王 祺 任庚坡

上海市節(jié)能監(jiān)察中心

0 引言

集成電路晶圓制造處于集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的終端，也是芯片開發(fā)設(shè)計成果的最終體現(xiàn)。上海市一直高度重視集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并將其作為承接國家戰(zhàn)略任務(wù)和打響“上海制造”品牌的重要產(chǎn)業(yè)之一。目前，上海擁有多家集成電路晶圓制造企業(yè)，近年來隨著企業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的變化，企業(yè)的能耗、產(chǎn)值均有明顯波動。因此，為了科學(xué)合理的評價企業(yè)的能效水平，需要構(gòu)建更為完善的能效評價體系，避免單一評價指標(biāo)所導(dǎo)致的偏差。

本文構(gòu)建的能效指數(shù)模型，可用于集成電路晶圓制造企業(yè)的能效水平評價，并能客觀反映能效變動的原因。同時，也為決策部門開展節(jié)能分析提供依據(jù)。

2 能效指數(shù)指標(biāo)體系與模型

能效指數(shù)是用來反映企業(yè)能效水平現(xiàn)狀和變化趨勢的評價指標(biāo)，本文參考統(tǒng)計指數(shù)的編制方法[1]，結(jié)合集成電路晶圓制造企業(yè)的生產(chǎn)工藝特點和生產(chǎn)狀況，考慮數(shù)據(jù)的可得性及指標(biāo)的實用性，構(gòu)建了能效指數(shù)指標(biāo)體系與計算模型。

2.1 指標(biāo)體系

能效指標(biāo)體系以“能效”為核心，以企業(yè)為主體分析對象[2]。選取影響企業(yè)能效水平的產(chǎn)品單耗、產(chǎn)值單耗、產(chǎn)能利用率、綜合節(jié)能率和能源消費成本的5個因素作為分析指標(biāo)，。這些分析指標(biāo)同時作為二級能效指數(shù)，可對企業(yè)進行單項能效指數(shù)評價分析。能效指數(shù)指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 能效指數(shù)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)圖

2.1.1產(chǎn)品單耗指數(shù)

產(chǎn)品單耗按式（1）計算[3]：

式中：

e——集成電路晶圓單位產(chǎn)品綜合能耗，單位：kWh/cm2；

E——集成電路晶圓產(chǎn)品綜合能耗，單位：kWh；

P——生產(chǎn)的合格晶圓產(chǎn)品總面積，單位：cm2。

產(chǎn)品單耗數(shù)值與能效水平呈負相關(guān)的關(guān)系，產(chǎn)品單耗數(shù)值越低能效水平越高。產(chǎn)品單耗指數(shù)根據(jù)統(tǒng)計期產(chǎn)品單耗指標(biāo)值與基期產(chǎn)品單耗指標(biāo)值的比值進行計算：

式中：

EEIa——產(chǎn)品單耗指數(shù)；

ei——統(tǒng)計期產(chǎn)品單耗，(kWh/cm2)；

ej——基期產(chǎn)品單耗，(kWh/cm2)。

產(chǎn)品單耗指數(shù)基準(zhǔn)值為100，高于基準(zhǔn)值表示能效水平低，低于基準(zhǔn)值表示能效水平高?；跒榻y(tǒng)計期對應(yīng)的上一期，若企業(yè)統(tǒng)計期和基期產(chǎn)品單耗水平均達到先進值水平，且統(tǒng)計期單耗數(shù)值大于上一期單耗數(shù)值，則產(chǎn)品單耗指標(biāo)的比值默認為1，即產(chǎn)品單耗指數(shù)為100。

（注：單耗先進值參考集成電路晶圓制造標(biāo)準(zhǔn)（DB31/506-2010））

2.1.2產(chǎn)值單耗指數(shù)

產(chǎn)值單耗按式（3）計算：

式中：

g——集成電路晶圓單位產(chǎn)值綜合能耗，單位：tce/萬元；

E——集成電路晶圓產(chǎn)品綜合能耗，單位：tce；

P——生產(chǎn)的合格晶圓產(chǎn)品的總產(chǎn)值，單位：萬元。

產(chǎn)值單耗數(shù)值與能效水平呈負相關(guān)的關(guān)系，產(chǎn)值單耗數(shù)值越低能效水平越高。產(chǎn)值單耗指數(shù)根據(jù)統(tǒng)計期產(chǎn)值單耗指標(biāo)與基期產(chǎn)值單耗指標(biāo)的比值進行計算：

