供應(yīng)鏈環(huán)境下基于CONWIP的生產(chǎn)控制策略建模研究

[摘要] 在供應(yīng)鏈環(huán)境下，半導(dǎo)體生產(chǎn)線具有可重入性、復(fù)雜性、不確定性、多目標(biāo)和多約束等特點(diǎn)，其生產(chǎn)控制策略，以及優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題是近年來(lái)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。本文以半導(dǎo)體產(chǎn)品供應(yīng)鏈為研究對(duì)象，提出基于CONWIP思想的供應(yīng)鏈控制策略，并對(duì)其建模和評(píng)價(jià)指標(biāo)做了一定的研究，為整個(gè)供應(yīng)鏈上生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、布局和規(guī)劃提供了依據(jù)。

[關(guān)鍵詞] CONWIP半導(dǎo)體生產(chǎn)線控制策略建模

一、引言

對(duì)于制造型企業(yè)來(lái)說(shuō)，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的可以通過(guò)降低在制品庫(kù)存量、縮短交貨期、改善優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)線的柔性等方法進(jìn)行解決。

從物料在生產(chǎn)線上的流動(dòng)控制來(lái)看，可分為推式(push)和拉式(pull)。推式生產(chǎn)控制系統(tǒng)以物料需求計(jì)劃(MRPⅠ)和制造資源計(jì)劃(MR PⅡ)為代表;拉式生產(chǎn)系統(tǒng)以看板(Kanban)系統(tǒng)為代表。

隨著IT產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體生產(chǎn)線引起了人們的關(guān)注。半導(dǎo)體晶元制造系統(tǒng)一個(gè)循環(huán)重入的過(guò)程，機(jī)器種類多、成品率波動(dòng)大，制造流程復(fù)雜且重入度高，相似的步驟順序要重復(fù)20～30次，每次重復(fù)叫做一層，不同層或不同器件的加工流程需要競(jìng)爭(zhēng)使用生產(chǎn)資源。如何結(jié)合半導(dǎo)體生產(chǎn)線的特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)一種生產(chǎn)控制策略，提高半導(dǎo)體生產(chǎn)的良品率，降低平均生產(chǎn)周期，是一個(gè)有重要研究?jī)r(jià)值的問(wèn)題。

二、半導(dǎo)體制造行業(yè)的CONWIP供應(yīng)鏈

1.半導(dǎo)體供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的結(jié)構(gòu)具體可以細(xì)分成以下部分:IC設(shè)計(jì)公司、原材料供應(yīng)商、晶圓制造廠、針測(cè)廠、晶圓測(cè)試廠、封裝廠、晶片測(cè)試廠和裝配(最終客戶)。在該供應(yīng)鏈上，從IC設(shè)計(jì)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)鏈中不同企業(yè)的制造加工、測(cè)試、組裝等過(guò)程，最終滿足用戶的需求。其各個(gè)節(jié)點(diǎn)企業(yè)的主要任務(wù)(功能)如下:

IC設(shè)計(jì)公司。它位于半導(dǎo)體供應(yīng)鏈最上游，是整個(gè)供應(yīng)鏈體系的驅(qū)動(dòng)者。負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)半導(dǎo)體產(chǎn)品的功能與結(jié)構(gòu)。個(gè)性化需求使得IC 設(shè)計(jì)公司必須切實(shí)掌握顧客的訂單需求。

原材料供應(yīng)商。半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的源頭，提供生產(chǎn)所需的原材料。包括晶圓及各種試劑等。

晶圓制造廠。其生產(chǎn)線的運(yùn)作是一個(gè)復(fù)雜的離散過(guò)程，同時(shí)也是一個(gè)多重入的生產(chǎn)過(guò)程，相似的步驟順序要重復(fù)20～30，每次重復(fù)或不同器件的加工流程需要競(jìng)爭(zhēng)使用一些生產(chǎn)資源。最后，硅芯片上的晶體管通過(guò)各種復(fù)雜繁瑣的制造過(guò)程連接起來(lái)形成所需回路 ， 這一過(guò)程可能包含 300 多個(gè)單獨(dú)的制造步驟。

針測(cè)廠。晶圓制造完成后，被切割成單個(gè)電路，即晶粒。主要任務(wù)是對(duì)晶圓進(jìn)行分類。

晶圓測(cè)試廠。通過(guò)測(cè)試的晶圓進(jìn)入封裝階段。晶圓測(cè)試與封裝是緊密相關(guān)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

封裝廠。在封裝廠完成了晶圓的封裝。晶片測(cè)試廠。對(duì)于不符合條件的將處理掉。

最終客戶。 通過(guò)最終測(cè)試的晶圓即可運(yùn)送至客戶，或按照需求將其裝配成某一組件。

2.半導(dǎo)體供應(yīng)鏈存在的問(wèn)題

目前中國(guó)半導(dǎo)體制造企業(yè)存在問(wèn)題中最為顯著的是存貨與晶粒庫(kù)存水平過(guò)高引起的成本負(fù)擔(dān)，由于市場(chǎng)需求的變動(dòng)較大，存貨作為緩沖池的功能，能夠用以面對(duì)突變的市場(chǎng)運(yùn)作，但是過(guò)高的庫(kù)存將占用大量的流動(dòng)資金，耗費(fèi)大量的人力物力財(cái)力，而過(guò)低的庫(kù)存卻會(huì)影響到整個(gè)供應(yīng)鏈的顧客服務(wù)水平，損害了企業(yè)的形象，流失顧客造成經(jīng)濟(jì)損失。因此本文將應(yīng)用CONWIP庫(kù)存控制理論來(lái)進(jìn)行半導(dǎo)體供應(yīng)鏈在制品庫(kù)存控制，優(yōu)化半導(dǎo)體供應(yīng)鏈。

