在芯片產(chǎn)業(yè)鏈中，被國外壟斷的技術和產(chǎn)品，不止光刻機，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，計算機集成制造）。
掌控晶圓生產(chǎn)的大腦
CIM 是掌控半導體制造的生命級系統(tǒng)，被行業(yè)稱為制造的大腦，可以簡單地將它理解為制造相關工業(yè)軟件的集合體。它覆蓋了產(chǎn)品整個生命周期 [1]，由 MES（生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)）、EAP（裝備控制平臺）、SPC（統(tǒng)計過程控制）、YMS（良率分析控制系統(tǒng)）、APC（先進過程控制）、PDC（故障偵測及分類）、RTS（FAB 實時調(diào)度排產(chǎn)系統(tǒng)）等數(shù)十種軟件系統(tǒng)組成。[2]
整個 CIM 系統(tǒng)中，MES 尤為重要，決定了整個代工廠的發(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，將會導致上億元的損失 [3]。MES 是指揮芯片制造的一套智慧經(jīng)營系統(tǒng)，包含產(chǎn)品流定義、設備管理、材料移動管理、制品跟蹤與工藝數(shù)據(jù)管理幾個部分 [4]。由于 MES 核心地位，行業(yè)通常在提及 CIM 時連帶 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；
二是實現(xiàn)自動化的智能制造，幫助制造商快速部署系統(tǒng)，增強在成本、質(zhì)量和生產(chǎn)周期上的競爭。[5]
造芯，是資本的游戲。一座晶圓廠拔地而起，是數(shù)以百億美元計的投入，當晶圓廠投入生產(chǎn)，就如同每分每秒都不停歇的印鈔機，少運轉(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。CIM 便是將這一切安排妥當?shù)墓芗?，服務著生產(chǎn)良率和效率，降低每顆芯片的成本，從而獲取更多利潤。[6]
隨著半導體器件和制造工藝復雜性不斷增加，CIM 已成為半導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，半導體晶圓集成分為晶圓廠運營、生產(chǎn)設備、材料處理、晶圓廠信息、控制系統(tǒng)及設施五個部分，CIM 驅(qū)動的晶圓廠運營將會是其他部分運作的推動力。[8]
1986 年東芝公司一項研究結(jié)果表明，使用 IC-CIM 技術生產(chǎn) 256kbyte DRAM 存儲器電路，能夠改善四項生產(chǎn)制造指標。[9]
另據(jù)一些公司統(tǒng)計，在 CIM 投入使用一年后，設備停機時間減少了 45%、設備設置時間縮短了 38%、設備利用率提高了 30%、周期時間縮短了 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%、凈利潤增長近 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)整個生命周期是呈 S 曲線的，對于造價超過 200 億美元的晶圓廠來說，在未使用 CIM 系統(tǒng)情況下，始終會與生產(chǎn)目標相差數(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被延長，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，不單單只有半導體行業(yè)需要 CIM，任何需要智能制造的場景，都存在它的身影，諸如制藥、食品和飲料、醫(yī)療設備、航空航天、國防和生物技術等，而它也曾一度帶領半導體格局生變。
20 世紀 80 年代初，美國經(jīng)濟危機波及全社會，電子產(chǎn)品也不例外。雖然美國半導體在技術開發(fā)領域依然強勢，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)開始主導存儲市場，并將微處理器作為下一發(fā)展目標。
時間來到 90 年代中期，短短十幾年，美國又重新拿回失去的市場。拋開政治和策略因素，SEMATECH（半導體制造技術聯(lián)合體）無疑是引發(fā)嬗變的關鍵點，它于 1988 年正式開始運作，由聯(lián)邦政府和 14 家大型半導體公司組成，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]，美國的制造科學和半導體工藝技術開始融合，CIM 是當時發(fā)展中最關鍵的部分之一。
要知道，在當時，典型可大批量生產(chǎn)的先進制造設施總成本超過 100 萬美元（相當于現(xiàn)在的數(shù)十甚至上百億美元），更為困難的是，連續(xù)數(shù)百個工藝中每一步都有損失良率的風險，當時的集成電路制造工藝良率可低至 20%~80%。[9]
1991 年，SEMATECH 啟動了 CIM 框架項目，自那時起，美國半導體制造業(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，從而在半導體行業(yè)實現(xiàn)了開放多供應商 CIM 系統(tǒng)環(huán)境。[15]
回望歷史，短短十幾年前，晶圓廠運營還要依靠工人推著小車，親自按下啟動按鈕，通過電子表格追蹤制品，而現(xiàn)在晶圓生產(chǎn)擁有了從設備整合數(shù)據(jù)的能力，自動化地實現(xiàn)物料搬送 [16]，CIM 無疑是讓智能制造邁向新臺階的關鍵。
當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 并沒有想象中簡單。
被兩家巨頭壟斷近 40 年
CIM 準入門檻很高，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力，還要對每個生產(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，半導體制造領域還存在諸多技術秘密（Know-how），若非資深行業(yè)人士，很難踏入該領域。