式中：

EEIb——產(chǎn)值單耗指數(shù)；

gi——統(tǒng)計期產(chǎn)值單耗，單位：tce/萬元；

gj——基期產(chǎn)值單耗，單位：tce/萬元。

2.1.3產(chǎn)能利用率指數(shù)

產(chǎn)能利用率是指企業(yè)統(tǒng)計期內(nèi)實際產(chǎn)出的合格產(chǎn)品產(chǎn)量與建造時設(shè)計的統(tǒng)計期內(nèi)能產(chǎn)出的合格產(chǎn)品的產(chǎn)量的比值[4]，產(chǎn)能利用率按式（5）計算：

式中：

n——產(chǎn)能利用率，單位：%；

P——統(tǒng)計期內(nèi)實際產(chǎn)出的合格晶圓的產(chǎn)量，單位：cm2；

P0——統(tǒng)計期內(nèi)能產(chǎn)出的合格晶圓的產(chǎn)量，單位：cm2。

產(chǎn)能利用率數(shù)值與能效水平呈正相關(guān)，產(chǎn)能利用率數(shù)值越高能效水平越高。產(chǎn)能利用率指數(shù)根據(jù)統(tǒng)計期產(chǎn)能利用率指標(biāo)與上一期產(chǎn)能利用率指標(biāo)的比值的倒數(shù)進行計算：

式中：

EEIc——產(chǎn)能利用率指數(shù)；

ni——統(tǒng)計期產(chǎn)能利用率，單位：%；

nj——基期產(chǎn)能利用率，單位：%。

產(chǎn)能利用率指數(shù)基準(zhǔn)值為100。若企業(yè)統(tǒng)計期和上一期產(chǎn)能利用率均達到100%及以上，且統(tǒng)計期產(chǎn)能利用率小于上一期產(chǎn)能利用率，則產(chǎn)品單耗指標(biāo)的比值默認為1，即產(chǎn)能利用率指數(shù)為100。

2.1.4綜合節(jié)能率指數(shù)

綜合節(jié)能率是指企業(yè)統(tǒng)計期內(nèi)的節(jié)能量（產(chǎn)品節(jié)能量和技改節(jié)能量之和）與統(tǒng)計期綜合能耗的比值[5]，綜合節(jié)能率按式（7）計算：

式中：

z——綜合利用率，單位：%；

C——統(tǒng)計期產(chǎn)品單耗節(jié)能量（-表示節(jié)能、+表示耗能），單位：tce；

L——統(tǒng)計期節(jié)能技改節(jié)能量，單位：tce；

G——統(tǒng)計期企業(yè)綜合能耗，單位：tce。

綜合節(jié)能率數(shù)值與能效水平呈負相關(guān)的關(guān)系，綜合節(jié)能率數(shù)值越小能效水平越高。綜合節(jié)能率指數(shù)根據(jù)統(tǒng)計期產(chǎn)能利用率指標(biāo)與上一期產(chǎn)能利用率指標(biāo)的同期比進行計算：

式中：

EEId——綜合節(jié)能率指數(shù)；

zi——統(tǒng)計期綜合節(jié)能率，單位：%；

zj——基期綜合節(jié)能率，單位：%。

因產(chǎn)品單耗節(jié)能量數(shù)值可能為負數(shù)，會導(dǎo)致企業(yè)綜合節(jié)能率波動較大，所以綜合節(jié)能率的同期比結(jié)果取自然對數(shù)來降低綜合節(jié)能率數(shù)值的波動，并且規(guī)定如果統(tǒng)計期綜合節(jié)能率數(shù)值為負，則統(tǒng)計期綜合節(jié)能率指數(shù)為負值，反之則為正值。

2.1.5能源消費成本指數(shù)

能源消費成本是指企業(yè)統(tǒng)計期生產(chǎn)過程所消耗的一次、二次能源金額及耗能工質(zhì)的費用之和占生產(chǎn)總成本的比例，能源消費成本指標(biāo)按式（9）計算：

式中：

x——能源消費成本，單位：%；

s——統(tǒng)計期生產(chǎn)過程能耗費用，單位：萬元；

s0——統(tǒng)計期生產(chǎn)總成本，單位：萬元。

能源消費成本與能效水平呈負相關(guān)的關(guān)系，能源消費成本占生產(chǎn)總成本越低能效水平越高。能源消費成本指數(shù)根據(jù)統(tǒng)計期能源消費成本指標(biāo)與上一期能源消費成本指標(biāo)的比值進行計算：

