芯東西（公眾號：aichip001）
作者 | ?高歌
編輯 | ?Panken
芯東西11月15日(ri)報(bao)道，近日(ri)，美國對半導體供應(ying)鏈各個廠(chang)商(shang)關鍵信(xin)息的要(yao)求期限(xian)剛(gang)剛(gang)截(jie)止(zhi)，臺積電、三星(xing)電子等晶圓制造商(shang)是否(fou)會提交敏感(gan)信(xin)息等引起了(le)全網熱(re)議，晶圓廠(chang)商(shang)數據的重要(yao)性也得到(dao)了(le)廣泛的討論(lun)。
在晶(jing)圓(yuan)廠(chang)中(zhong)，每片晶(jing)圓(yuan)的生產、庫(ku)存信息(xi)都(dou)要(yao)匯(hui)總到MES（Manufacturing Execution System，制造執行系(xi)統）中(zhong)，供(gong)操作員(yuan)、工藝(yi)工程師、設(she)備工程師和(he)晶(jing)圓(yuan)廠(chang)管理層等晶(jing)圓(yuan)廠(chang)工作人員(yuan)對芯片生產進行查看、管理和(he)調度。簡單來說，MES系(xi)統就(jiu)如同晶(jing)圓(yuan)廠(chang)的大腦一樣。
而(er)在半導體MES領域，絕大部分12英寸晶圓廠系統(tong)恰恰被(bei)美國(guo)科技(ji)巨頭IBM和美國(guo)半導體設備(bei)巨頭應用(yong)材料所壟斷(duan)。國(guo)產MES系統(tong)能否突圍，打破IBM和應用(yong)材料兩大巨頭的壟斷(duan)，無(wu)疑(yi)對國(guo)產芯片制造有(you)著重要的意義(yi)。
▲企(qi)業系(xi)統與(yu)控制系(xi)統集成國際ISA-95標準 （來源：應(ying)用材料）
一、上千步工序構成半導體MES壁壘，14nm產線年數據量超140TB
在晶圓廠(chang)中，MES系統需要負責從(cong)訂貨到最終(zhong)芯片(pian)成品全過程(cheng)的(de)(de)生產活動。簡單(dan)來講，MES就(jiu)是(shi)晶圓廠(chang)生產管理的(de)(de)自動化系統，需要對工廠(chang)的(de)(de)實時事件進行反應、報(bao)告，并用數據(ju)對其進行指(zhi)導和處(chu)理。
根(gen)據企業管理層次模(mo)型，MES系(xi)統是生產活(huo)動和(he)管理活(huo)動信息溝通(tong)的(de)橋梁，強調當前精(jing)確的(de)實時數據。
具體來說，工(gong)廠(chang)產(chan)(chan)線不同工(gong)序(xu)線上每種(zhong)產(chan)(chan)品的多(duo)少、型號、交貨時間，產(chan)(chan)線和加工(gong)設備是(shi)否在空(kong)轉(zhuan)、停轉(zhuan)，產(chan)(chan)線上下料情況等(deng)都是(shi)MES系統需要跟(gen)蹤和管(guan)理(li)的問(wen)題。
而(er)在(zai)(zai)半(ban)導體晶(jing)圓廠中，一顆芯(xin)片(pian)需要經過薄(bo)膜沉積(ji)、光刻(ke)(ke)膠涂敷、光刻(ke)(ke)顯(xian)影、刻(ke)(ke)蝕(shi)、量測、清晰、離(li)子注入等(deng)多個環節和工序(xu)，在(zai)(zai)12英寸(cun)產線(xian)中工序(xu)甚至可(ke)以達到(dao)上千步。因此(ci)每(mei)顆芯(xin)片(pian)在(zai)(zai)生產中的數(shu)(shu)據(ju)都十分(fen)龐大，其數(shu)(shu)據(ju)量級也隨著制(zhi)程演進而(er)快速增長。根據(ju)應用(yong)材料的數(shu)(shu)據(ju)，45nm晶(jing)圓廠每(mei)年的數(shu)(shu)據(ju)量在(zai)(zai)50TB左(zuo)右(you)，而(er)28nm晶(jing)圓廠年均數(shu)(shu)據(ju)量可(ke)以達到(dao)80TB，14nm晶(jing)圓廠每(mei)年的數(shu)(shu)據(ju)量則為141TB。
▲晶圓制造(zao)流程(cheng)（來源：上揚軟件呂凌(ling)志）
