读懂CIM:芯片制造业的大管家
发布时间:2024-10-12 08:51:33
来源:zoty中欧体育全站

  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)。

  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。

  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]

  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。

  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。

  应用材料与IBM两家公司面对的客户均为全球*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**,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”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]

  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。

  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]

  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。

  [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.

  [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].

  [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.

  [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.

  [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.

  [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.

  [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*.2022.6.29.

  [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.

  [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.

  [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.