在芯片產(chǎn)業(yè)鏈中，被國外壟斷的技術(shù)和產(chǎn)品，不止光刻機(jī)，也不止 EDA。芯片制造過程中必需的工業(yè)軟件，也曾被國際巨頭壟斷了將近 40 年，它就是芯片制造的大管家：CIM（Computer Integrated Manufacturing，計(jì)算機(jī)集成制造）。
掌控晶圓生產(chǎn)的大腦
CIM 是掌控半導(dǎo)體制造的生命級(jí)系統(tǒng)，被行業(yè)稱為制造的大腦，可以簡(jiǎn)單地將它理解為制造相關(guān)工業(yè)軟件的集合體。它覆蓋了產(chǎn)品整個(gè)生命周期 [1]，由 MES（生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)）、EAP（裝備控制平臺(tái)）、SPC（統(tǒng)計(jì)過程控制）、YMS（良率分析控制系統(tǒng)）、APC（先進(jìn)過程控制）、PDC（故障偵測(cè)及分類）、RTS（FAB 實(shí)時(shí)調(diào)度排產(chǎn)系統(tǒng)）等數(shù)十種軟件系統(tǒng)組成。[2]
整個(gè) CIM 系統(tǒng)中，MES 尤為重要，決定了整個(gè)代工廠的發(fā)展水平，成本約占 CIM 系統(tǒng)的 15%，一旦該系統(tǒng)出現(xiàn)問題，將會(huì)導(dǎo)致上億元的損失 [3]。MES 是指揮芯片制造的一套智慧經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)，包含產(chǎn)品流定義、設(shè)備管理、材料移動(dòng)管理、制品跟蹤與工藝數(shù)據(jù)管理幾個(gè)部分 [4]。由于 MES 核心地位，行業(yè)通常在提及 CIM 時(shí)連帶 MES，即 CIM / MES。
說了這么多，CIM 究竟是做什么的？
一是統(tǒng)籌管理制造生產(chǎn)流程，提升生產(chǎn)良率和效率；
二是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的智能制造，幫助制造商快速部署系統(tǒng)，增強(qiáng)在成本、質(zhì)量和生產(chǎn)周期上的競(jìng)爭(zhēng)。[5]
造芯，是資本的游戲。一座晶圓廠拔地而起，是數(shù)以百億美元計(jì)的投入，當(dāng)晶圓廠投入生產(chǎn)，就如同每分每秒都不停歇的印鈔機(jī)，少運(yùn)轉(zhuǎn)幾分就少賺幾份錢。而一顆芯片要經(jīng)歷將近上千道制造工序，任何環(huán)節(jié)都容不得差錯(cuò)。CIM 便是將這一切安排妥當(dāng)?shù)墓芗?，服?wù)著生產(chǎn)良率和效率，降低每顆芯片的成本，從而獲取更多利潤(rùn)。[6]
隨著半導(dǎo)體器件和制造工藝復(fù)雜性不斷增加，CIM 已成為半導(dǎo)體制造不可或缺的一部分。傳統(tǒng)方案通常是孤立或松散連接的，并且難以擴(kuò)展額外需求，而 CIM 則能夠?qū)⑦@一切集成起來 [7]。ITRS 2007 指出，半導(dǎo)體晶圓集成分為晶圓廠運(yùn)營(yíng)、生產(chǎn)設(shè)備、材料處理、晶圓廠信息、控制系統(tǒng)及設(shè)施五個(gè)部分，CIM 驅(qū)動(dòng)的晶圓廠運(yùn)營(yíng)將會(huì)是其他部分運(yùn)作的推動(dòng)力。[8]
1986 年東芝公司一項(xiàng)研究結(jié)果表明，使用 IC-CIM 技術(shù)生產(chǎn) 256kbyte DRAM 存儲(chǔ)器電路，能夠改善四項(xiàng)生產(chǎn)制造指標(biāo)。[9]