對(dui)于MES系統來說，一方(fang)面，晶圓廠(chang)投資金額(e)巨大(da)，12英寸晶圓廠(chang)所耗費的(de)金額(e)超過(guo)百(bai)億元(yuan)，一旦停機損(sun)失巨大(da)，需要(yao)整(zheng)個(ge)系統有著非(fei)常高的(de)穩(wen)定性；另一方(fang)面，MES系統也要(yao)采(cai)用大(da)數據等(deng)技(ji)術對(dui)整(zheng)個(ge)產線(xian)進行優化、分析，提升產線(xian)效率和良率。
同時(shi)(shi)，晶圓廠還有(you)著客戶數量多、產品類型多變、需(xu)要多品種小批(pi)量定制生產、自動化(hua)程度(du)高等需(xu)求。除(chu)了(le)技術壁壘(lei)高，一(yi)套(tao)新的MES系統想要被半導(dao)體制造廠商(shang)接受、信(xin)任也需(xu)要經過(guo)長時(shi)(shi)間的驗證。
二、應用材料并購構建半導體MES王國，IBM系統獲格芯、臺積電青睞
縱觀整個半(ban)導體MES系統發展史，Consilium、Promis、Fastech等廠商都曾成為(wei)過(guo)行業龍頭，但是隨著半(ban)導體周期(qi)以(yi)及激烈的并購，應用材料和(he)IBM兩家巨(ju)頭最終成為(wei)了當前(qian)行業中(zhong)的絕(jue)對霸主。
▲世界晶圓廠MES系統(tong)發(fa)展史（來(lai)源：上(shang)揚(yang)軟(ruan)件呂凌志(zhi)）
20世紀(ji)70年代，美(mei)國(guo)MES廠(chang)商Consilium開發出CAM（計算機(ji)(ji)輔助制(zhi)造系(xi)統(tong)）Comet系(xi)統(tong)。該系(xi)統(tong)主要用于計算機(ji)(ji)數控機(ji)(ji)械，但是(shi)也包括工廠(chang)管理(li)和制(zhi)造控制(zhi)，需(xu)要負責(ze)收集生產信息、輔助決策、傳播指令和控制(zhi)信息等。這一階段的CAM軟件(jian)已經十(shi)分接近MES的理(li)念了。
之后(hou)，Consilium開發出第一(yi)款實際(ji)意義上的(de)半導體MES系統(tong)Workstream。憑借(jie)低價銷售策略，Consilium公司在(zai)半導體MES市場上極為成功，在(zai)相當(dang)長一(yi)段時(shi)間里都是全球第一(yi)大半導體MES供應(ying)商，其客(ke)戶遍布世(shi)界(jie)各(ge)地，英(ying)飛凌(ling)、英(ying)特(te)爾(er)等廠商都采(cai)用了其產(chan)品。
但(dan)好景不長，1995年(nian)，由于半導體行(xing)業的蕭條，Consilium連續六個季度業績下滑(hua)，在1996年(nian)和(he)1997年(nian)利潤均為(wei)虧(kui)損(sun)態勢。1998年(nian)10月，Consilium公司被(bei)應(ying)用(yong)材料以(yi)價(jia)值4200萬(wan)美元的股票交換收(shou)購了(le)Consilium。
Consilium被應(ying)用材(cai)料收購后，其推(tui)出了下一代MES FAB300系(xi)統，該系(xi)統可(ke)以支持(chi)超過50萬個晶(jing)圓(yuan)運行，具備晶(jing)圓(yuan)可(ke)追溯性、集群工具模(mo)型(xing)和工藝控制等新的技(ji)術。
在Consilium發(fa)行Comet之后，加拿(na)大MES供應商Promis也推出(chu)了(le)自家(jia)的PROMIS MES產(chan)品(pin)。1996年，英國(guo)晶(jing)圓(yuan)廠Newport Wafer Fab宣布采(cai)用PROMIS，其系(xi)(xi)統訂購價超過100萬美(mei)元；1997年，聯(lian)(lian)電下屬的8英寸晶(jing)圓(yuan)廠宣布和Promis達成超過150萬美(mei)元協議(yi)。此(ci)時(shi)，中(zhong)國(guo)臺(tai)灣地區排名前(qian)五的晶(jing)圓(yuan)代工廠中(zhong)聯(lian)(lian)電、先進半導體、臺(tai)積電、茂矽4家(jia)都采(cai)用了(le)Promis的MES系(xi)(xi)統。
