Modélisation et résolution de problèmes d'optimisation multi-objectifs pour l'ordonnancement de systèmes de production complexes

• Auteur / Autrice : Jérémy, Joseph, Marcel Berthier
• Direction : Stéphane Dauzère-Pérès
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Recherche opérationnelle
• Date : Inscription en doctorat le 03/03/2020; Soutenance le 25/09/2023
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : STMicroelectronics

Mots clés

Mots clés libres

Recherche opérationnelle

Optimisation multi-objectifs

Programmation mathématique

Ingénierie industrielle

Semi-conducteurs

Ordonnancement

Operations research

Multi-objective optimization

Mathematical programming

Industrial engineering

Scheduling

Semiconductor

Résumé

Les processus de fabrication des semi-conducteurs sont probablement les plus complexes au monde, avec plus de mille opérations à réaliser par produit sur plusieurs centaines de machines différentes. Ordonnancer les opérations au sein des ateliers de fabrication s'avère donc particulièrement difficile en raison du large éventail de contraintes et des nombreux objectifs opérationnels. Pour faire face à cette complexité, des algorithmes d'optimisation sont de plus en plus utilisés pour ordonnancer en temps réel les opérations de production, en commençant par les ateliers les plus critiques comme celui de photolithographie qui est considéré dans cette thèse. Cette thèse apporte des contributions en termes de modélisation et de résolution de problèmes d'optimisation multi-objectifs pour l'ordonnancement des opérations de production dans des ateliers de fabrication complexes. Deux méthodes d'accélération de la résolution par un solveur standard de modèles de programmation linéaire en nombres entiers pour l'ordonnancement sur machines parallèles sont proposées. Ces méthodes sont validées à l'aide de données industrielles de l'usine 300mm de STMicroelectronics à Crolles. Un cadre formel de comparaison de fonctions objectif est ensuite défini et appliqué mathématiquement et expérimentalement aux différents critères d'ordonnancement considérés dans l'industrie des semi-conducteurs. Une analyse et une refonte des objectifs actuellement mis en œuvre sont également proposées. Ce travail a permis de rationaliser les objectifs à utiliser et de réduire significativement leur nombre. Ensuite, une généralisation du critère appelé X-Factor est présentée afin d'intégrer une approche plus contextuelle et tactique de la méthode d'ordonnancement actuellement utilisée par STMicroelectronics, et de manière plus générale en fabrication de semi-conducteurs. La pertinence de ces différentes contributions est aussi analysée à l'aide d'expérimentations conduites sur des données industrielles. Enfin, d'autres contributions industrielles et scientifiques réalisées au cours de la thèse sont exposées.

The semiconductor sector has experienced uninterrupted growth since its emergence. Its industry has some of the most complex manufacturing processes, a complexity that is increased by the high degree of diversification of its products. Scheduling operations on the manufacturing floor is therefore particularly difficult, given the wide range of constraints and the many operational objectives involved. In order to remedy this, optimization algorithms and mathematical programming are increasingly used for real-time scheduling of production operations, starting with the most critical areas such as the photolithography area of the 300mm plant of STMicroelectronics Crolles, which is considered in this thesis. This thesis proposes contributions in terms of modeling and solving multi-objective optimization problems for scheduling. Two methods for accelerating the resolution of integer linear programming models for scheduling on parallel machines are introduced and validated using industrial data. Then, a formal framework for objective function comparison is defined and applied mathematically and experimentally to different scheduling criteria considered in the semiconductor industry. An analysis and redesign of the currently implemented objectives are also proposed. A generalization of the X-Factor function is introduced in order to integrate contextual and tactical control of the scheduling method used by STMicroelectronics. Finally, some other industrial and scientific contributions to the thesis are also presented.