王 祺 任庚坡

上海市節(jié)能監(jiān)察中心

0 引言

集成電路晶圓制造處于集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的終端，也是芯片開發(fā)設(shè)計(jì)成果的最終體現(xiàn)。上海市一直高度重視集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并將其作為承接國(guó)家戰(zhàn)略任務(wù)和打響“上海制造”品牌的重要產(chǎn)業(yè)之一。目前，上海擁有多家集成電路晶圓制造企業(yè)，近年來(lái)隨著企業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的變化，企業(yè)的能耗、產(chǎn)值均有明顯波動(dòng)。因此，為了科學(xué)合理的評(píng)價(jià)企業(yè)的能效水平，需要構(gòu)建更為完善的能效評(píng)價(jià)體系，避免單一評(píng)價(jià)指標(biāo)所導(dǎo)致的偏差。

本文構(gòu)建的能效指數(shù)模型，可用于集成電路晶圓制造企業(yè)的能效水平評(píng)價(jià)，并能客觀反映能效變動(dòng)的原因。同時(shí)，也為決策部門開展節(jié)能分析提供依據(jù)。

2 能效指數(shù)指標(biāo)體系與模型

能效指數(shù)是用來(lái)反映企業(yè)能效水平現(xiàn)狀和變化趨勢(shì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文參考統(tǒng)計(jì)指數(shù)的編制方法[1]，結(jié)合集成電路晶圓制造企業(yè)的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)和生產(chǎn)狀況，考慮數(shù)據(jù)的可得性及指標(biāo)的實(shí)用性，構(gòu)建了能效指數(shù)指標(biāo)體系與計(jì)算模型。

2.1 指標(biāo)體系

能效指標(biāo)體系以“能效”為核心，以企業(yè)為主體分析對(duì)象[2]。選取影響企業(yè)能效水平的產(chǎn)品單耗、產(chǎn)值單耗、產(chǎn)能利用率、綜合節(jié)能率和能源消費(fèi)成本的5個(gè)因素作為分析指標(biāo)，。這些分析指標(biāo)同時(shí)作為二級(jí)能效指數(shù)，可對(duì)企業(yè)進(jìn)行單項(xiàng)能效指數(shù)評(píng)價(jià)分析。能效指數(shù)指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 能效指數(shù)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)圖

2.1.1產(chǎn)品單耗指數(shù)

產(chǎn)品單耗按式（1）計(jì)算[3]：

式中：

e——集成電路晶圓單位產(chǎn)品綜合能耗，單位：kWh/cm2；

E——集成電路晶圓產(chǎn)品綜合能耗，單位：kWh；

P——生產(chǎn)的合格晶圓產(chǎn)品總面積，單位：cm2。

產(chǎn)品單耗數(shù)值與能效水平呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，產(chǎn)品單耗數(shù)值越低能效水平越高。產(chǎn)品單耗指數(shù)根據(jù)統(tǒng)計(jì)期產(chǎn)品單耗指標(biāo)值與基期產(chǎn)品單耗指標(biāo)值的比值進(jìn)行計(jì)算：

式中：

EEIa——產(chǎn)品單耗指數(shù)；

ei——統(tǒng)計(jì)期產(chǎn)品單耗，(kWh/cm2)；

ej——基期產(chǎn)品單耗，(kWh/cm2)。

產(chǎn)品單耗指數(shù)基準(zhǔn)值為100，高于基準(zhǔn)值表示能效水平低，低于基準(zhǔn)值表示能效水平高?；跒榻y(tǒng)計(jì)期對(duì)應(yīng)的上一期，若企業(yè)統(tǒng)計(jì)期和基期產(chǎn)品單耗水平均達(dá)到先進(jìn)值水平，且統(tǒng)計(jì)期單耗數(shù)值大于上一期單耗數(shù)值，則產(chǎn)品單耗指標(biāo)的比值默認(rèn)為1，即產(chǎn)品單耗指數(shù)為100。

（注：?jiǎn)魏南冗M(jìn)值參考集成電路晶圓制造標(biāo)準(zhǔn)（DB31/506-2010））

2.1.2產(chǎn)值單耗指數(shù)

產(chǎn)值單耗按式（3）計(jì)算：

式中：

g——集成電路晶圓單位產(chǎn)值綜合能耗，單位：tce/萬(wàn)元；

E——集成電路晶圓產(chǎn)品綜合能耗，單位：tce；

P——生產(chǎn)的合格晶圓產(chǎn)品的總產(chǎn)值，單位：萬(wàn)元。

產(chǎn)值單耗數(shù)值與能效水平呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，產(chǎn)值單耗數(shù)值越低能效水平越高。產(chǎn)值單耗指數(shù)根據(jù)統(tǒng)計(jì)期產(chǎn)值單耗指標(biāo)與基期產(chǎn)值單耗指標(biāo)的比值進(jìn)行計(jì)算：