三、半導(dǎo)體制造行業(yè)CONWIP供應(yīng)鏈建模型

首先，將該供應(yīng)鏈的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整合，整合后可分為以下四個(gè)部分(階段):IC設(shè)計(jì)和原材料供應(yīng)、晶圓制造及分類(針測(cè))、晶圓測(cè)試與封裝、晶片測(cè)試和裝配。其次，在不同的階段采用不同的控制策略，將“推”式模型的效率性和“拉”式模型的靈活性結(jié)合起來(lái)為。最后，建立一定的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)供應(yīng)鏈的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.假設(shè)

在建立半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的CONWIP/PUSH供應(yīng)鏈數(shù)學(xué)模型前，有必要做如下假設(shè):

(1)將所研究的供應(yīng)鏈劃分為四個(gè)環(huán)節(jié):IC設(shè)計(jì)及原材料生產(chǎn)(準(zhǔn)備);晶圓制造及分類(針測(cè));晶圓測(cè)試及封裝;晶片測(cè)試及裝配。(2)IC設(shè)計(jì)能力遠(yuǎn)大于晶圓制造廠的產(chǎn)能。(3)供應(yīng)鏈上各企業(yè)節(jié)點(diǎn)處的安全庫(kù)存量ss各不相同，且供貨提前期LT也不相同。(4)存在缺貨現(xiàn)象(即無(wú)法及時(shí)滿足訂單需求)。(5)原材料的供應(yīng)能力無(wú)限制。(6)不考慮供應(yīng)鏈各節(jié)點(diǎn)間的運(yùn)輸延遲。

2.模型

根據(jù)CONWIP、PUSH等控制模型的原理以及以上假設(shè)，對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化——建立CONWIP/PUSH供應(yīng)鏈管理模式。如下圖:

(1)各節(jié)點(diǎn)企業(yè)上零部件的庫(kù)存量

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，表示在t時(shí)刻能供應(yīng)裝配的晶圓片數(shù)量，其計(jì)算公式為

(5)

表示t時(shí)刻，半導(dǎo)體的總需求量，其計(jì)算公式為

(6)

表示在t時(shí)刻可能積壓的顧客訂單數(shù)量。

(7)

而各節(jié)點(diǎn)企業(yè)在t時(shí)刻的生產(chǎn)量如下:

(8)

(9)

又假設(shè)條件(2)、(5)可知:(10)

(2)可能的缺貨量

在供應(yīng)鏈的各節(jié)點(diǎn)處可能存在缺貨(除第一階段)，則第 2、3階段的可能缺貨數(shù)量為:

(11)

(12)

3.評(píng)價(jià)指標(biāo)

多少的庫(kù)存量才算是最佳(合理)的呢?下面給出判斷依據(jù)TI。

TI表示在整個(gè)供應(yīng)鏈上的各節(jié)點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的平均在制品數(shù)量，TI很小時(shí)，表明該供應(yīng)鏈的有效性好，反之則差。計(jì)算公式如下:

(13)

注:各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的庫(kù)存設(shè)置不同的權(quán)重，

然而，在降低整條供應(yīng)鏈的庫(kù)存水平時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)訂單的積壓甚至訂單的丟失，因此可以用平均積壓的訂單數(shù)量 來(lái)衡量該供應(yīng)鏈的顧客服務(wù)水平，其計(jì)算公式如下:

(14)

由公式(13)、(14)可知:TI與 出現(xiàn)不一致，當(dāng)TI減小時(shí)， 將增大;當(dāng)TI增大時(shí)， 則減小。因而可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)整供應(yīng)鏈上的TI與 以達(dá)到兩者的均衡。也可以通過(guò)調(diào)整 來(lái)優(yōu)化整條供應(yīng)鏈。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析生產(chǎn)系統(tǒng)中的CONWIP生產(chǎn)控制模式的基本思想及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并將其運(yùn)用到半導(dǎo)體制造行業(yè)的供應(yīng)鏈中。在對(duì)半導(dǎo)體制造多重入特點(diǎn)以及供應(yīng)鏈運(yùn)作特點(diǎn)的分析基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈庫(kù)存管理模式——供應(yīng)鏈環(huán)境下的CONWIP生產(chǎn)控制策略，并建立了數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行模型分析和驗(yàn)證。該模式為半導(dǎo)體制造系統(tǒng)提出一個(gè)全面而通用的生產(chǎn)調(diào)度策略，在理論上能降低整條供應(yīng)鏈的庫(kù)存、提高顧客服務(wù)水平，可以指導(dǎo)半導(dǎo)體行業(yè)優(yōu)化庫(kù)存管理。

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