］. Interfaces，2002，32(1):61－77.

［11］ BROWN S M，HANSCHKE T，MEENTS I，et al.Queueing model improves IBM's semiconductor capacity and lead－time management［J］. Interfaces，2010，40(5):397－407.