式中：

EEIb——產(chǎn)值單耗指數(shù)；

gi——統(tǒng)計(jì)期產(chǎn)值單耗，單位：tce/萬(wàn)元；

gj——基期產(chǎn)值單耗，單位：tce/萬(wàn)元。

2.1.3產(chǎn)能利用率指數(shù)

產(chǎn)能利用率是指企業(yè)統(tǒng)計(jì)期內(nèi)實(shí)際產(chǎn)出的合格產(chǎn)品產(chǎn)量與建造時(shí)設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)期內(nèi)能產(chǎn)出的合格產(chǎn)品的產(chǎn)量的比值[4]，產(chǎn)能利用率按式（5）計(jì)算：

式中：

n——產(chǎn)能利用率，單位：%；

P——統(tǒng)計(jì)期內(nèi)實(shí)際產(chǎn)出的合格晶圓的產(chǎn)量，單位：cm2；

P0——統(tǒng)計(jì)期內(nèi)能產(chǎn)出的合格晶圓的產(chǎn)量，單位：cm2。

產(chǎn)能利用率數(shù)值與能效水平呈正相關(guān)，產(chǎn)能利用率數(shù)值越高能效水平越高。產(chǎn)能利用率指數(shù)根據(jù)統(tǒng)計(jì)期產(chǎn)能利用率指標(biāo)與上一期產(chǎn)能利用率指標(biāo)的比值的倒數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

式中：

EEIc——產(chǎn)能利用率指數(shù)；

ni——統(tǒng)計(jì)期產(chǎn)能利用率，單位：%；

nj——基期產(chǎn)能利用率，單位：%。

產(chǎn)能利用率指數(shù)基準(zhǔn)值為100。若企業(yè)統(tǒng)計(jì)期和上一期產(chǎn)能利用率均達(dá)到100%及以上，且統(tǒng)計(jì)期產(chǎn)能利用率小于上一期產(chǎn)能利用率，則產(chǎn)品單耗指標(biāo)的比值默認(rèn)為1，即產(chǎn)能利用率指數(shù)為100。

2.1.4綜合節(jié)能率指數(shù)

綜合節(jié)能率是指企業(yè)統(tǒng)計(jì)期內(nèi)的節(jié)能量（產(chǎn)品節(jié)能量和技改節(jié)能量之和）與統(tǒng)計(jì)期綜合能耗的比值[5]，綜合節(jié)能率按式（7）計(jì)算：

式中：

z——綜合利用率，單位：%；

C——統(tǒng)計(jì)期產(chǎn)品單耗節(jié)能量（-表示節(jié)能、+表示耗能），單位：tce；

L——統(tǒng)計(jì)期節(jié)能技改節(jié)能量，單位：tce；

G——統(tǒng)計(jì)期企業(yè)綜合能耗，單位：tce。

綜合節(jié)能率數(shù)值與能效水平呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，綜合節(jié)能率數(shù)值越小能效水平越高。綜合節(jié)能率指數(shù)根據(jù)統(tǒng)計(jì)期產(chǎn)能利用率指標(biāo)與上一期產(chǎn)能利用率指標(biāo)的同期比進(jìn)行計(jì)算：

式中：

EEId——綜合節(jié)能率指數(shù)；

zi——統(tǒng)計(jì)期綜合節(jié)能率，單位：%；

zj——基期綜合節(jié)能率，單位：%。

因產(chǎn)品單耗節(jié)能量數(shù)值可能為負(fù)數(shù)，會(huì)導(dǎo)致企業(yè)綜合節(jié)能率波動(dòng)較大，所以綜合節(jié)能率的同期比結(jié)果取自然對(duì)數(shù)來(lái)降低綜合節(jié)能率數(shù)值的波動(dòng)，并且規(guī)定如果統(tǒng)計(jì)期綜合節(jié)能率數(shù)值為負(fù)，則統(tǒng)計(jì)期綜合節(jié)能率指數(shù)為負(fù)值，反之則為正值。

2.1.5能源消費(fèi)成本指數(shù)

能源消費(fèi)成本是指企業(yè)統(tǒng)計(jì)期生產(chǎn)過(guò)程所消耗的一次、二次能源金額及耗能工質(zhì)的費(fèi)用之和占生產(chǎn)總成本的比例，能源消費(fèi)成本指標(biāo)按式（9）計(jì)算：

式中：

x——能源消費(fèi)成本，單位：%；

s——統(tǒng)計(jì)期生產(chǎn)過(guò)程能耗費(fèi)用，單位：萬(wàn)元；

s0——統(tǒng)計(jì)期生產(chǎn)總成本，單位：萬(wàn)元。

能源消費(fèi)成本與能效水平呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，能源消費(fèi)成本占生產(chǎn)總成本越低能效水平越高。能源消費(fèi)成本指數(shù)根據(jù)統(tǒng)計(jì)期能源消費(fèi)成本指標(biāo)與上一期能源消費(fèi)成本指標(biāo)的比值進(jìn)行計(jì)算：

