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读懂CIM:芯片制造业的大管家

读懂CIM:芯片制造业的大管家

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在芯片产业链中,被国外垄断的技术和产品,不止光刻机,也不止EDA。芯片制造过程中必需的工业软件,也曾被国际巨头垄断了将近40年,它就是芯片制造的大管家:CIM(Computer Integrated Manufacturing,计算机集成制造)。


本文是“果壳硬科技”策划的“国产替代”系列第十八篇文章,关注CIM国产替代。在本文中,你将了解到:CIM到底是什么,CIM有什么用,实现难点以及市场情况。


付斌丨作者
李拓丨编辑
果壳硬科技丨策划

掌控晶圆生产的大脑


CIM是掌控半导体制造的生命级系统,被行业称为制造的大脑,可以简单地将它理解为制造相关工业软件的集合体。它覆盖了产品整个生命周期[1],由MES(生产执行系统)、EAP(装备控制平台)、SPC(统计过程控制)、YMS(良率分析控制系统)、APC(先进过程控制)、PDC(故障侦测及分类)、RTS(FAB实时调度排产系统)等数十种软件系统组成。[2]


整个CIM系统中,MES尤为重要,决定了整个代工厂的发展水平,成本约占CIM系统的15%,一旦该系统出现问题,将会导致上亿元的损失[3]。MES是指挥芯片制造的一套智慧经营系统,包含产品流定义、设备管理、材料移动管理、制品跟踪与工艺数据管理几个部分[4]。由于MES核心地位,行业通常在提及CIM时连带MES,即CIM/MES。


说了这么多,CIM究竟是做什么的?

  • 一是统筹管理制造生产流程,提升生产良率和效率;
  • 二是实现自动化的智能制造,帮助制造商快速部署系统,增强在成本、质量和生产周期上的竞争。[5]

造芯,是资本的游戏。一座晶圆厂拔地而起,是数以百亿美元计的投入,当晶圆厂投入生产,就如同每分每秒都不停歇的印钞机,少运转几分就少赚几份钱。而一颗芯片要经历将近上千道制造工序,任何环节都容不得差错。CIM便是将这一切安排妥当的管家,服务着生产良率和效率,降低每颗芯片的成本,从而获取更多利润。[6]

随着半导体器件和制造工艺复杂性不断增加,CIM已成为半导体制造不可或缺的一部分。传统方案通常是孤立或松散连接的,并且难以扩展额外需求,而CIM则能够将这一切集成起来[7]。ITRS 2007指出,半导体晶圆集成分为晶圆厂运营、生产设备、材料处理、晶圆厂信息、控制系统及设施五个部分,CIM驱动的晶圆厂运营将会是其他部分运作的推动力。[8]

1986年东芝公司一项研究结果表明,使用IC-CIM技术生产256kbyte DRAM存储器电路,能够改善四项生产制造指标。[9]

1986年东芝的研究结果[9]

另据一些公司统计,在CIM投入使用一年后,设备停机时间减少了45%、设备设置时间缩短了38%、设备利用率提高了30%、周期时间缩短了23%、废品减少了22.5%、产品良率提高了15%、生产成本降低了34%、净利润增长近60%。[10]


研究发现,CIM越早投入使用,效果越好。晶圆厂生产整个生命周期是呈S曲线的,对于造价超过200亿美元的晶圆厂来说,在未使用CIM系统情况下,始终会与生产目标相差数亿美元甚至数十亿美元,这意味着这部分的资金回收期会被延长,而越早地使用CIM,这部分资金越早能被回收。[11]


“S 曲线”,展示了生产目标(绿线)与实际生产情况(橙线), 以及实现产能和良率目标面临的各种障碍(灰色椭圆)[11]

CIM概念早在1973年便由美国约瑟夫·哈灵顿(Joseph Harrington)在“Computer Integrated Manufacturing”一书中提出,不单单只有半导体行业需要CIM,任何需要智能制造的场景,都存在它的身影,诸如制药、食品和饮料、医疗设备、航空航天、国防和生物技术等,而它也曾一度带领半导体格局生变。