另據(jù)一些公司統(tǒng)計(jì)，在 CIM 投入使用一年后，設(shè)備停機(jī)時(shí)間減少了 45%、設(shè)備設(shè)置時(shí)間縮短了 38%、設(shè)備利用率提高了 30%、周期時(shí)間縮短了 23%、廢品減少了 22.5%、產(chǎn)品良率提高了 15%、生產(chǎn)成本降低了 34%、凈利潤(rùn)增長(zhǎng)近 60%。[10]
研究發(fā)現(xiàn)，CIM 越早投入使用，效果越好。晶圓廠生產(chǎn)整個(gè)生命周期是呈 S 曲線的，對(duì)于造價(jià)超過 200 億美元的晶圓廠來說，在未使用 CIM 系統(tǒng)情況下，始終會(huì)與生產(chǎn)目標(biāo)相差數(shù)億美元甚至數(shù)十億美元，這意味著這部分的資金回收期會(huì)被延長(zhǎng)，而越早地使用 CIM，這部分資金越早能被回收。[11]
CIM 概念早在 1973 年便由美國約瑟夫?哈靈頓（Joseph Harrington）在“Computer Integrated Manufacturing”一書中提出，不單單只有半導(dǎo)體行業(yè)需要 CIM，任何需要智能制造的場(chǎng)景，都存在它的身影，諸如制藥、食品和飲料、醫(yī)療設(shè)備、航空航天、國防和生物技術(shù)等，而它也曾一度帶領(lǐng)半導(dǎo)體格局生變。
20 世紀(jì) 80 年代初，美國經(jīng)濟(jì)危機(jī)波及全社會(huì)，電子產(chǎn)品也不例外。雖然美國半導(dǎo)體在技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域依然強(qiáng)勢(shì)，但自己產(chǎn)品的占有率卻越來越低，索尼與松下等日本企業(yè)開始主導(dǎo)存儲(chǔ)市場(chǎng)，并將微處理器作為下一發(fā)展目標(biāo)。
時(shí)間來到 90 年代中期，短短十幾年，美國又重新拿回失去的市場(chǎng)。拋開政治和策略因素，SEMATECH（半導(dǎo)體制造技術(shù)聯(lián)合體）無疑是引發(fā)嬗變的關(guān)鍵點(diǎn)，它于 1988 年正式開始運(yùn)作，由聯(lián)邦政府和 14 家大型半導(dǎo)體公司組成，包括 IBM、英特爾、摩托羅拉、德州儀器等行業(yè)巨頭 [12]。在每年 2 億美元加持下 [13]，美國的制造科學(xué)和半導(dǎo)體工藝技術(shù)開始融合，CIM 是當(dāng)時(shí)發(fā)展中最關(guān)鍵的部分之一。
要知道，在當(dāng)時(shí)，典型可大批量生產(chǎn)的先進(jìn)制造設(shè)施總成本超過 100 萬美元（相當(dāng)于現(xiàn)在的數(shù)十甚至上百億美元），更為困難的是，連續(xù)數(shù)百個(gè)工藝中每一步都有損失良率的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)時(shí)的集成電路制造工藝良率可低至 20%~80%。[9]
1991 年，SEMATECH 啟動(dòng)了 CIM 框架項(xiàng)目，自那時(shí)起，美國半導(dǎo)體制造業(yè)迎來變革，在 CIM 加持下，芯片成品率獲得有效提升，產(chǎn)品生產(chǎn)周期也得以縮短，保證了產(chǎn)品質(zhì)量與性能 [14]。1998 年，SEMATECH 又開發(fā)了 CIM 框架規(guī)范，從而在半導(dǎo)體行業(yè)實(shí)現(xiàn)了開放多供應(yīng)商 CIM 系統(tǒng)環(huán)境。[15]
回望歷史，短短十幾年前，晶圓廠運(yùn)營(yíng)還要依靠工人推著小車，親自按下啟動(dòng)按鈕，通過電子表格追蹤制品，而現(xiàn)在晶圓生產(chǎn)擁有了從設(shè)備整合數(shù)據(jù)的能力，自動(dòng)化地實(shí)現(xiàn)物料搬送 [16]，CIM 無疑是讓智能制造邁向新臺(tái)階的關(guān)鍵。
