IC设计公司市场需求预测及产能管理之研究
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摘 要
集成电路(IC)行业是关系国计民生、信息安全的国家战略新兴行业之一，在
我国高新技术产业发展中占有重要战略地位，它所生产的集成电路芯片产品能
极大地带动高端装备设备、材料以及下游整机等一大批高技术产业的发展。然而
IC 产业在我国起步晚、发展慢、管理缺乏科学性，通过引入先进的管理思想和技
术，降低成本，发掘新的利润增长点，是我国 IC 企业面临的挑战。
集成电路产业链主要包括设计、生产、封装、测试四个环节。目前，我国的 IC
设计公司一般都是借助于过去的经验进行产品市场预测和芯片加工代工厂的选
择。如何建立符合 IC 设计公司的市场需求模型，如何确定 IC 代工厂的选择方法
以及如何合理精益地进行产能预订和管理，是我国 IC 设计业谋求精细化发展和
走向国际舞台的关键科学问题。
本文首先以系统论的视角和科学规划的思想，综合运用灰色系统理论、人工
神经网络理论研究并建立了 IC 设计公司产品市场需求量预测模型。其次，运用
模糊数理论和层次分析法研究并建立芯片代工厂评价选择模型，可帮助 IC 设计
公司对具有承接按订单生产任务的芯片代工厂进行评价和决策选择，以便其设
计成功产品也按客户订单及时交货。其三是本文综合运用运筹学的运输问题、0-1
规划和动态规划理论，为设计公司的待生产产品建立产能规划分派模型和求解
算法，并利用 C#语言进行计算机编程求解；该模型能够进行代工产能的预订和
管理，并清晰地给出分派结果，帮助企业迅速制定产能预订及规划方案。
本学位论文的研究成果不仅适用于集成电路行业设计公司，还适用于具有
产品成本高、生命周期短等特点的高科技产品制造行业企业，对于这些企业的市
场预测、供应商管理、产能分派等环节都具有一定的借鉴意义，有助于它们降低
生产成本、缩短生产周期、提高竞争力。同时，本成果也在一定程度上丰富了国
内IC设计公司的生产理论。
关键词：集成电路 灰色理论 模糊理论 需求预测 产能管理
ABSTRACT
Integrated Circuits (IC) industry is one of the important and new industries which
plays an important role in national economy, people's livelihood and national
information security. What it produces can greatly promote a large number of high-tech
industries, for example: the high-end equipment, materials, machine assembly and so
on. However, IC industry in China started late, and develops slowly on account of lack
of scientific management; therefore, it is a great challenge for local business to
introduce advanced management ideas and technology to reduce costs and explore new
profit growth point.
IC industry chain mainly includes design, production, packaging and testing.
Currently, IC Design Company makes market forecasting and chooses the foundry
relying on experience for a long time. How to establish market demand model meeting
for the IC design companies, how to determine the choice of IC foundries, and how to
conduct a reasonable Lean booking and management capacity, it is a key scientific
issues for China's IC design industry to seek development and enter into the
international stage.
The paper is in the perspective of IC Design Company, using systemic theory and
scientific program for application of gray system theory and artificial neural network
theory to forecast the market demand; application of fuzzy theory and analytic hierarchy
theory to evaluate and select IC foundries, and help IC design company to design
products successfully to delivery orders on time; application of transport theory, 0-1
planning theory and dynamic programming theory to construct capacity distribution
model, and solve the model using C# computer programming. The model can be used to
book and manage capacity; and presents the distribution results clearly to help the
company rapidly develop capacity booking and planning program.
This research of this dissertation not only can be employed to the Fabless, but also
to the high-tech products company characteristics with high cost and short life cycle. It
is help to propose solutions for market forecasts, vendor management and capacity
allocation. So as to reduce costs, shorten production cycle and improve competitiveness.
Furthermore, this study enriches the domestic production research about IC design
companies to some extent.