20世纪80年代初,美国经济危机波及全社会,电子产品也不例外。虽然美国半导体在技术开发领域依然强势,但自己产品的占有率却越来越低,索尼与松下等日本企业开始主导存储市场,并将微处理器作为下一发展目标。


时间来到90年代中期,短短十几年,美国又重新拿回失去的市场。抛开政治和策略因素,SEMATECH(半导体制造技术联合体)无疑是引发嬗变的关键点,它于1988年正式开始运作,由联邦政府和14家大型半导体公司组成,包括IBM、英特尔、摩托罗拉、德州仪器等行业巨头[12]。在每年2亿美元加持下[13],美国的制造科学和半导体工艺技术开始融合,CIM是当时发展中最关键的部分之一。


要知道,在当时,典型可大批量生产的先进制造设施总成本超过100万美元(相当于现在的数十甚至上百亿美元),更为困难的是,连续数百个工艺中每一步都有损失良率的风险,当时的集成电路制造工艺良率可低至20%~80%。[9]


1991年,SEMATECH启动了CIM框架项目,自那时起,美国半导体制造业迎来变革,在CIM加持下,芯片成品率获得有效提升,产品生产周期也得以缩短,保证了产品质量与性能[14]。1998年,SEMATECH又开发了CIM框架规范,从而在半导体行业实现了开放多供应商CIM系统环境。[15]


回望历史,短短十几年前,晶圆厂运营还要依靠工人推着小车,亲自按下启动按钮,通过电子表格追踪制品,而现在晶圆生产拥有了从设备整合数据的能力,自动化地实现物料搬送[16],CIM无疑是让智能制造迈向新台阶的关键。


当芯片制造逐渐被国内重视和大力发展,CIM的国产替代便显得格外重要,但想做好CIM并没有想象中简单。


被两家巨头垄断近40年


CIM准入门槛很高,被行业称为工业软件中的高地。


CIM作为涵盖晶圆生产所有环节的工业软件,不仅需要开发者拥有过硬的软件实力,还要对每个生产环节了如指掌,并将二者无缝衔接在一起。更困难的是,半导体制造领域还存在诸多技术秘密(Know-how),若非资深行业人士,很难踏入该领域。


此外,CIM并非简单地将软件叠加在一起,而是有机组合,通过与不同厂商、不同晶圆厂高度定制,将原本独立运行的多个单元系统组成一个协同工作的、功能更强的新系统[17][18]。与此同时,客户可接受容错率也很低,软件稳定性需达到99.9999%。[19]


即便是能做出CIM系统,替换掉旧系统也并非易事。打个比方来说,如果将昼夜无休的半导体制造工厂看作高速行驶的飞机,CIM便是驱动飞机持续飞行的核心引擎,要替换全新CIM系统,好比开着飞机换引擎。可见CIM领域难度之大。[20]


近年来,12英寸晶圆厂兴起,带动了CIM大规模应用。随着晶圆尺寸从4英寸变为6英寸、8英寸、12英寸,不仅投资数额暴增,制造设备、流程、工艺也都变得更为复杂,假若这种情况下CIM发生故障,将会是一笔不小的损失,因此,市场开始对CIM提出了更高的要求。[21]


但就是这样难做的行业,全球市场却说不上非常大。据Technavio数据显示,2021年~2026年整个CIM市场(包含光伏制造、制药、半导体制造等)潜在市场增长份额为87.2亿美元[22];另据IDC报告显示,2021年中国MES总体市场份额约为38.1亿元人民币[23],这种情况下,细分到半导体的市场份额可能会更少。


更尴尬的是,CIM中核心的MES系统只占晶圆厂总投资的1%,相比动辄上百亿的晶圆厂,很难引发起行业重视,上游厂商更偏向于使用成熟方案以应对生产中各种问题。[24]