此外，CIM 并非簡單地將軟件疊加在一起，而是有機組合，通過與不同廠商、不同晶圓廠高度定制，將原本獨立運行的多個單元系統(tǒng)組成一個協(xié)同工作的、功能更強的新系統(tǒng) [17][18]。與此同時，客戶可接受容錯率也很低，軟件穩(wěn)定性需達到 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。打個比方來說，如果將晝夜無休的半導體制造工廠看作高速行駛的飛機，CIM 便是驅(qū)動飛機持續(xù)飛行的核心引擎，要替換全新 CIM 系統(tǒng)，好比開著飛機換引擎?？梢?CIM 領域難度之大。[20]
近年來，12 英寸晶圓廠興起，帶動了 CIM 大規(guī)模應用。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，制造設備、流程、工藝也都變得更為復雜，假若這種情況下 CIM 發(fā)生故障，將會是一筆不小的損失，因此，市場開始對 CIM 提出了更高的要求。[21]
但就是這樣難做的行業(yè)，全球市場卻說不上非常大。據(jù) Technavio 數(shù)據(jù)顯示，2021 年~2026 年整個 CIM 市場（包含光伏制造、制藥、半導體制造等）潛在市場增長份額為 87.2 億美元 [22]；另據(jù) IDC 報告顯示，2021 年中國 MES 總體市場份額約為 38.1 億元人民幣 [23]，這種情況下，細分到半導體的市場份額可能會更少。
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對生產(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 CIM 需求量增大。據(jù) SEMI《世界晶圓廠預測報告》顯示，預計全球半導體行業(yè)將在 2021 年~2023 年間開始建設的 84 座大規(guī)模芯片制造工廠中投資 5000 多億美元。[25]
目前半導體 CIM 格局集中度較高，應用材料（Applied Materials）、IBM 并稱為半導體 CIM 雙雄，兩家公司壟斷市場將近 40 年之久。從發(fā)展歷史來看，兩家公司的技術時間跨度也很長。
應用材料與 IBM 兩家公司面對的客戶均為全球最先進的晶圓廠或 IDM 廠商，而二者發(fā)展側(cè)重點并不相同。
應用材料不僅是 CIM 的絕對領導者，也是一家半導體設備龍頭企業(yè)，經(jīng)過大量收購 CIM 先進企業(yè)后，該公司采取“軟件 + 硬件”捆綁銷售形式，占據(jù)一方市場。
IBM 則更偏向 AI 云網(wǎng)結(jié)合，通過不斷收購相關公司補充技術能力，同時 IBM 還設有自家晶圓廠，可在自家晶圓廠試錯積攢經(jīng)驗。[29]
國產(chǎn)已實現(xiàn)初步替代
前兩年，CIM 還是一個小眾賽道，僅擁有少數(shù)幾個國產(chǎn)玩家，極少被資本所青睞。
自國產(chǎn)替代呼聲響起，加之 EDA、光刻機等典型卡脖子領域關注度提升，帶動資本對 CIM 關注度。2022 年下半年，投融資市場開始活躍，其中不乏紅杉資本、高瓴資本、華登國際、上汽集團及旗下恒旭資本、比亞迪股份、韋豪創(chuàng)芯等明星投資機構。
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、平板顯示和半導體為核心的泛半導體行業(yè)，并向鋰電、新能源等更多行業(yè)進發(fā)，以期更大市場。
據(jù)集微網(wǎng)文章顯示，目前，封裝領域的 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)也已實現(xiàn)初步突破。[24]
基于國產(chǎn)現(xiàn)狀，果殼硬科技團隊認為：
雖然 CIM 市場規(guī)模不及實體芯片產(chǎn)業(yè)，但在特定客戶需求和晶圓產(chǎn)能持續(xù)擴張前提下，也擁較為廣闊的利潤空間，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]，對國產(chǎn) CIM 來說，與上游晶圓廠聯(lián)合意義重大，此外，泛半導體不同子行業(yè)間具有一定相通性，國產(chǎn)廠商應抓住這樣的機遇；
地緣因素影響下，CIM 補足自主產(chǎn)業(yè)鏈意義重大，可以把它理解成光刻機與光刻膠的關系，即便研發(fā)難度大且投入回收期長，也要擁有國產(chǎn)自主可控產(chǎn)品，更何況 CIM 還處在工業(yè)軟件領域，可能還會牽扯到信息安全方面問題；
迄今為止，國內(nèi)已不缺乏半導體 CIM 廠商，但對于投資巨大的晶圓廠來說，嘗試使用新產(chǎn)品，無疑是一次試錯冒險 [29]，這也是為何應用材料公司和 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商的策略；
雖然國內(nèi)已初步實現(xiàn)國產(chǎn)替代，但相比國外巨頭技術依然存在差距，為拓寬國產(chǎn) CIM 技術邊界，可借鑒應用材料公司和 IBM 發(fā)展歷程，不斷整合并購，增強技術集中度，另外國產(chǎn)晶圓廠或 IDM 廠商也可并購相關技術，建立純自主產(chǎn)線；
應用材料公司認為，跨晶圓廠許多區(qū)域是部署中最耗時的因素之一，由于每個晶圓廠情況不同，從一個工廠到另一個工廠需要大量定制，需要 6~12 個月的時間，同時半導體自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)時常會駐留在具有各自集成方法的不同 CIM 的應用程序中，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，半導體領域投資邏輯與傳統(tǒng)大多行業(yè)不同，整體回收期較長，且 CIM 領域更為看重經(jīng)驗積累，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期，腳踏實地地迭代產(chǎn)品和積累口碑，客戶信任度便會迎來明顯上升，是值得布局的長線生意。
雖然國產(chǎn) CIM 格局已初步形成，但不得不承認現(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，半導體 CIM 或迎來發(fā)展熱潮。
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本文來自微信公眾號：果殼硬科技 （ID：guokr233），作者：付斌，編輯：李拓
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