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，其生產(chǎn)控制策略，以及優(yōu)化調(diào)度問題是近年來控制領(lǐng)域的一個重要研究方向。本文以半導(dǎo)體產(chǎn)品供應(yīng)鏈為研究對象，提出基于CONWIP思想的供應(yīng)鏈控制策略，并對其建模和評價指標(biāo)做了一定的研究，為整個供應(yīng)鏈上生產(chǎn)線的設(shè)計、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

對于制造型企業(yè)來說，提高企業(yè)競爭力的可以通過降低在制品庫存量、縮短交貨期、改善優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)線的柔性等方法進行解決。

從物料在生產(chǎn)線上的流動控制來看，可分為推式(push)和拉式(pull)。推式生產(chǎn)控制系統(tǒng)以物料需求計劃(MRPⅠ)和制造資源計劃(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)一個循環(huán)重入的過程，機器種類多、成品率波動大，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爭使用生產(chǎn)資源。如何結(jié)合半導(dǎo)體生產(chǎn)線的特點， 設(shè)計一種生產(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，是一個有重要研究價值的問題。

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)具體可以細分成以下部分:IC設(shè)計公司、原材料供應(yīng)商、晶圓制造廠、針測廠、晶圓測試廠、封裝廠、晶片測試廠和裝配(最終客戶)。在該供應(yīng)鏈上，從IC設(shè)計開始，經(jīng)過鏈中不同企業(yè)的制造加工、測試、組裝等過程，最終滿足用戶的需求。其各個節(jié)點企業(yè)的主要任務(wù)(功能)如下:

IC設(shè)計公司。它位于半導(dǎo)體供應(yīng)鏈最上游，是整個供應(yīng)鏈體系的驅(qū)動者。負責(zé)設(shè)計半導(dǎo)體產(chǎn)品的功能與結(jié)構(gòu)。個性化需求使得IC 設(shè)計公司必須切實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)線的運作是一個復(fù)雜的離散過程，同時也是一個多重入的生產(chǎn)過程，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爭使用一些生產(chǎn)資源。最后，硅芯片上的晶體管通過各種復(fù)雜繁瑣的制造過程連接起來形成所需回路 ， 這一過程可能包含 300 多個單獨的制造步驟。

針測廠。晶圓制造完成后，被切割成單個電路，即晶粒。主要任務(wù)是對晶圓進行分類。

晶圓測試廠。通過測試的晶圓進入封裝階段。晶圓測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。晶片測試廠。對于不符合條件的將處理掉。

最終客戶。 通過最終測試的晶圓即可運送至客戶，或按照需求將其裝配成某一組件。

2.半導(dǎo)體供應(yīng)鏈存在的問題

目前中國半導(dǎo)體制造企業(yè)存在問題中最為顯著的是存貨與晶粒庫存水平過高引起的成本負擔(dān)，由于市場需求的變動較大，存貨作為緩沖池的功能，能夠用以面對突變的市場運作，但是過高的庫存將占用大量的流動資金，耗費大量的人力物力財力，而過低的庫存卻會影響到整個供應(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)濟損失。因此本文將應(yīng)用CONWIP庫存控制理論來進行半導(dǎo)體供應(yīng)鏈在制品庫存控制，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)點進行整合，整合后可分為以下四個部分(階段):IC設(shè)計和原材料供應(yīng)、晶圓制造及分類(針測)、晶圓測試與封裝、晶片測試和裝配。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)合起來為。最后，建立一定的評價指標(biāo)對供應(yīng)鏈的優(yōu)化結(jié)果進行評價。

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)鏈劃分為四個環(huán)節(jié):IC設(shè)計及原材料生產(chǎn)(準(zhǔn)備);晶圓制造及分類(針測);晶圓測試及封裝;晶片測試及裝配。(2)IC設(shè)計能力遠大于晶圓制造廠的產(chǎn)能。(3)供應(yīng)鏈上各企業(yè)節(jié)點處的安全庫存量ss各不相同，且供貨提前期LT也不相同。(4)存在缺貨現(xiàn)象(即無法及時滿足訂單需求)。(5)原材料的供應(yīng)能力無限制。(6)不考慮供應(yīng)鏈各節(jié)點間的運輸延遲。

2.模型

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

(1)各節(jié)點企業(yè)上零部件的庫存量

(1)

(2)

(3)

(4)

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

(5)

表示t時刻，半導(dǎo)體的總需求量，其計算公式為

(6)

表示在t時刻可能積壓的顧客訂單數(shù)量。

(7)

而各節(jié)點企業(yè)在t時刻的生產(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.評價指標(biāo)

多少的庫存量才算是最佳(合理)的呢?下面給出判斷依據(jù)TI。

TI表示在整個供應(yīng)鏈上的各節(jié)點達到穩(wěn)定時的平均在制品數(shù)量，TI很小時，表明該供應(yīng)鏈的有效性好，反之則差。計算公式如下:

(13)

注:各個節(jié)點處的庫存設(shè)置不同的權(quán)重，

然而，在降低整條供應(yīng)鏈的庫存水平時，可能會出現(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 來衡量該供應(yīng)鏈的顧客服務(wù)水平，其計算公式如下:

(14)

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

四、結(jié)束語

本文通過分析生產(chǎn)系統(tǒng)中的CONWIP生產(chǎn)控制模式的基本思想及其實現(xiàn)過程，并將其運用到半導(dǎo)體制造行業(yè)的供應(yīng)鏈中。在對半導(dǎo)體制造多重入特點以及供應(yīng)鏈運作特點的分析基礎(chǔ)上，提出了一種改進的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈庫存管理模式——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，并進行模型分析和驗證。該模式為半導(dǎo)體制造系統(tǒng)提出一個全面而通用的生產(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)化庫存管理。

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