CC BY
1ТЕХНОЛОГИЯ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 004.9:[658.012.2:658.512.6:005.334]:658.523
Особенности объемного планирования в задаче автоматизированного управления мелкосерийным производством микросхем
О.В. Короткий
НПК «Технологический центр» (г. Москва)
Рассмотрены характерные особенности организации мелкосерийного производства полузаказных микросхем на основе базовых матричных кристаллов (БМК), определяющие подходы к решению задач автоматизированного управления производственным процессом. Предложены критерии оптимизации объемного планирования технологического процесса, исходя из его задач.
Ключевые слова: календарное планирование, мелкосерийное производство, микросхемы на основе БМК.
Влияние разнообразных производственных факторов на объемное планирование делает его наиболее трудоемким звеном учета на предприятии, поэтому современное производство невозможно без информационной поддержки процессов планирования.
Общие принципы автоматизированных систем управления производственных процессов (АСУ ПП) широко представлены в литературе [1, 2] и описаниях конкретных реализаций. Одной из основных задач любой АСУ ПП является календарное планирование. Большинство существующих АСУ ПП ориентировано на массовое производство, в условиях которого доминирующий тезис об увеличении сложности управления производством с ростом объемов выпуска обуславливает востребованность автоматических методов календарного планирования. Опыт мелкосерийных производств микросхем за последнее десятилетие свидетельствует о том, что организация такого производства не позволяет напрямую использовать стандартные подходы, реализуемые в традиционных автоматизированных системах управления.
Специалисты консорциума CALCE EPRC в конце 1990-х годов провели широкое исследование проблем, стоящих перед руководителями производства современной продукции электронной техники (в первую очередь БИС и СБИС), радиоэлектронной аппаратуры и комплектуемых ими систем, и относительной оценки рисков при решении этих проблем (путем расстановки приоритетов) [3]. Были опрошены компании, ориентированные на различные сектора рынка электронных компонентов и, как следствие, на разные объемы производства при относительно сходной по функциональному назначению номенклатуре продукции. Исследование предусматривало обширную географию расположения таких компаний, поэтому в качестве характерных источников информации были выбраны предприятия США, специализирующиеся на изготовлении
© О.В. Короткий, 2013
мелкосерийных сложных электронных компонентов и систем, и изготовители электронных компонентов массового производства из Юго-Восточной Азии [4].
При проведении оценок рассматривались риски из следующих условных групп:
- технологические - как результат потенциальной неспособности обеспечить выполнение функций, заложенных в изделие при его проектировании, или обеспечить выполнение требований высокого качества (и, как следствие, надежности);
- предпринимательские - как результат изменений в балансах спроса и предложения на рынке и в суммарных затратах на комплектуемую систему;
- социальные (например, опасность для окружающей среды и риски изменения в стиле жизни) и национальные (связанные с национальной и экономической безопасностью, в том числе с обороноспособностью).
В результате анализа полученных оценок выделен ряд проблем, отнесенных к значимым и являющихся общими для всех предприятий:
- моральный износ (diminishing) материалов и комплектующих изделий;
- обеспечение возможности изменения конструктивных решений и (или) технологических процессов;
- обеспечение ремонтопригодности производственного оборудования и минимизация времени его восстановления с учетом морального износа запасных частей на рынке;
- обеспечение надежности конечного продукта;
- конкурентоспособность на рынке;
- трудоемкость изготовления и рентабельность производства;
- общее время разработки (включая разработку процессов и проектирование изделий);
- моральное старение (obsolescence) и обеспечение «продвинутых» функциональных характеристик изделий;
- обеспечение технологичности и выхода годных изделий;
- сложность и отработанность конструкции изделий;
- обеспечение контролепригодности изделий;
- обеспечение массогабаритных характеристик изделий.
Из этих проблем были отмечены те, которые с точки зрения конкретных изготовителей следует отнести к критичным. Анализ полученных оценок привел, на первый взгляд, к парадоксальному результату.