Key Word: Integrated Circuit(IC), Grey Theory, Fuzzy Theory,
Demand Forecast, Capacity Management
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论.....................................................1
§1.1 论文课题来源..............................................1
§1.1.1 研究背景..............................................1
§1.1.2 Fabless 介绍..........................................2
§1.1.3 问题的提出............................................3
§1.2 研究目的和意义............................................4
§1.2.1 研究目的..............................................4
§1.2.2 研究意义..............................................5
§1.3 研究内容..................................................5
§1.4 论文组织结构..............................................6
第二章 文献回顾...................................................8
§2.1 国内外研究现状及评述......................................8
§2.1.1 对集成电路代工厂选择的研究及评述......................8
§2.1.2 集成电路产能预订及分派研究............................8
§2.2 本文研究的理论基础........................................9
§2.2.1 灰色系统理论及人工神经网络理论........................9
§2.2.2 模糊理论.............................................10
§2.2.3 层次分析法理论.......................................13
§2.2.4 运输问题模型及 0-1 规划理论...........................14
§2.3 本章小结.................................................16
第三章 集成电路设计业发展现状分析................................17
§3.1 整个集成电路产业发展现状.................................17
§3.1.1 集成电路产业发展历程.................................17
§3.1.2 集成电路设计业特点...................................19
§3.2 我国集成电路设计业发展现状...............................19
§3.2.1 我国集成电路设计业现状...............................19
§3.2.2. 发展我国集成电路的对策与建议........................21
§3.3 我国集成电路设计业发展的 SWOT 分析........................22
§3.3.1 我国集成电路设计业的优势.............................22
§3.3.2 我国集成电路设计业的劣势.............................22
§3.3.3 我国集成电路设计业的机会.............................23
§3.3.4 我国集成电路设计业的威胁.............................24
§3.4 本章小结.................................................24
第四章 市场需求预测研究..........................................26
§4.1 前提分析及模型建立.......................................26
§4.1.1 前提及假设条件确定...................................26
§4.1.2 灰色人工神经网络模型构建.............................26
§4.2 实例分析.................................................27
§4.2.1 研究所需数据采集.....................................27
§4.2.2 建立灰色人工神经网络预测模型.........................28
§4.2.3 matlab 求解模型......................................29
§4.3 本章小结.................................................30
第五章 集成电路代工厂的选择研究..................................31
§5.1 集成电路制造业的发展现状.................................31
§5.1.1 集成电路代工厂特点介绍...............................31
§5.1.2 集成电路代工厂现状...................................31
§5.2 集成电路代工厂评价指标体系...............................32
§5.3 层次分析法(AHP)及改进模型介绍............................33
§5.3.1 层次分析法简介.......................................33
