1.2.1　調(diào)度特點

半導(dǎo)體制造系統(tǒng)與傳統(tǒng)的作業(yè)車間(job?shop)及流水車間(flow?shop)的生產(chǎn)模式不同。無論是作業(yè)車間還是流水車間,工藝流程上的不同工序需要在不同的設(shè)備上完成。而半導(dǎo)體制造系統(tǒng)的一個顯著特點是,工件的不同工序可能重復(fù)訪問同一設(shè)備,從而造成大量的重入加工流程。Kumar于20世紀(jì)90年代將半導(dǎo)體制造系統(tǒng)定義為繼作業(yè)車間和流水車間之后發(fā)展起來的第三類生產(chǎn)系統(tǒng)——重入式生產(chǎn)系統(tǒng)。隨著集成電路性能的復(fù)雜化以及元件尺寸的小型化,半導(dǎo)體制造工藝變得更加復(fù)雜和精細(xì)[16]。因此,半導(dǎo)體制造被公認(rèn)是當(dāng)前最復(fù)雜的制造系統(tǒng)之一,其調(diào)度問題也得到了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的普遍關(guān)注,成為當(dāng)今控制及工業(yè)工程領(lǐng)域的研究熱點。

從研究調(diào)度問題的角度出發(fā),制造系統(tǒng)主要有兩種模式:job?shop和flow?shop。半導(dǎo)體生產(chǎn)線因其明顯的重入特征而與上述兩種典型模式有較大的區(qū)別,其調(diào)度問題不僅具有一般調(diào)度問題所具有的特點,而且還具有下述明顯的特殊復(fù)雜性。

(1)非零初始狀態(tài)

前已述及,半導(dǎo)體硅片的平均加工周期較長,一般為幾十天。在這段時間內(nèi),每天都會有新的硅片不斷投入生產(chǎn)線進(jìn)行加工,而不是等生產(chǎn)線上所有硅片加工完畢后再投入新硅片。因此,初始對半導(dǎo)體生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)度時,生產(chǎn)線上已經(jīng)有大量硅片在加工,或處于待加工狀態(tài),或處于正在加工狀態(tài)。這種不為零的初始狀態(tài)是半導(dǎo)體制造系統(tǒng)調(diào)度問題所具有的重要特點之一。

(2)大規(guī)模

半導(dǎo)體生產(chǎn)線由上百臺設(shè)備組成,每種產(chǎn)品的工藝流程包括幾百道加工工序,而生產(chǎn)線上同時流動的產(chǎn)品種類也可能多達(dá)上百種。這使得半導(dǎo)體生產(chǎn)線的調(diào)度問題比典型調(diào)度問題的規(guī)模要大得多,從而使得問題的復(fù)雜性及求解難度大幅增長。在生產(chǎn)過程中,車間中的工件、設(shè)備、操作人員、物流傳送系統(tǒng)以及緩沖區(qū)之間是相互影響相互制約的[17]。因此,不僅要考慮每個工件的裝載和加工時間、設(shè)備數(shù)量、系統(tǒng)緩沖能力和工件加工順序等資源因素,還要考慮人員的操作熟練程度等不確定因素,甚至要考慮各類動態(tài)事件對調(diào)度的影響。因此,車間作業(yè)的調(diào)度問題實際上是一個擁有諸多約束條件的組合優(yōu)化問題。隨著調(diào)度規(guī)模的增大,求得可行解所需的計算量呈指數(shù)增長,得到最優(yōu)解或者近優(yōu)解的可能性越來越小。

(3)不確定性

半導(dǎo)體生產(chǎn)線調(diào)度問題的不確定性主要表現(xiàn)在以下三個方面。

① 任務(wù)總數(shù)不確定:在實際的半導(dǎo)體生產(chǎn)線上,每天都在不斷投入新的硅片進(jìn)行加工,但只能知道一段時間(如一日或三日)內(nèi)新投入的硅片數(shù),而總的硅片數(shù)是不確定的。

② 不確定性事件:半導(dǎo)體制造系統(tǒng)中存在的大量不確定性事件通常會引起生產(chǎn)線狀態(tài)的改變,因此,有必要考慮這些不確定事件對半導(dǎo)體制造系統(tǒng)調(diào)度問題的影響。

③ 工序加工時間不確定:一方面,同一道工序在不同的設(shè)備上進(jìn)行加工所需的加工時間可能不同,而且隨著某些零件的老化,同一工序在相同設(shè)備上的加工時間也會產(chǎn)生較大的變化;另一方面,某些工序在正式加工前需要進(jìn)行試片(即試加工),試片時間會因試片數(shù)量的變化而變化,造成一卡硅片在本工序的加工時間不確定[18]。

(4)調(diào)度方案有效期短

調(diào)度方案的制定除了需要知道生產(chǎn)線上當(dāng)前在制品的情況,還要有詳細(xì)確定的投料計劃(確定的產(chǎn)品種類及數(shù)量)。雖然每天都有一定數(shù)量的新硅片投入生產(chǎn)線進(jìn)行加工,但一般情況下只能確定較短時間(如一日或三日)內(nèi)的投料計劃。因此,相對于半導(dǎo)體產(chǎn)品平均十幾天至幾十天的生產(chǎn)周期而言,實際半導(dǎo)體生產(chǎn)線調(diào)度方案的有效期一般較短。再加上大量不確定事件的發(fā)生,調(diào)度方案的有效期很難超過一日。

(5)局部優(yōu)化問題

在車間生產(chǎn)中,會有諸多不同的生產(chǎn)任務(wù),這些生產(chǎn)任務(wù)可能對調(diào)度目標(biāo)有不同的要求,而且有時候這些要求之間是互斥的,比如要求生產(chǎn)周期短、超期訂單最少、設(shè)備利用率最高等。因此,如何使得生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)能夠盡量多地滿足這些目標(biāo),也是車間生產(chǎn)調(diào)度一直面臨的難題[19]。由于調(diào)度方案的有效期較短,調(diào)度對生產(chǎn)線系統(tǒng)性能指標(biāo)的優(yōu)化只能是短期的和局部的,且只能優(yōu)化部分系統(tǒng)性能指標(biāo),如設(shè)備利用率、總移動量、移動速率等,像平均加工周期及其方差、準(zhǔn)時交貨率、脫期率等指標(biāo)則不能顯著地優(yōu)化。

(6)約束性

約束性主要體現(xiàn)在工藝路徑約束和資源約束兩個方面。首先,由于產(chǎn)品的復(fù)雜程度不同,不同產(chǎn)品都有其嚴(yán)格的工藝路徑約束要求。通常情況下,各工序的先后順序不能倒置。其次,加工原料的提供、生產(chǎn)設(shè)備的規(guī)模、生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)能力等,都不是無限的。因此,生產(chǎn)調(diào)度是在多約束條件下進(jìn)行的。

總體來說,半導(dǎo)體制造系統(tǒng)調(diào)度具有明顯的多重入性、制造環(huán)境的高度不確定性、制造過程的高度復(fù)雜性以及調(diào)度目標(biāo)的多樣性。相應(yīng)地,能夠響應(yīng)實時運作環(huán)境的動態(tài)調(diào)度方法得到了更為充分的重視。