Изготовители продукции массового производства (первая группа) и мелкосерийного производства (вторая группа) дают прямо противоположные оценки при указании проблем, являющихся, по их мнению, критичными: то, что является критичным для руководства предприятий первой группы относится руководством предприятий второй группы к рутинным проблемам, решение которых не требует приложения особых усилий и ресурсов, и наоборот. Лишь проблема трудоемкости изготовления и рентабельности производства признана представителями обеих групп критичной, а проблема обеспечения массогабаритных характеристик изделий отнесена к рядовым (табл.1).
Результаты, казавшиеся парадоксальными на рубеже 1990-2000-х гг., после накопления опыта мелкосерийного производства отечественными организациями становятся вполне объяснимыми сейчас. Для этого достаточно сравнить назначение и характеристики продукции массового (РЭА производственного и коммерческого назначения широкого применения) и мелкосерийного (РЭА специального назначения и частного применения) производства современных микросхем (табл.2).
Таблица 1
Критичность проблем производственного процесса массового и мелкосерийного производства современных микросхем
Проблемы, имеющие место при организации и осуществлении серийного выпуска продукции Значимость проблемы при производстве
массовое мелкосерийное
Моральный износ материалов и комплектующих изделий Значимая Критичная
Возможность реконфигурации Значимая Критичная
Ремонтопригодность и обеспечиваемость Значимая Критичная
Надежность конечного продукта Значимая Критичная
Конкурентоспособность Значимая Критичная
Трудоемкость и рентабельность производства Критичная Критичная
Общее время разработки Критичная Значимая
Функциональные возможности Критичная Значимая
Технологичность и выход годных Критичная Значимая
Сложность и отработанность конструкции Критичная Значимая
Контролепригодность Критичная Значимая
Массогабаритные характеристики Значимая Значимая
Таблица 2
Основные характеристики продукции массового и мелкосерийного производства микросхем
Производство
Рынок сбыта мелко-
массовое серийное
Общая доля рынка сбыта, занимаемая продукцией Более 99% Менее 1%
Период существования изделия на рынке Один - три года До 20 лет
Потребности рынка в уровне функциональных характеристик Высокие Средние
Потребности рынка в уровне эксплуатационных характеристик Средние Высокие
Потребности рынка в надежности комплектуемой аппаратуры Средние Высокие
Принимая во внимание общие характеристики массового и мелкосерийного производств, можно объяснить результаты оценки критичности проблем, стоящих перед их руководителями. Поскольку получение прибыли является критичной проблемой для любого производства, проблема снижения трудоемкости изготовления и повышения рентабельности признана критичной как для массовых, так и для мелкосерийных производств. Однако для мелкосерийных производств, обладающих ограниченными инструментальной базой и рынками сбыта, ее решение требует привлечения относительно больших ресурсов.
Таким образом, организация мелкосерийного производства характерна иными критичными проблемами по сравнению с массовым и требует иной, а зачастую альтернативной, расстановки приоритетов. То же можно сказать и о системе автоматизированного управления мелкосерийным производством, включая задачи планирования и прогнозирования. Специализированная система автоматизированного управления производственным процессом должна позволять:
- правильно выбирать материалы и комплектующие изделия, подходящие для обеспечения эксплуатационных характеристик и надежности конечной продукции с учетом возможности их преждевременного морального износа (исчезновения с рынка), сведя к минимуму риски и затраты в процессе выбора их поставщиков;
- максимально повышать «обслуживаемость» инструментальной базы производства путем заблаговременной подготовки к проблеме морального износа запасных частей в
пределах ее жизненного цикла (созданием оптимизированных страховых запасов, заключением долгосрочных соглашений с поставщиками и др.);
- понимать и оценивать реальные условия эксплуатации конечного изделия конкретным потребителем, чтобы гарантировать, что изделие способно соответствовать внешним воздействиям, которым оно будет подвергнуто, либо указать приемлемый для этого потребителя способ смягчения таких воздействий;
- гарантировать надежность конечной продукции эффективной системой обеспечения ее качества, контролем правил и процесса проектирования, оптимизированными операционным контролем и программами испытаний готовых изделий;
- сводить к минимуму время до реализации готовой продукции;
- непрерывно улучшать взаимодействие между заказчиками, подрядчиками и субподрядчиками, вовлеченными в процесс разработки, изготовления и применения конечной продукции (включая контролирующие органы) для наиболее эффективного удовлетворения всех требований и потребностей при получении взаимной выгоды.