§5.3.2 改进模型理论介绍.....................................33
§5.4 实例研究.................................................36
§5.5 本章小结.................................................39
第六章 产能管理研究..............................................40
§6.1 产能管理问题描述.........................................40
§6.2 产能分派考虑因素分析.....................................41
§6.3 建立产能预订分派数学模型.................................41
§6.3.1 产能预订分派模型的说明...............................41
§6.3.2 模型的建立...........................................43
§6.4 实例研究及方案优化.......................................43
§6.4.1 实例研究.............................................43
§6.4.2 模型求解.............................................44
§6.5 本章小结.................................................48
第七章 总结与展望................................................49
附 录...........................................................51
参考文献.........................................................59
第一章 绪论
第一章 绪 论
1947 年12 月，贝尔实验室的科学家 William Shockley, John Bardeen 和Walter
Brattain 合作发明了人类历史上第一个半导体元件。自从 1958 年美国德克萨斯仪器
公司(TI)成功开发集成电路(IC)后，随着硅平面技术的发展，六十年代先后发明了
双极型和 MOS 型两种重要的集成电路，标志着由电子管和晶体管来制造电子整
机的时代发生了质的飞跃，创造了一个前所未有的具有极强渗透力和旺盛生命力
的新兴产业——集成电路产业。
将二极管、三极管、电阻、电容等电路组件聚集在芯片上，形成完整的逻辑电
路，从而达到控制、计算或记忆等功能，这种半导体芯片就是所谓的集成电路
(Integrated Circuit, IC)。
§1.1 论文课题来源
§1.1.1 研究背景
近年来，全球集成电路产业向中国的转移、我国高速发展的经济、大量具备国
外大型企业工作经验的人才回归，我国政府已经出台和正在出台的一系列优惠政
策，以及越来越好的创业氛围为我国集成电路设计业造就了一个不断优化的发展
环境。应该看到，我们处在一个机遇和挑战并存的年代，处在一个不可多得的历
史发展时期，我们正面临着不可多得的集成电路产业发展机遇，同时，也面临着
巨大的内、外部挑战。
国家鼓励海内外各种资源投入集成电路设计业，在国家政策春风之下，海外
投资和留学生创办的集成电路设计企业如雨后春笋般在全国各地出现。集成电路
产业得到了前所未有的快速成长，特别是集成电路设计业发展更是日新月异。以
创新为先导、以市场为龙头、以行业应用为主战场、以产品为基础、以新技术为支撑
初步形成了具有中国特色的集成电路设计业发展模式。
经过 20 多年的发展，IC 设计已成为全球半导体工业最重要的产业环节之一。
中国作为这一领域的后期之秀，在过去几年时间里，IC 设计公司快速发展，成为
令世界瞩目的一支新兴力量，开始影响世界半导体产业的大格局。
IC 设计位于 IC 产业体系的前端，主要为自行研发设计或接受客户委托设计，
将所需的电路布局图设计完成，通过产业分工将光罩制作、晶元与封装等工作委
托下游厂商代工，最后再自行测试或交由专业测试厂代为测试。IC 设计公司的人
才、产品、技术、行销通路、资金和上下游联盟体系的建立，均是其所必须具备的关
键成功因素。面对同行业企业的激烈竞争，IC 设计公司为确保其竞争优势，避免
被市场所淘汰，采取相应的优化对策、实施科学准确的精益管理迫在眉睫。
与此同时，集成电路对国民经济的作用已被人们充分认识，它可表示为：IC
业:电子整机业:应用服务业=1:10:100。有关资料表明，集成电路对一个国家经济
发展的贡献率远大于其它产业：钢铁对GNP 的贡献率为1，汽车对GNP 的贡献
率为5，彩电对 GNP 的贡献率为30，计算机对 GNP 的贡献率为1000，而集成电
路对 GNP 的贡献率为3000，发达国家 GNP的增长部分65%与IC 相关。然而目前
我国国产 IC 约占世界半导体销售额的1%，国内市场满足率不到20%，可以说我
国是一个 IC 的“消费大国”，但又是一个 IC 的“生产小国”，为改变这种不适
应状况，政策已制订了国家和地方的优惠政策，在今后的10-15 年内将集中力量
1
IC 设计公司市场需求预测及产能管理之研究
发展我国集成电路产业[1]。
大背景、大形势：绿色经济、低碳经济。绿色经济、低碳经济已经成为一种世界
潮流，市场对节能降耗产品和新能源的需求已经上升到一个新的水平，半导体产
业必然随着社会需求的变化不断变革。新能源和节能降耗产品技术成为开发热点。
英特尔、三星、台积电等半导体巨头纷纷投身到节能应用中，在太阳能光伏等新能
源和节能领域加大研发力度。在这种大趋势下，以技术创新为主要特征的各大半
导体企业正在加快企业结构和产品结构调整。
§1.1.2 Fabless 介绍
IC 设计公司是集成电路(Integrated Circuit，IC)产业链的上游，大多数设计公
司都没有自己的生产线，产品需要委外生产。
根据学者方淑儒[2]对IC 设计公司的整理，IC 设计公司分为以下四类：
(1) 专业IC 设计公司，也即是本文所要研究的 Fabless：这类设计公司只负
责IC 的研发和设计，其核心竞争力是新产品的研发，没有自己的晶圆芯片制造厂、
针测厂、封装厂、测试厂，所有产品的制造等后续工序都采用外包的形式，这种完