式中：

EEIe——能源消費成本指數(shù)；

xi——統(tǒng)計期能源消費成本，單位：%；

xj——基期能源消費成本，單位：%。

2.2 能效指數(shù)模型

根據(jù)能效指數(shù)的指標(biāo)體系，能效指數(shù)可由各指標(biāo)指數(shù)與對應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重乘積之和計算得到：

式中：

EEI——能效指數(shù)；

EEIi——第i個二級能效指數(shù)；

Wi——第i個二級能效指標(biāo)的權(quán)重，單位：%。

規(guī)定能效指數(shù)EEI的基準(zhǔn)值為100，若EEI大于100則表示能效水平低，若EEI小于100則表示能效水平高。能效指數(shù)大小與能效水平高低關(guān)系如圖2所示：

圖2 能效指數(shù)大小與能效水平高低關(guān)系

5個二級能效指標(biāo)的權(quán)重采用層次分析法來確定。層次分析法是一種定性和定量相結(jié)合的分析決策方法。該方法將復(fù)雜問題分解為若干層次和若干因素，對指標(biāo)之間重要程度做出比較判斷，通過建立判斷矩陣，計算判斷矩陣的最大特征值及特征向量，得出各個指標(biāo)的權(quán)重值。

通過向?qū)＜野l(fā)放咨詢表的方式，匯總各專家評分表得到二級能效指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣，根據(jù)層次分析法經(jīng)計算得到產(chǎn)品單耗指數(shù)、產(chǎn)值單耗指數(shù)、產(chǎn)能利用率指數(shù)、綜合節(jié)能率指數(shù)、能源消費成本指數(shù)5個二級能效指標(biāo)的權(quán)重值向量Wi=[0．4793，0．3361，0．0703，0．0753，0．039]（最大特征向量λ=5．318），且一致性檢驗結(jié)果CR=0．071＜0．1，即判斷矩陣一致性可接受。

3 算例及分析

3.1 指數(shù)計算

本文選取上海市規(guī)模較大的三家集成電路晶圓制造企業(yè)為研究對象，以2014-2017年為計算周期，根據(jù)（1）～（10）各能效指標(biāo)指數(shù)計算公式，得到各企業(yè)2015-2017年5個二級能效指標(biāo)指數(shù)計算結(jié)果，見表1。

由能效指數(shù)計算模型，式（11）可計算出三家企業(yè)的2015-2017年能效指數(shù)為：

2017 年，（企業(yè) A，企業(yè) B，企業(yè) C）=（98．8，88．0，67．4）

表1 企業(yè)能效指標(biāo)指數(shù)計算結(jié)果

2016 年，（企業(yè) A，企業(yè) B，企業(yè) C）=（63．7，108．7，103．3）

2015 年，（企業(yè) A，企業(yè) B，企業(yè) C）=（87．6，80．1，76．6）

3.2 結(jié)果分析

三家企業(yè)2015-2017年間能效水平總體低于基準(zhǔn)線，能效水平較高，如圖3所示。

圖3 3家企業(yè)2015-2017年能效指數(shù)趨勢圖

2016年三家企業(yè)能效指數(shù)波動差異較大，主要由于產(chǎn)品單耗同比變化幅度較大造成，且導(dǎo)致綜合節(jié)能率降低，具體見表2。

表2 2016年企業(yè)節(jié)能量對比

表中可以看出企業(yè)A在2016年綜合節(jié)能量最大，主要由于產(chǎn)品單耗同比顯著下降并通過實施節(jié)能技術(shù)改造降低了企業(yè)生產(chǎn)能耗，因而綜合節(jié)能率也大幅提升。

4 結(jié)語與展望

通過建立能效指數(shù)模型，能夠客觀整體反映集成電路晶圓制造企業(yè)的能效水平。相關(guān)企業(yè)可通過該模型來判斷企業(yè)能效水平的高低并找到提高能效的著力點，政府管理部門也可通過該模型來評判集成電路晶圓制造行業(yè)整體的能效水平，為制定相關(guān)發(fā)展政策提供數(shù)據(jù)支撐。

本文算例采用了3家企業(yè)的年度數(shù)據(jù)，后續(xù)可通過獲取各集成電路晶圓制造企業(yè)月度的能效指標(biāo)數(shù)據(jù)，對各企業(yè)的月度能效指數(shù)進行計算分析。同時，可對能效指數(shù)的范圍進行合理分類，使對能效水平的評判更為精細化。