1.2.2　調度類型

1.2.2.1　基于調度對象的半導體生產線調度分類

半導體生產線規模龐大,設備類型各異,按照所關注問題的不同可以分為工件調度、投料控制、瓶頸調度、批加工設備調度、生產線調度和維護調度等。

(1)工件調度

工件調度策略的優劣直接影響到生產系統的性能,所以工件調度是半導體制造系統調度的研究重點。常用的工件調度方法有五種:傳統運籌學、離散系統仿真、數學模型、計算智能和人工智能。

(2)投料控制

投料控制是指在一定的投料策略指導下,決定在何時投入多少原料到生產系統,以便盡可能發揮生產系統的生產能力。投料一般分為靜態投料和動態投料兩種方式。靜態投料是根據事先設定的速率(如固定時間間隔投料或按隨機分布泊松流投料)進行投料。這種投料方式因不能跟蹤生產線的實際變化,容易造成工件積壓,使生產線的性能下降;動態投料是根據生產線實際情況(諸如交貨時間和在制品水平等性能指標),使用啟發式方法進行投料。

(3)瓶頸設備調度

瓶頸設備調度是指通過解決半導體生產線中瓶頸區域的調度問題,從而推出整條生產線的優化排程方案。瓶頸處容量的損失就是整個工廠的損失,因此瓶頸設備的調度問題是十分重要的。

瓶頸識別的方法有很多,一般可以通過觀察在制品的隊列長度和測量機器的利用率來獲知瓶頸設備。

① 分析制造系統中在制品的隊列長度。在這種方法中,隊列長度和等待時間中有一種是被測定的,具有最長的隊列長度或等待時間的機器被認為是制造瓶頸。這種方法的優勢在于通過對隊列長度或等待時間的簡單比較就能檢測到系統的瞬時制造瓶頸;缺點是很多生產系統只有有限的在制品隊列或者根本沒有在制品隊列,在這種情況下,隊列長度的方法就不能夠被用來檢測制造瓶頸。

② 測量生產系統中不同機器的利用率。利用率最高的機器為制造瓶頸。然而不同機器的利用率經常是非常相近的,所以這種方法不能很確定地識別瓶頸設備。長時間的仿真也許能準確得到有意義的結果,但是這種方法受到穩態系統的局限。測利用率的方法并不能確定瞬時制造瓶頸,而只能確定在長時間內存在的瓶頸設備,因此利用這種方法來檢測和監控瓶頸的轉移是不合適的。

(4)批加工設備調度

批加工設備調度是半導體生產線調度的重要組成部分,對半導體生產線性能有重要影響。批量加工是半導體制造系統區別于傳統制造系統的顯著特點。半導體制造生產線上的多卡并行批量加工設備,如氧化爐管等,大約占設備總數的20%~30%,其調度方案對改善半導體制造系統的性能具有重要意義。

(5)生產線調度

生產線調度關注整個半導體生產線中工件的流向及其在各設備上的加工序列,確定工件在各加工設備上的加工序列和開始加工時間,即加工排程(scheduling)、工件分派(dispatching)與工件排序(sequencing)。工件調度使用的研究方法很多,既包括傳統的運籌學方法、離散事件仿真技術與啟發式規則,也包括先進的人工智能、計算智能與群體智能等算法,是當前半導體制造系統調度研究的熱點。

(6)設備維護調度

設備維護調度用于決定何時將設備從生產線上撤下來,進行預訂的維護過程。設備維護主要有預防性維護(Preventive Maintenance,PM)和矯正性維護(Corrective Maintenance,CM)。在預防性維護時,設備并未發生故障,其調度的最終目標是尋求計劃停機時間與非計劃停機時間的平衡點;矯正性維護是由于設備意外故障后,對設備進行相應的維修。后者由于是設備意外故障,會導致更高的成本。目前設備維護調度的研究主要集中于運籌學方法或啟發式規則。

1.2.2.2　基于調度環境和任務的半導體生產線調度分類

基于調度環境和任務的不同,半導體制造系統調度還可分為靜態調度與動態調度。

(1)靜態調度

靜態調度是指在制造系統狀態和加工任務確定的前提下,形成優化的調度方案的過程。靜態調度以某一時刻t₀的制造系統狀態U(t₀)、確定的工件信息(具體的加工任務描述)及時間長度T₀(一般稱為調度深度)為輸入,在滿足約束條件及優化目標的情況下,采用適當的調度算法,生成調度周期[t₀,t₀+T₀]內的調度方案。靜態調度的約束條件包括系統資源、產品的工藝流程、交貨期等,優化目標包括工件的評價加工周期、交貨期、制造系統的性能指標如設備利用率、生產率等。利用靜態調度生成的調度方案一經產生,所有工件的加工方案就被確定了,在后續的加工過程中也不再改變。

(2)動態調度

動態調度是指根據制造系統的狀態和加工任務的實際情況,動態地產生調度方案的過程。動態調度的實現方式有兩種:一是在已有靜態調度方案的基礎上,根據制造系統的現場狀態及加工任務信息,及時對靜態調度方案進行調整,產生新的調度方案,這種調度過程也稱為重調度;二是事先不存在靜態調度方案,直接按照制造系統的實時狀態及加工任務信息,為空閑設備確定加工任務,這種調度過程也稱為實時調度。

以上兩種方式都能夠獲得可操作性強的調度方案,但優化計算過程又有所不同。實時調度在決策中往往只考慮局部信息,因此得到的調度方案只是可行的,與最優調度方案可能有較大的距離;重調度則是在已有靜態調度方案的基礎上,根據更多的系統狀態信息及加工任務信息對靜態調度方案進行動態調整,得到的調度方案不僅具有可操作性,而且優化效果也比較好,更接近最優調度方案。

與靜態調度相比,動態調度能夠針對生產現場實際情況的變化產生更加具有可操作性的決策方案。針對動態調度的特點,以下兩個因素必須予以充分考慮:一是優化過程必須充分利用能夠反映制造系統狀態及加工任務情況的實時信息,二是動態調度方案必須在不影響設備運行的短時間內完成。