全委外生产的 IC 设计公司称为无晶圆公司(Fabless Company)，如上海的展讯，华
虹，泰鼎等。这类公司为本文主要研究对象，以下都简称为Fabless。
Fabless 是专注于设计与销售应用半导体晶片的硬体装置并透过将半导体的
生产制造外包予专业晶圆代工半导体制造厂商来取得优势的公司[3]。Fabless 可将
其资源集中在最终市场研发而不需投放资源于保有当前的半导体技术。由于他们
的主要产品由专利许可、商业秘密、光罩著作及其他形式的知识产权构成而被称为
知识产权公司(IP firms)。Fabless 开拓市场后(或根据市场未来的需求进行风险投
资)进行产品设计，将设计的成果外包给 Foundry 厂家生产芯片，生产出来的芯片
返回Fabless，由Fabless封装测试后独家销售。
(2) IC 制造商所辖属的设计部门：晶圆芯片制造厂中，拥有为自己服务的设
计部门，专门研发自己专属的IC 产品，产品并在自己的制造厂加工。
(3) 外商在内地的 IC 设计部门：公司是外商公司研发单位的在华分支部门。
(4) 系统制造商所辖属的IC 设计中心：部分IC 电路板，电脑系统商为了内
部系统需求，研发设计的为自己系统所使用的 IC 芯片。但这类公司面临着高昂的
成本的巨大压力，这类企业已经转型或者被裁撤。
§1.1.3 问题的提出
“半导体产业是工程师的天堂，但却是经营者的地狱”，日本半导体教父川
西刚先生认为，“半导体技术日新月异，能够维持 IC 工程师们的科研兴趣，但是
其周期性景气指数的剧烈变动，生命周期越来越短以及同行之间竞争的日趋激烈
总是折磨着半导体产业的资本的经营者们。”被誉为“20 世纪最佳经理人”的
Jack Welch 也指出，半导体行业的资本密度越来越高，生命周期越来越短，投资
回报率低，促使 Welch 迫不及待的卖掉麾下的半导体部门。这侧面反映出了半导
体行业瞬息万变的特点，体现了从事半导体经营的难度。
(1) 精确产品的市场需求量的预测
作为技术密集型行业的典型代表——集成电路(IC)行业，科学技术迅猛发展、
企业内部环境系统、外部竞争、替代品生产以及消费者偏好等诸多因素的影响，致
使IC 市场需求时刻发生变化，因此它是一个随机性变化较大的变量。半导体产业
2
第一章 绪论
的周期循环，主要受六种力量影响，包括：全球经济情况、电子设备制造、芯片供
需情况、资金投入、产业和私人公司获利、市场竞争，导致市场需求不确定性急剧
增加；另外，近年来半导体产品的生命周期日趋缩短，间接增大了该产业市场需
求预测的难度，因此，需求预测管理成了半导体企业，特别是Fabless 企业运营
过程中重要的环节。
研究统计显示，目前有高达70 %的IC 企业不能进行较为准确的需求预测[4]。
这将直接引发企业交期延误、资金周转率降低、库存积压及成本增加等危机。半导
体产业分工具体明细，上下游程序息息相关，若能根据市场情况及行业政策，进
行有效准确的市场预测，则可有效降低市场不稳定带来的风险，使得企业提升自
身的订单交货率和顾客满意度，进而获得更多的市场份额。
(2) 长期合作伙伴——IC 代工厂的合理选择
集成电路产业链的上游是 IC 设计公司，产品需要委外生产，随之产生 IC 代
工厂选择的问题。目前还没有建立规范的IC 代工厂评价指标体系，IC 设计公司往
往根据经验选择代工厂，从而影响了现代IC 设计公司的发展。
IC 代工厂的选择受到管理、技术、成本等因素的影响，而且多数为不确定性或
模糊性的因素，因而IC 代工厂的选择问题实质是信息不确定性或模糊性的多属性
决策问题。目前解决该问题的方法一般有专家经验法、层次分析法和神经网络技术
等，专家经验法和层次分析法属于定性方法，带有较大的主观性和不确定性；采
用神经网络技术则又需要充足的大量的数据、深厚的数学知识和计算机相应软件
支持；由于信息模糊性或不确定性的多属性决策中的属性值可以以三角模糊数[5]
形式表示，三角模糊数层次综合评价模型，可以克服以上方法的缺点。本文通过
建立了 IC 代工厂选择的三角模糊数与层次分析法综合的评价模型，为 IC 设计公
司选择 IC 代工厂提供了简单易行可操作的多因素、多方案选优的科学方法。
(3) 产能外包分派
Fabless 公司专注于产品的开发和研制，所以必须预测和掌握市场的发展动向 ，
才能及时推出具有竞争力的产品，迎合顾客的需求，进而为公司创造利润。同时
因为Fabless 公司没有自己的制造工厂，何时生产、生产多少，都不能随心所欲的
决定，都需要根据产品的市场预测需求量和现有的库存量，来预定下游代工厂、
测试厂、封装厂的产能，以便于产品能及时上市，抢占市场先机。然而如何根据库
存量和预测的需求量安排产能，即在什么时期分派多少产能给那些代工厂、测试
厂、封装厂。
§1.2 研究目的和意义
§1.2.1 研究目的
产能分派规划(Capacity Allotting Planning: CAP)的重要性无需多言，合理
的产能规划能有效缩短产品生产周期，抢占市场先机。然而为了协助做好CAP，
前期的产品市场需求量预测和代工厂的选择也需要进行探讨。Faless 公司的完全委
外生产特性，使得在各个生产加工测试环节，都有其独特的产能分派需求条件和
限制。因而，传统的生产规划方法无法解决 Fabless 公司的产能反派规划问题；同
时，外包产能的估算和产能的分派，也受完全委外生产特性的影响，所以要对其
加以考虑和研究。此外，CAP 所面临的诸多问题，如产品的市场需求量如何预测，
代工厂如何选择，产能如何估算等，都必须加以研究，以便在以后的管理过程中
3
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摘要集成电路(IC)行业是关系国计民生、信息安全的国家战略新兴行业之一，在我国高新技术产业发展中占有重要战略地位，它所生产的集成电路芯片产品能极大地带动高端装备设备、材料以及下游整机等一大批高技术产业的发展。然而IC产业在我国起步晚、发展慢、管理缺乏科学性，通过引入先进的管理思想和技术，降低成本，发掘新的利润增长点，是我国IC企业面临的挑战。集成电路产业链主要包括设计、生产、封装、测试四个环节。目前，我国的IC设计公司一般都是借助于过去的经验进行产品市场预测和芯片加工代工厂的选择。如何建立符合IC设计公司的市场需求模型，如何确定IC代工厂的选择方法以及如何合理精益地进行产能预订和管理，是我国I...
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作者：陈辉
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