式中：

EEIe——能源消費(fèi)成本指數(shù)；

xi——統(tǒng)計(jì)期能源消費(fèi)成本，單位：%；

xj——基期能源消費(fèi)成本，單位：%。

2.2 能效指數(shù)模型

根據(jù)能效指數(shù)的指標(biāo)體系，能效指數(shù)可由各指標(biāo)指數(shù)與對(duì)應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重乘積之和計(jì)算得到：

式中：

EEI——能效指數(shù)；

EEIi——第i個(gè)二級(jí)能效指數(shù)；

Wi——第i個(gè)二級(jí)能效指標(biāo)的權(quán)重，單位：%。

規(guī)定能效指數(shù)EEI的基準(zhǔn)值為100，若EEI大于100則表示能效水平低，若EEI小于100則表示能效水平高。能效指數(shù)大小與能效水平高低關(guān)系如圖2所示：

圖2 能效指數(shù)大小與能效水平高低關(guān)系

5個(gè)二級(jí)能效指標(biāo)的權(quán)重采用層次分析法來(lái)確定。層次分析法是一種定性和定量相結(jié)合的分析決策方法。該方法將復(fù)雜問(wèn)題分解為若干層次和若干因素，對(duì)指標(biāo)之間重要程度做出比較判斷，通過(guò)建立判斷矩陣，計(jì)算判斷矩陣的最大特征值及特征向量，得出各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值。

通過(guò)向?qū)＜野l(fā)放咨詢表的方式，匯總各專家評(píng)分表得到二級(jí)能效指標(biāo)權(quán)重判斷矩陣，根據(jù)層次分析法經(jīng)計(jì)算得到產(chǎn)品單耗指數(shù)、產(chǎn)值單耗指數(shù)、產(chǎn)能利用率指數(shù)、綜合節(jié)能率指數(shù)、能源消費(fèi)成本指數(shù)5個(gè)二級(jí)能效指標(biāo)的權(quán)重值向量Wi=[0．4793，0．3361，0．0703，0．0753，0．039]（最大特征向量λ=5．318），且一致性檢驗(yàn)結(jié)果CR=0．071＜0．1，即判斷矩陣一致性可接受。

3 算例及分析

3.1 指數(shù)計(jì)算

本文選取上海市規(guī)模較大的三家集成電路晶圓制造企業(yè)為研究對(duì)象，以2014-2017年為計(jì)算周期，根據(jù)（1）～（10）各能效指標(biāo)指數(shù)計(jì)算公式，得到各企業(yè)2015-2017年5個(gè)二級(jí)能效指標(biāo)指數(shù)計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表1。

由能效指數(shù)計(jì)算模型，式（11）可計(jì)算出三家企業(yè)的2015-2017年能效指數(shù)為：

2017 年，（企業(yè) A，企業(yè) B，企業(yè) C）=（98．8，88．0，67．4）

表1 企業(yè)能效指標(biāo)指數(shù)計(jì)算結(jié)果

2016 年，（企業(yè) A，企業(yè) B，企業(yè) C）=（63．7，108．7，103．3）

2015 年，（企業(yè) A，企業(yè) B，企業(yè) C）=（87．6，80．1，76．6）

3.2 結(jié)果分析

三家企業(yè)2015-2017年間能效水平總體低于基準(zhǔn)線，能效水平較高，如圖3所示。

圖3 3家企業(yè)2015-2017年能效指數(shù)趨勢(shì)圖

2016年三家企業(yè)能效指數(shù)波動(dòng)差異較大，主要由于產(chǎn)品單耗同比變化幅度較大造成，且導(dǎo)致綜合節(jié)能率降低，具體見(jiàn)表2。

表2 2016年企業(yè)節(jié)能量對(duì)比

表中可以看出企業(yè)A在2016年綜合節(jié)能量最大，主要由于產(chǎn)品單耗同比顯著下降并通過(guò)實(shí)施節(jié)能技術(shù)改造降低了企業(yè)生產(chǎn)能耗，因而綜合節(jié)能率也大幅提升。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

通過(guò)建立能效指數(shù)模型，能夠客觀整體反映集成電路晶圓制造企業(yè)的能效水平。相關(guān)企業(yè)可通過(guò)該模型來(lái)判斷企業(yè)能效水平的高低并找到提高能效的著力點(diǎn)，政府管理部門也可通過(guò)該模型來(lái)評(píng)判集成電路晶圓制造行業(yè)整體的能效水平，為制定相關(guān)發(fā)展政策提供數(shù)據(jù)支撐。

本文算例采用了3家企業(yè)的年度數(shù)據(jù)，后續(xù)可通過(guò)獲取各集成電路晶圓制造企業(yè)月度的能效指標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)各企業(yè)的月度能效指數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。同時(shí)，可對(duì)能效指數(shù)的范圍進(jìn)行合理分類，使對(duì)能效水平的評(píng)判更為精細(xì)化。