所幸的是,全球新建晶圆产能正在逐步增加,特定客户对CIM需求量增大。据SEMI《世界晶圆厂预测报告》显示,预计全球半导体行业将在2021年~2023年间开始建设的84座大规模芯片制造工厂中投资5000多亿美元。[25]


目前半导体CIM格局集中度较高,应用材料(Applied Materials)、IBM并称为半导体CIM双雄,两家公司垄断市场将近40年之久。从发展历史来看,两家公司的技术时间跨度也很长。


CIM发展简要历史,制表丨果壳硬科技
参考资料丨芯东西[26]、EEtimes[27]、《华尔街日报》[28]

应用材料与IBM两家公司面对的客户均为全球最先进的晶圆厂或IDM厂商,而二者发展侧重点并不相同。


应用材料不仅是CIM的绝对领导者,也是一家半导体设备龙头企业,经过大量收购CIM先进企业后,该公司采取“软件+硬件”捆绑销售形式,占据一方市场。


IBM则更偏向AI云网结合,通过不断收购相关公司补充技术能力,同时IBM还设有自家晶圆厂,可在自家晶圆厂试错积攒经验。[29]


应用材料与IBM的CIM方案对比,制表丨果壳硬科技

国产已实现初步替代


前两年,CIM还是一个小众赛道,仅拥有少数几个国产玩家,极少被资本所青睐。


自国产替代呼声响起,加之EDA、光刻机等典型卡脖子领域关注度提升,带动资本对CIM关注度。2022年下半年,投融资市场开始活跃,其中不乏红杉资本、高瓴资本、华登国际、上汽集团及旗下恒旭资本、比亚迪股份、韦豪创芯等明星投资机构。


国产CIM标志性融资事件不完全统计,制表丨果壳硬科技

纵览国内整体行业,均是以MES为核心的CIM方案,覆盖制造各个环节。此外,大多数国产厂商选择布局以光伏、LED、平板显示和半导体为核心的泛半导体行业,并向锂电、新能源等更多行业进发,以期更大市场。


据集微网文章显示,目前,封装领域的CIM系统基本已被国产厂商包揽,而这充分说明国外的产品并非不可替代,只是要有耐心。而在传统卡脖子的12英寸MES方面,近两年国内也已实现初步突破。[24]


国产主要CIM厂商情况,制表丨果壳硬科技
参考资料丨公司官网、芯智讯[30]、36氪[19][31]、集微网[32]、投资界[33][34]

基于国产现状,果壳硬科技团队认为:

  • 虽然CIM市场规模不及实体芯片产业,但在特定客户需求和晶圆产能持续扩张前提下,也拥较为广阔的利润空间,集微咨询信息显示,国内在建大硅片厂12英寸硅片产能超6000万片/年[35],对国产CIM来说,与上游晶圆厂联合意义重大,此外,泛半导体不同子行业间具有一定相通性,国产厂商应抓住这样的机遇;
  • 地缘因素影响下,CIM补足自主产业链意义重大,可以把它理解成光刻机与光刻胶的关系,即便研发难度大且投入回收期长,也要拥有国产自主可控产品,更何况CIM还处在工业软件领域,可能还会牵扯到信息安全方面问题;
  • 迄今为止,国内已不缺乏半导体CIM厂商,但对于投资巨大的晶圆厂来说,尝试使用新产品,无疑是一次试错冒险[29],这也是为何应用材料公司和IBM能稳坐龙头之位,鉴于以往,国产上游厂商需警惕CIM供应商过于单一的情况,可尝试采用国内外双线策略,甚至可尝试多元供应商的策略;
  • 虽然国内已初步实现国产替代,但相比国外巨头技术依然存在差距,为拓宽国产CIM技术边界,可借鉴应用材料公司和IBM发展历程,不断整合并购,增强技术集中度,另外国产晶圆厂或IDM厂商也可并购相关技术,建立纯自主产线;
  • 应用材料公司认为,跨晶圆厂许多区域是部署中最耗时的因素之一,由于每个晶圆厂情况不同,从一个工厂到另一个工厂需要大量定制,需要6~12个月的时间,同时半导体自动化系统数据时常会驻留在具有各自集成方法的不同CIM的应用程序中,其SmartFactory CIM方案就是解决了这些问题,值得国内借鉴;[36]
  • 融资潮过后,国内涌现大量CIM企业,但切忌浮躁,半导体领域投资逻辑与传统大多行业不同,整体回收期较长,且CIM领域更为看重经验积累,此前部分国产厂商曾坦言,前期2~3年产品销售困难,不过一旦撑过这段时期,脚踏实地地迭代产品和积累口碑,客户信任度便会迎来明显上升,是值得布局的长线生意。