當(dāng)芯片制造逐漸被國內(nèi)重視和大力發(fā)展，CIM 的國產(chǎn)替代便顯得格外重要，但想做好 CIM 并沒有想象中簡(jiǎn)單。
被兩家巨頭壟斷近 40 年
CIM 準(zhǔn)入門檻很高，被行業(yè)稱為工業(yè)軟件中的高地。
CIM 作為涵蓋晶圓生產(chǎn)所有環(huán)節(jié)的工業(yè)軟件，不僅需要開發(fā)者擁有過硬的軟件實(shí)力，還要對(duì)每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)了如指掌，并將二者無縫銜接在一起。更困難的是，半導(dǎo)體制造領(lǐng)域還存在諸多技術(shù)秘密（Know-how），若非資深行業(yè)人士，很難踏入該領(lǐng)域。
此外，CIM 并非簡(jiǎn)單地將軟件疊加在一起，而是有機(jī)組合，通過與不同廠商、不同晶圓廠高度定制，將原本獨(dú)立運(yùn)行的多個(gè)單元系統(tǒng)組成一個(gè)協(xié)同工作的、功能更強(qiáng)的新系統(tǒng) [17][18]。與此同時(shí)，客戶可接受容錯(cuò)率也很低，軟件穩(wěn)定性需達(dá)到 99.9999%。[19]
即便是能做出 CIM 系統(tǒng)，替換掉舊系統(tǒng)也并非易事。打個(gè)比方來說，如果將晝夜無休的半導(dǎo)體制造工廠看作高速行駛的飛機(jī)，CIM 便是驅(qū)動(dòng)飛機(jī)持續(xù)飛行的核心引擎，要替換全新 CIM 系統(tǒng)，好比開著飛機(jī)換引擎。可見 CIM 領(lǐng)域難度之大。[20]
近年來，12 英寸晶圓廠興起，帶動(dòng)了 CIM 大規(guī)模應(yīng)用。隨著晶圓尺寸從 4 英寸變?yōu)?6 英寸、8 英寸、12 英寸，不僅投資數(shù)額暴增，制造設(shè)備、流程、工藝也都變得更為復(fù)雜，假若這種情況下 CIM 發(fā)生故障，將會(huì)是一筆不小的損失，因此，市場(chǎng)開始對(duì) CIM 提出了更高的要求。[21]
但就是這樣難做的行業(yè)，全球市場(chǎng)卻說不上非常大。據(jù) Technavio 數(shù)據(jù)顯示，2021 年~2026 年整個(gè) CIM 市場(chǎng)（包含光伏制造、制藥、半導(dǎo)體制造等）潛在市場(chǎng)增長(zhǎng)份額為 87.2 億美元 [22]；另據(jù) IDC 報(bào)告顯示，2021 年中國 MES 總體市場(chǎng)份額約為 38.1 億元人民幣 [23]，這種情況下，細(xì)分到半導(dǎo)體的市場(chǎng)份額可能會(huì)更少。
更尷尬的是，CIM 中核心的 MES 系統(tǒng)只占晶圓廠總投資的 1%，相比動(dòng)輒上百億的晶圓廠，很難引發(fā)起行業(yè)重視，上游廠商更偏向于使用成熟方案以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)中各種問題。[24]
所幸的是，全球新建晶圓產(chǎn)能正在逐步增加，特定客戶對(duì) CIM 需求量增大。據(jù) SEMI《世界晶圓廠預(yù)測(cè)報(bào)告》顯示，預(yù)計(jì)全球半導(dǎo)體行業(yè)將在 2021 年~2023 年間開始建設(shè)的 84 座大規(guī)模芯片制造工廠中投資 5000 多億美元。[25]
目前半導(dǎo)體 CIM 格局集中度較高，應(yīng)用材料（Applied Materials）、IBM 并稱為半導(dǎo)體 CIM 雙雄，兩家公司壟斷市場(chǎng)將近 40 年之久。從發(fā)展歷史來看，兩家公司的技術(shù)時(shí)間跨度也很長(zhǎng)。
應(yīng)用材料與 IBM 兩家公司面對(duì)的客戶均為全球最先進(jìn)的晶圓廠或 IDM 廠商，而二者發(fā)展側(cè)重點(diǎn)并不相同。
