集成电路晶圆制造企业能效指数构建及分析

2019-02-15 09:02任庚坡

上海节能 2019年1期

王祺任庚坡

上海市节能监察中心

0 引言

集成电路晶圆制造处于集成电路产业链的终端，也是芯片开发设计成果的最终体现。上海市一直高度重视集成电路产业的发展，并将其作为承接国家战略任务和打响“上海制造”品牌的重要产业之一。目前，上海拥有多家集成电路晶圆制造企业，近年来随着企业产业规模的变化，企业的能耗、产值均有明显波动。因此，为了科学合理的评价企业的能效水平，需要构建更为完善的能效评价体系，避免单一评价指标所导致的偏差。

本文构建的能效指数模型，可用于集成电路晶圆制造企业的能效水平评价，并能客观反映能效变动的原因。同时，也为决策部门开展节能分析提供依据。

2 能效指数指标体系与模型

能效指数是用来反映企业能效水平现状和变化趋势的评价指标，本文参考统计指数的编制方法[1]，结合集成电路晶圆制造企业的生产工艺特点和生产状况，考虑数据的可得性及指标的实用性，构建了能效指数指标体系与计算模型。

2.1 指标体系

能效指标体系以“能效”为核心，以企业为主体分析对象[2]。选取影响企业能效水平的产品单耗、产值单耗、产能利用率、综合节能率和能源消费成本的5个因素作为分析指标，。这些分析指标同时作为二级能效指数，可对企业进行单项能效指数评价分析。能效指数指标体系如图1所示。

图1 能效指数指标体系结构图

2.1.1产品单耗指数

产品单耗按式（1）计算[3]：

式中：

e——集成电路晶圆单位产品综合能耗，单位：kWh/cm2；

E——集成电路晶圆产品综合能耗，单位：kWh；

P——生产的合格晶圆产品总面积，单位：cm2。

产品单耗数值与能效水平呈负相关的关系，产品单耗数值越低能效水平越高。产品单耗指数根据统计期产品单耗指标值与基期产品单耗指标值的比值进行计算：

式中：

EEIa——产品单耗指数；

ei——统计期产品单耗，(kWh/cm2)；

ej——基期产品单耗，(kWh/cm2)。

产品单耗指数基准值为100，高于基准值表示能效水平低，低于基准值表示能效水平高。基期为统计期对应的上一期，若企业统计期和基期产品单耗水平均达到先进值水平，且统计期单耗数值大于上一期单耗数值，则产品单耗指标的比值默认为1，即产品单耗指数为100。

（注：单耗先进值参考集成电路晶圆制造标准（DB31/506-2010））

2.1.2产值单耗指数

产值单耗按式（3）计算：

式中：

g——集成电路晶圆单位产值综合能耗，单位：tce/万元；

E——集成电路晶圆产品综合能耗，单位：tce；

P——生产的合格晶圆产品的总产值，单位：万元。

产值单耗数值与能效水平呈负相关的关系，产值单耗数值越低能效水平越高。产值单耗指数根据统计期产值单耗指标与基期产值单耗指标的比值进行计算：

式中：

EEIb——产值单耗指数；

gi——统计期产值单耗，单位：tce/万元；

gj——基期产值单耗，单位：tce/万元。

2.1.3产能利用率指数

产能利用率是指企业统计期内实际产出的合格产品产量与建造时设计的统计期内能产出的合格产品的产量的比值[4]，产能利用率按式（5）计算：

式中：

n——产能利用率，单位：%；

P——统计期内实际产出的合格晶圆的产量，单位：cm2；

P0——统计期内能产出的合格晶圆的产量，单位：cm2。

产能利用率数值与能效水平呈正相关，产能利用率数值越高能效水平越高。产能利用率指数根据统计期产能利用率指标与上一期产能利用率指标的比值的倒数进行计算：

式中：

EEIc——产能利用率指数；

ni——统计期产能利用率，单位：%；

nj——基期产能利用率，单位：%。

产能利用率指数基准值为100。若企业统计期和上一期产能利用率均达到100%及以上，且统计期产能利用率小于上一期产能利用率，则产品单耗指标的比值默认为1，即产能利用率指数为100。

2.1.4综合节能率指数

综合节能率是指企业统计期内的节能量（产品节能量和技改节能量之和）与统计期综合能耗的比值[5]，综合节能率按式（7）计算：

式中：

z——综合利用率，单位：%；

C——统计期产品单耗节能量（-表示节能、+表示耗能），单位：tce；

L——统计期节能技改节能量，单位：tce；

G——统计期企业综合能耗，单位：tce。

综合节能率数值与能效水平呈负相关的关系，综合节能率数值越小能效水平越高。综合节能率指数根据统计期产能利用率指标与上一期产能利用率指标的同期比进行计算：

式中：

EEId——综合节能率指数；

zi——统计期综合节能率，单位：%；

zj——基期综合节能率，单位：%。

因产品单耗节能量数值可能为负数，会导致企业综合节能率波动较大，所以综合节能率的同期比结果取自然对数来降低综合节能率数值的波动，并且规定如果统计期综合节能率数值为负，则统计期综合节能率指数为负值，反之则为正值。

2.1.5能源消费成本指数

能源消费成本是指企业统计期生产过程所消耗的一次、二次能源金额及耗能工质的费用之和占生产总成本的比例，能源消费成本指标按式（9）计算：

式中：

x——能源消费成本，单位：%；

s——统计期生产过程能耗费用，单位：万元；

s0——统计期生产总成本，单位：万元。

能源消费成本与能效水平呈负相关的关系，能源消费成本占生产总成本越低能效水平越高。能源消费成本指数根据统计期能源消费成本指标与上一期能源消费成本指标的比值进行计算：

式中：

EEIe——能源消费成本指数；

xi——统计期能源消费成本，单位：%；

xj——基期能源消费成本，单位：%。

2.2 能效指数模型

根据能效指数的指标体系，能效指数可由各指标指数与对应指标的权重乘积之和计算得到：

式中：

EEI——能效指数；

EEIi——第i个二级能效指数；

Wi——第i个二级能效指标的权重，单位：%。

规定能效指数EEI的基准值为100，若EEI大于100则表示能效水平低，若EEI小于100则表示能效水平高。能效指数大小与能效水平高低关系如图2所示：

图2 能效指数大小与能效水平高低关系

5个二级能效指标的权重采用层次分析法来确定。层次分析法是一种定性和定量相结合的分析决策方法。该方法将复杂问题分解为若干层次和若干因素，对指标之间重要程度做出比较判断，通过建立判断矩阵，计算判断矩阵的最大特征值及特征向量，得出各个指标的权重值。

通过向专家发放咨询表的方式，汇总各专家评分表得到二级能效指标权重判断矩阵，根据层次分析法经计算得到产品单耗指数、产值单耗指数、产能利用率指数、综合节能率指数、能源消费成本指数5个二级能效指标的权重值向量Wi=[0．4793，0．3361，0．0703，0．0753，0．039]（最大特征向量λ=5．318），且一致性检验结果CR=0．071＜0．1，即判断矩阵一致性可接受。