Эти задачи решаются всеми элементами АСУ мелкосерийного производства, однако должны отражаться в модуле объемного календарного планирования производства в качестве дополнительных ограничений и связей при разработке планов. Эти характеристики объемного плана должны сопровождаться соответствующими операционно-определенными критериями (табл.3).
Таблица 3
Дополнительные задачи объемного планирования мелкосерийного производства
Задача Риски Критерий
Планирование страховых запасов материалов и комплектующих изделий Моральное старение. Истечение срока годности. Невозможность выполнения заказа из-за отсутствия материала Оптимальное соотношение затрат на приобретение и хранение материала и потерь из-за невозможности выполнения заказа
Планирование замены морально изношенного оборудования и его составных частей Неадекватная замена, требующая изменения технологии и (или) конструкции изделия. Несоответствие продукции нормативным требованиям Оптимальное соотношение суммарных затрат на приобретение оборудования (составных частей), изменение технологии и (или) конструкции и его верификацию и потерь из-за невыполнения заказа, в том числе изготовления несоответствующей продукции
Планирование изменений производственного процесса под запросы конкретного потребителя Порожденные изменениями скрытые несоответствия технологии и изделий. Неудовлетворенность потребителя Оптимальное соотношение затрат на изменение процесса и его верификацию и потерь из-за невыполнения заказа, в том числе изготовления несоответствующей продукции
Планирование оптимизации процедур контроля качества, в том числе на основе конструктивно-технологического подобия Порожденные измененными процедурами скрытые дефекты изделий. Несоответствие продукции нормативным требованиям Оптимальное соотношение затрат на изменение процедур контроля качества и их верификацию и потерь из-за невыполнения заказа, в том числе изготовления несоответствующей продукции
Планирование схемы процесса проектирования Увеличение времени «от заказа до поставки». Несоответствие функциональных характеристик изделий запросам потребителей Оптимальное соотношение затрат на проектирование и потерь от сокращения рынка сбыта
Так, например, при мелкосерийном производстве полузаказных микросхем на основе БМК следует дополнить традиционные процедуры планирования:
- прогнозированием страховых запасов конкретных БМК, основанным на балансе затрат на их изготовление и хранение и возможного спроса на изготовление полузаказных микросхем («зашивок») на их основе;
- планированием дополнительных отбраковочных или контрольных испытаний (например, проведения электротермических испытаний в течение более длительного времени, диагностического контроля и др.) для полузаказных микросхем, предназначенных для комплектования радиоэлектронной аппаратуры с высокой «ценой отказа» (например, неремонтопригодной);
- планированием изменения схемы проектирования (например, при принципиальной невозможности получить необходимые потребителю функциональные характеристики микросхем при их изготовлении на базе конкретного БМК) путем перехода к разработке и изготовлению заказной микросхемы на основе библиотеки стандартных элементов.
Таким образом, развитие мелкосерийного производства современных микросхем, в особенности заказных и полузаказных (в том числе на основе БМК), невозможно без создания автоматизированной системы управления, ключевым элементом которой является специализированный модуль календарного планирования, учитывающий как производственную специфику, так и возможность учета особенностей отдельно взятых предприятий.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (ГК № 14.514.11.4006) в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»
Литература
1. СамардакА.С. Корпоративные информационные системы: учеб. пособие. - Владивосток: ТИДОТ ДВГУ, 2003. - 252 с.
2. Питеркин С.В., Оладов Н.А., Исаев Д.В. Точно вовремя для России. Практика применения ERP-систем. - М.: Альпина Паблишер, 2010. - 368 с.
3. Sandborn P., Allen D.T., Murphy C.F. New course development in products and systems cost analysis // Proc. Electronic Components and Technology Conf. (May, 2000). - 2000. -P. 1021-1026.
4. Pecht M., Liu W., Hodges D. A Comparison with Taiwan // Semiconductor International. September 2000. - Vol. 23. - N 10. - P. 135-136.
Статья поступила 20 ноября 2012 г.
Короткий Олег Владимирович - ведущий инженер НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: ERP-системы, технологии виртуализации и облачных вычислений, функциональное программирование, математическая логика, дискретная математика. E-mail: o.korotkiy@tcen.ru
