基于FMEA拓展的芯片研發(fā)項目風(fēng)險管理研究*

余燎原 倪楓 劉姜 周奕寧 張敬鴻 拓開慧

(上海理工大學(xué)管理學(xué)院，上海 200093)

0 引言

中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年，我國集成電路產(chǎn)業(yè)首次突破萬億元，銷售額達10 458.3億元，同比增長18.2%。其中設(shè)計業(yè)銷售額達4519億元，同比增長19.6%；制造業(yè)銷售額達3176億元，同比增長24.1%；封測行業(yè)銷售額達2763億元，同比增長10.1%。

然而，集成電路產(chǎn)業(yè)仍面臨產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱、高端芯片供給不足等問題。從全球范圍看，企業(yè)體量較小，企業(yè)創(chuàng)新能力受規(guī)模、盈利能力等限制，特別是在芯片研發(fā)企業(yè)中面臨的不確定風(fēng)險因素較多，進行系統(tǒng)的風(fēng)險管理十分必要[1-2]。

1 基于FMEA拓展的模糊綜合評價方法

1.1 FMEA方法概述

首先，需建立一個跨職能的團隊，并通過進行系統(tǒng)的頭腦風(fēng)暴識別產(chǎn)品、過程或系統(tǒng)所有潛在故障模式；其次，風(fēng)險測量需要根據(jù)風(fēng)險優(yōu)先級數(shù)(Risk Priority Number，RPN)進行分析，風(fēng)險優(yōu)先級數(shù)由三個風(fēng)險因素相乘而得，其中包括發(fā)生率(O)或故障發(fā)生的概率；嚴重性(S)或故障的嚴重程度；檢測(D)或故障發(fā)生前的故障檢測能力(RPN=O×S×D)；最后，將RPN值進行由高到底的排序，值最高的風(fēng)險最大，然后針對O、S、D三個方面采取措施來降低RPN值，從而降低風(fēng)險優(yōu)先級數(shù)。FMEA是一種工具，用于識別和消除已知或潛在故障，以提高系統(tǒng)的可靠性，并為風(fēng)險管理決策提供信息。FMEA優(yōu)點包括遵循邏輯和結(jié)構(gòu)化的方法確定所關(guān)注的領(lǐng)域；允許早期識別故障點；實現(xiàn)了對每個功能單元故障的風(fēng)險分析的改進[3]。基于FMEA的研發(fā)項目分解圖如圖1所示。

1.2 模糊綜合評價方法原理和步驟

FMEA方法的缺點是依賴專家的主觀性比較強，考慮到專家的個人狀況以及專家意見的一致程度和信任程度，本文采用層次分析法確定各風(fēng)險因素的權(quán)重。此外，針對芯片研發(fā)項目存在風(fēng)險評估難以量化、FMEA評估方法主觀和無法評價項目總風(fēng)險的問題，采用模糊綜合評價對項目進行風(fēng)險評估。下面具體介紹其原理和步驟[3]。

1.2.1 確定因素集A

用FMEA方法在對項目進行風(fēng)險識別后，得到風(fēng)險因素集A，項目風(fēng)險分層圖如圖2所示。

圖2 項目風(fēng)險分層圖

第一層風(fēng)險因素集A=(A1，A2，…，Am)。

第二層風(fēng)險因素子集A=(Ai1，Ai2，…，Ain)(i=1，2，…，m)。

1.2.2 確定因素的權(quán)重集W

采用層次分析法確定比較矩陣，對風(fēng)險主因素進行重要性比較。重要性判斷標(biāo)準(zhǔn)見表1。如果因素Ai比Aj比較重要，則打分為aij；如果因素Aj比Ai比較重要，則打分為1/aij，得到因素比較矩陣公式如下

表1 重要性判斷標(biāo)準(zhǔn)表

表2 主因素層判斷矩陣及權(quán)重表

依次計算各比較矩陣最大特征根λmax及特征向量，其特征向量是對應(yīng)因素的權(quán)重矩陣Wi。對矩陣Wi進行一致性檢驗，一致性指標(biāo) CI=(λmax-n)/(n-1)，n為矩陣階數(shù)。一致性比例CR=(CI)/(RI)，當(dāng)CR<0.1時，則說明該權(quán)重矩陣合理；當(dāng)CR>0.1時，則重新修改比較矩陣，直到CR<0.1。其中RI的值可通過查表獲得。

1.2.3 確定評判集及評判矩陣

評判集是對風(fēng)險因素模糊評判的標(biāo)準(zhǔn)。對于難以量化的因素，通過用模糊性語言進行評判，本文將評判等級分為5個等級，V1、V2、V3、V4、V5，分別對應(yīng)很大、較大、一般、較小、很小，并確定每個等級的數(shù)值。項目評判組成員對所有風(fēng)險因素進行評判，數(shù)值=每個等級的選中人數(shù)/總的人數(shù)。例如，評判因素A1的風(fēng)險為“很大”的人數(shù)是m，參與評判人數(shù)為n，則該風(fēng)險因素等級“很大”的評判值為m/n。

對第二層每個子集的每個因素進行模糊評判，得到模糊評判矩陣公式如下

1.2.4 綜合評價

Vi表示第二層每個因素子集的評判矩陣，Wi表示第二層每個因素子集的權(quán)重矩陣，得到第二層第i子集的評價矩陣公式如下

項目風(fēng)險的總評模糊矩陣公式如下

B=(B1B2…Bm)