虽然国产CIM格局已初步形成,但不得不承认现在国产与国外仍有差距。目前,中国工业软件发展已迎来政策窗口期[37],展望未来5~10年,半导体CIM或迎来发展热潮。


References

[1] 李龙梅, 张暴暴, 冯辛安, 等. CIMS 环境下基于特征的产品模型[J]. 机械科学与技术, 1998, 17(1): 129-131.

[2] 芯享天地:芯享科技获数亿元A+轮融资,致力于半导体工厂CIM工业软件国产化.2022.3.4.https://mp.weixin.qq.com/s/scCZdmPEPD-6cKQy_MuRDg

[3] 集微网:冲刺12英寸晶圆厂MES系统 没有捷径可走.2022.9.26.https://laoyaoba.com/n/833037

[4] Chung S L, Jeng M D. Manufacturing execution system (MES) for semiconductor manufacturing[C]//IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics. IEEE, 2002, 4: 5 pp. vol. 4.

[5] 投中网:「上海铠铂」获近亿元A轮融资,推动泛半导体CIM系统国产化进程.2022.5.5.https://mp.weixin.qq.com/s/CvE6S1MLlSpPAN51JqbkWQ

[6] 郑城,张洁,吕佑龙,许鸿伟.基于改进粒子群算法的晶圆良率优化方法[J/OL].计算机集成制造系统:1-17[2022-12-22].

[7] Taj, Md. Nasim. Prospects of Automation in Semiconductor Fabrication Process[J].DOI:10.13140/RG.2.2.35956.42886

[8] SIA:International Technology Roadmap for Semiconductors(2007 Edition Lithography).https://www.semiconductors.org/wp-content/uploads/2018/08/2007Lithography.pdf

[9] May G S, Spanos C J. Fundamentals of semiconductor manufacturing and process control[M]. John Wiley & Sons, 2006.

[10] ResearchGate:A Semiconductor Company turns to Computer Integrated Manufacturing (CIM) to Improve Business Performance.2006.1.https://www.researchgate.net/publication/294873853_A_Semiconductor_Company_turns_to_Computer_Integrated_Manufacturing_CIM_to_Improve_Business_Performance

[11] 应用材料公司:拉近和实际生产的距离.https://appliedsmartfactory.com/zh-hans/blog/bringing-production-reality-closer-to-target/?hilite=driving+curve

[12] 南佐民.SEMATECH:从理念更新到工业嬗变[J].经济论坛,2004(05):125-126.

[13] 半导体行业观察:“真金白银”砸出来的美国半导体.2020.6.7.https://mp.weixin.qq.com/s/tzD0RMoNusjeNAnGt-R24w

[14] Doscher D, Hodges R. SEMATECH's experiences with the CIM framework[J]. Communications of the ACM, 1997, 40(10): 82-84.

[15] Cheng F T, Teng C Y. An object-based controller for equipment communications in semiconductor manufacturing[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2002, 18(5-6): 387-402.