應(yīng)用材料不僅是 CIM 的絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)者，也是一家半導(dǎo)體設(shè)備龍頭企業(yè)，經(jīng)過大量收購 CIM 先進(jìn)企業(yè)后，該公司采取“軟件 + 硬件”捆綁銷售形式，占據(jù)一方市場(chǎng)。
IBM 則更偏向 AI 云網(wǎng)結(jié)合，通過不斷收購相關(guān)公司補(bǔ)充技術(shù)能力，同時(shí) IBM 還設(shè)有自家晶圓廠，可在自家晶圓廠試錯(cuò)積攢經(jīng)驗(yàn)。[29]
國產(chǎn)已實(shí)現(xiàn)初步替代
前兩年，CIM 還是一個(gè)小眾賽道，僅擁有少數(shù)幾個(gè)國產(chǎn)玩家，極少被資本所青睞。
自國產(chǎn)替代呼聲響起，加之 EDA、光刻機(jī)等典型卡脖子領(lǐng)域關(guān)注度提升，帶動(dòng)資本對(duì) CIM 關(guān)注度。2022 年下半年，投融資市場(chǎng)開始活躍，其中不乏紅杉資本、高瓴資本、華登國際、上汽集團(tuán)及旗下恒旭資本、比亞迪股份、韋豪創(chuàng)芯等明星投資機(jī)構(gòu)。
縱覽國內(nèi)整體行業(yè)，均是以 MES 為核心的 CIM 方案，覆蓋制造各個(gè)環(huán)節(jié)。此外，大多數(shù)國產(chǎn)廠商選擇布局以光伏、LED、平板顯示和半導(dǎo)體為核心的泛半導(dǎo)體行業(yè)，并向鋰電、新能源等更多行業(yè)進(jìn)發(fā)，以期更大市場(chǎng)。
據(jù)集微網(wǎng)文章顯示，目前，封裝領(lǐng)域的 CIM 系統(tǒng)基本已被國產(chǎn)廠商包攬，而這充分說明國外的產(chǎn)品并非不可替代，只是要有耐心。而在傳統(tǒng)卡脖子的 12 英寸 MES 方面，近兩年國內(nèi)也已實(shí)現(xiàn)初步突破。[24]
基于國產(chǎn)現(xiàn)狀，果殼硬科技團(tuán)隊(duì)認(rèn)為：
雖然 CIM 市場(chǎng)規(guī)模不及實(shí)體芯片產(chǎn)業(yè)，但在特定客戶需求和晶圓產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)張前提下，也擁較為廣闊的利潤(rùn)空間，集微咨詢信息顯示，國內(nèi)在建大硅片廠 12 英寸硅片產(chǎn)能超 6000 萬片 / 年 [35]，對(duì)國產(chǎn) CIM 來說，與上游晶圓廠聯(lián)合意義重大，此外，泛半導(dǎo)體不同子行業(yè)間具有一定相通性，國產(chǎn)廠商應(yīng)抓住這樣的機(jī)遇；
地緣因素影響下，CIM 補(bǔ)足自主產(chǎn)業(yè)鏈意義重大，可以把它理解成光刻機(jī)與光刻膠的關(guān)系，即便研發(fā)難度大且投入回收期長(zhǎng)，也要擁有國產(chǎn)自主可控產(chǎn)品，更何況 CIM 還處在工業(yè)軟件領(lǐng)域，可能還會(huì)牽扯到信息安全方面問題；
迄今為止，國內(nèi)已不缺乏半導(dǎo)體 CIM 廠商，但對(duì)于投資巨大的晶圓廠來說，嘗試使用新產(chǎn)品，無疑是一次試錯(cuò)冒險(xiǎn) [29]，這也是為何應(yīng)用材料公司和 IBM 能穩(wěn)坐龍頭之位，鑒于以往，國產(chǎn)上游廠商需警惕 CIM 供應(yīng)商過于單一的情況，可嘗試采用國內(nèi)外雙線策略，甚至可嘗試多元供應(yīng)商的策略；