項目風(fēng)險的總的評價向量公式如下

B=W×B

項目風(fēng)險的綜合隸屬度公式如下

P=D×V

綜合隸屬度為該項目風(fēng)險的總評結(jié)果，對比風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)可得該項目的風(fēng)險情況。

2 案例分析

F公司是上海一家高新技術(shù)芯片設(shè)計企業(yè)。組織項目專家評判小組進行基于失效模式的風(fēng)險識別，可以得出項目的主要風(fēng)險為外部風(fēng)險、技術(shù)風(fēng)險、管理風(fēng)險和安全風(fēng)險4個方面，芯片研發(fā)項目風(fēng)險匯總圖如圖3所示。

2.1 確定因素集

該項目的風(fēng)險共分為兩層，第一層為4個風(fēng)險主因素，即

A={A1(外部風(fēng)險)A2(技術(shù)風(fēng)險)A3(管理風(fēng)險)A4(安全風(fēng)險)}

每個風(fēng)險主因素的子集分別為

A1=(A11，A12，A13，A14)

A2=(A21，A22，A23，A24，A25，A26，A27)

A3=(A31，A32，A33，A34)

A4=(A41，A42，A43，A44)

2.2 確定權(quán)重集

根據(jù)圖3所示，本項目共有4個主風(fēng)險因素和19個具體風(fēng)險因素，采用層次分析法分別確定其權(quán)重。對4個主風(fēng)險因素及其子集分別進行兩兩比較，得到因素比較矩陣，分別求出最大特征根λmax及特征向量，其特征向量就是對應(yīng)因素的權(quán)重矩陣，然后進行一致性檢驗[4]。

外部風(fēng)險、技術(shù)風(fēng)險、管理風(fēng)險及安全風(fēng)險權(quán)重分別為

W1=(0.356 2 0.325 0 0.193 7 0.125 1)

W2=(0.235 1 0.308 9 0.086 1 0.077 5 0.091 5 0.068 9 0.132 1)

W3=(0.292 3 0.379 7 0.212 8 0.115 1)

W4=(0.367 6 0.339 8 0.178 1 0.114 5)

主因素風(fēng)險層權(quán)重為

W=(0.293 9 0.479 0 0.133 4 0.093 7)

2.3 確定評判集、評判矩陣及綜合評價

芯片研發(fā)項目采用高新技術(shù)較多，項目研發(fā)經(jīng)驗較少，難以定量評判。因此，本項目選取5個等級的模糊語言，即V={很大，較大，一般，較小，很小}，作為每個風(fēng)險的評判向量，Vi(i=1，2，3，4)分別表示外部風(fēng)險、技術(shù)風(fēng)險、管理風(fēng)險、安全風(fēng)險的評判矩陣。

各個因素的評價矩陣為Bi=Wi×Vi(i=1，2，3，4)

外部風(fēng)險評價矩陣為

B1=W1×V1

=(0.356 2 0.325 0 0.193 7 0.125 1)×

=(0.139 4 0.416 9 0.309 4 0.134 4 0.000 0)

同理可以得到

B2=(0.302 9 0.207 3 0.200 0 0.204 0 0.085 9)

B3=(0.336 0 0.336 0 0.216 3 0.111 6 0.046 0)

B4=(0.000 0 0.034 3 0.215 9 0.544 3 0.205 5)

項目總的風(fēng)險評價矩陣公式如下

D=W×(B1B2B3B4)T

=(0.293 9 0.479 0 0.133 4 0.0937)×

=(0.230 9 0.269 9 0.235 8 0.203 1 0.066 5)

綜上可得項目總的評判結(jié)果、4個主風(fēng)險因素的評判結(jié)果及評判集V=(0.9，0.7，0.5，0.3，0.1)，風(fēng)險隸屬度為P=Bi×VT

外部風(fēng)險因素隸屬度為

C1=B1×VT

=(0.139 4 0.416 9 0.309 4 0.134 4 0.000 0)×

技術(shù)風(fēng)險因素隸屬度為C2=B2×VT=0.587 5

管理風(fēng)險因素隸屬度為C3=B3×VT=0.683 8

安全風(fēng)險因素隸屬度為C4=B4×VT=0.315 8

項目總的風(fēng)險隸屬度為C=D×VT=0.582 2

項目專家組根據(jù)芯片研發(fā)項目情況制定該項目的風(fēng)險評價尺度，本項目風(fēng)險狀況共分為5級，見表3。

表3 項目風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)表

經(jīng)與風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)比較，本項目風(fēng)險等級為三級，項目運行過程中偶爾會出現(xiàn)較大問題，但基本在可控范圍內(nèi)。管理風(fēng)險對項目影響最大，其次是外部風(fēng)險，再次是安全風(fēng)險。外部、技術(shù)和管理三方面都應(yīng)采取措施盡量使項目總風(fēng)險降到二級及以下。

3 結(jié)語

本文采用擴展FMEA的模糊綜合評價方法，結(jié)合芯片研發(fā)項目的行業(yè)背景，針對芯片研發(fā)項目進行定量的風(fēng)險評估，得到項目總體風(fēng)險等級，以及外部、技術(shù)、管理和安全4個方面的風(fēng)險等級，并通過案例驗證擴展后的FMEA方法在芯片研發(fā)項目風(fēng)險管理中的有效性。