[16] 应用材料公司:迈向智能制造新台阶.2022.4.https://appliedsmartfactory.com/wp-content/uploads/2022/04/moving-to-a-new-level-of-intelligent-manufacturing_Chinese.pdf

[17] 人民网:先进制造技术及其发展趋势——杨叔子教授在中国科协2003年学术年会上的讲演(节选).2003.10.16.http://43.250.236.5/GB/guandian/1035/2136994.html

[18] 李玉洋,李正豪. 晶圆制造CIM国产软件前景可期[N]. 中国经营报,2022-08-15(C04).

[19] 36氪:36氪独家 | 「上扬软件」完成数亿元D轮融资,持续推动半导体12寸产线CIM研发.2022.10.25.https://36kr.com/p/1972480531451011

[20] 格创东智Getech:开着飞机换引擎,替换CIM系统有多难?.2022.11.11.https://mp.weixin.qq.com/s/hB2FECpgx7Ug0qCcX7fuRQ

[21] Kyber铠铂云:半导体CIM系统:“两超”争霸 “群雄”奋起.2022.6.30.https://mp.weixin.qq.com/s/iWxCwKjUOP94152pu0PlMA

[22] PR Newswire:Computer Integrated Manufacturing Market - 35% of Growth to Originate from North America |Driven by Steep Learning Curve of CIM Software |Technavio.2022.4.18

[23] IDC:《中国制造业MES市场分析及厂商份额,2021》正式发布.2022.12.1.https://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prCHC49926622

[24] 集微网:【芯视野】试错不易突破难 国产半导体CIM艰难生长.2022.8.12.https://laoyaoba.com/n/828796

[25] 电子信息产业网:SEMI预测:到2024年全球半导体行业新工厂投资将超过5000亿美元.2022.12.13.http://www.cena.com.cn/semi/20221213/118370.html

[26] 芯东西:被垄断40年!半导体制造“大脑”迎融资热,国产MES企业春天来了?.2021.11.15.https://mp.weixin.qq.com/s/3SmwkLAH0falRhXv6VqCog

[27] EEtimes:Applied’s Consilium software unit opens Japanese office.1993.12.3.https://www.eetimes.com/applieds-consilium-software-unit-opens-japanese-office/

[28] 《华尔街日报》:Applied Materials to Acquire Consilium for up to $42 Million.1998.12.12.https://www.wsj.com/articles/SB908229569677085000

[29] 半导体行业观察:打响国产工业软件突围赛!.2022.7.11.http://www.semiinsights.com/s/electronic_components/23/46062.shtml

[30] 芯智讯:泛半导体CIM系统企业哥瑞利完成3亿元C轮融资,推动半导体12寸国产MES软件落地.2021.11.12.http://www.icsmart.cn/49190/

[31] 36氪:「赛美特」融资5.4亿元,比亚迪、高瓴和互联网大基金都看上了国产工业软件 | 36氪独家.2022.6.29.https://36kr.com/p/1804553817605383

[32] 集微网:半导体工业软件企业华经信息完成数千万元A轮融资.2022.10.4.https://www.laoyaoba.com/n/834197

[33] 投资界:「格创东智」获数亿元B轮融资,专注于半导体行业智能制造升级.2022.11.4.https://news.pedaily.cn/202211/503219.shtml

[34] 投资界:「喆塔科技」获近亿元A轮融资,合肥产投、耀途资本联合领投.2022.11.22.https://news.pedaily.cn/202211/504064.shtml

[35] 天天IC:集微咨询:12英寸规划产能超6000万片/年,国产大硅片短期供给提升有限.2022.4.20.https://mp.weixin.qq.com/s/Dpv4_K_HgHoUwNsraO3crA

[36] 应用材料公司:利用经行业验证的交钥匙 CIM 解决方案实现关键的工厂 KPI.https://appliedsmartfactory.com/zh-hans/blog/cim-solution/

[37] 中国服务贸易指南网:专家:中国工业软件发展迎来政策窗口期.2022.6.20.http://tradeinservices.mofcom.gov.cn/article/yanjiu/pinglun/202206/134491.htm




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