雖然國內(nèi)已初步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代，但相比國外巨頭技術(shù)依然存在差距，為拓寬國產(chǎn) CIM 技術(shù)邊界，可借鑒應(yīng)用材料公司和 IBM 發(fā)展歷程，不斷整合并購，增強(qiáng)技術(shù)集中度，另外國產(chǎn)晶圓廠或 IDM 廠商也可并購相關(guān)技術(shù)，建立純自主產(chǎn)線；
應(yīng)用材料公司認(rèn)為，跨晶圓廠許多區(qū)域是部署中最耗時(shí)的因素之一，由于每個(gè)晶圓廠情況不同，從一個(gè)工廠到另一個(gè)工廠需要大量定制，需要 6~12 個(gè)月的時(shí)間，同時(shí)半導(dǎo)體自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)常會(huì)駐留在具有各自集成方法的不同 CIM 的應(yīng)用程序中，其 SmartFactory CIM 方案就是解決了這些問題，值得國內(nèi)借鑒；[36]
融資潮過后，國內(nèi)涌現(xiàn)大量 CIM 企業(yè)，但切忌浮躁，半導(dǎo)體領(lǐng)域投資邏輯與傳統(tǒng)大多行業(yè)不同，整體回收期較長(zhǎng)，且 CIM 領(lǐng)域更為看重經(jīng)驗(yàn)積累，此前部分國產(chǎn)廠商曾坦言，前期 2~3 年產(chǎn)品銷售困難，不過一旦撐過這段時(shí)期，腳踏實(shí)地地迭代產(chǎn)品和積累口碑，客戶信任度便會(huì)迎來明顯上升，是值得布局的長(zhǎng)線生意。
雖然國產(chǎn) CIM 格局已初步形成，但不得不承認(rèn)現(xiàn)在國產(chǎn)與國外仍有差距。目前，中國工業(yè)軟件發(fā)展已迎來政策窗口期 [37]，展望未來 5~10 年，半導(dǎo)體 CIM 或迎來發(fā)展熱潮。
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[32] 集微網(wǎng)：半導(dǎo)體工業(yè)軟件企業(yè)華經(jīng)信息完成數(shù)千萬元 A 輪融資.2022.10.4.https://www.laoyaoba.com/ n/834197
[33] 投資界：「格創(chuàng)東智」獲數(shù)億元 B 輪融資，專注于半導(dǎo)體行業(yè)智能制造升級(jí).2022.11.4.https://news.pedaily.cn/ 202211/503219.shtml
[34] 投資界：「喆塔科技」獲近億元 A 輪融資，合肥產(chǎn)投、耀途資本聯(lián)合領(lǐng)投.2022.11.22.https://news.pedaily.cn/ 202211/504064.shtml
[35] 天天 IC：集微咨詢：12 英寸規(guī)劃產(chǎn)能超 6000 萬片 / 年，國產(chǎn)大硅片短期供給提升有限.2022.4.20.https://mp.weixin.qq.com/ s / Dpv4_K_HgHoUwNsraO3crA
[36] 應(yīng)用材料公司：利用經(jīng)行業(yè)驗(yàn)證的交鑰匙 CIM 解決方案實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的工廠 KPI.https://appliedsmartfactory.com/ zh-hans / blog / cim-solution/
[37] 中國服務(wù)貿(mào)易指南網(wǎng)：專家：中國工業(yè)軟件發(fā)展迎來政策窗口期.2022.6.20.http://tradeinservices.mofcom.gov.cn/ article / yanjiu / pinglun / 202206/134491.htm
本文來自微信公眾號(hào)：果殼硬科技 （ID：guokr233），作者：付斌，編輯：李拓
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