1998年6月(yue)，當時(shi)的(de)半導(dao)體巨頭摩托羅拉也(ye)采用(yong)Promis產(chan)品作為其全球晶圓廠(chang)及下一(yi)代(dai)12英寸晶圓廠(chang)整合的(de)基礎，進(jin)一(yi)步推動Promis成為半導(dao)體MES領域(yu)的(de)龍頭。
1999年，Promis被美國自(zi)動化系統廠商PRI Automaiton以4800萬美元收(shou)購(gou)(gou)；2001年，PRI Automaiton又被Brooks Automation以70億美元的價格收(shou)購(gou)(gou)。
2007年，應用材料以1.25億美(mei)元收購(gou)Brooks Automation下屬(shu)的事(shi)業部Brooks Software，該事(shi)業部也包含了此前的Promis。雖然Promis幾經轉手，但是其MES系(xi)統至今仍(reng)是全球(qiu)8英(ying)寸晶圓廠選用最(zui)多的MES系(xi)統。
全球(qiu)第三大半導體MES系統則是FASTech的FACTORYWork。FASTech成(cheng)立于1986年，其(qi)代(dai)表性客戶(hu)為三星(xing)電(dian)子和英特爾。1998年，FASTech被Brooks Software收(shou)購，之后也隨之被應用材料(liao)收(shou)購。
至此(ci)，應(ying)用(yong)材(cai)料已(yi)經構建(jian)起(qi)一(yi)個覆蓋PROMIS、FACTORYWORKS、FAB300、300WORKS等(deng)主流MES系統(tong)的(de)(de)產(chan)(chan)品線。而除了各大主流MES系統(tong)外(wai)，作為全球半(ban)導體設(she)(she)備龍(long)頭，應(ying)用(yong)材(cai)料MES系統(tong)和自家(jia)設(she)(she)備的(de)(de)強大生態也是其產(chan)(chan)品競爭(zheng)力的(de)(de)一(yi)部分。
▲應用材料(liao)MES系統產品（來源(yuan)：應用材料(liao)）
相比于應用材料的(de)(de)并購擴張，IBM的(de)(de)MES系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)則借助了(le)(le)自(zi)家晶圓廠(chang)和軟件研發(fa)上的(de)(de)實(shi)力(li)。1995年(nian)，IBM推(tui)出了(le)(le)POSEIDEN系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)，1999年(nian)又基于POSEIDEN系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)發(fa)布了(le)(le)SiView系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)。
IBM宣稱，SiView系統(tong)(tong)可實現全自動(dong)化的單晶圓控制(zhi)，并處理(li)在(zai)(zai)(zai)同一產線中多批(pi)次的產品。此外，SiView系統(tong)(tong)可以(yi)在(zai)(zai)(zai)不影響晶圓廠生產的情(qing)況下進(jin)行安(an)裝，并能夠在(zai)(zai)(zai)安(an)裝后立即開始(shi)運行。
SiView系(xi)統發布后(hou)(hou)，IBM將其用(yong)于自己的12英寸產(chan)線，之后(hou)(hou)，SiView系(xi)統又被格芯、臺積電等廠(chang)商所采用(yong)。半導體MES兩大巨(ju)頭鼎立的局勢基本形成(cheng)。
三、國產替代推動中國半導體MES廠商發展
與半導體(ti)設備產(chan)業(ye)一樣，半導體(ti)MES系(xi)統也存在著技術壁壘高(gao)、驗證時間(jian)長(chang)等特性，使其被應用材料和IBM兩(liang)大巨頭所主導。
但(dan)是和(he)半(ban)導(dao)體(ti)設備只影(ying)響一個工序不(bu)同(tong)，同(tong)樣價(jia)值(zhi)(zhi)數千(qian)萬元的MES系統影(ying)響的卻是價(jia)值(zhi)(zhi)數十億乃至百億晶圓廠的全產線。這也造成了半(ban)導(dao)體(ti)MES行業市場(chang)份額極(ji)為(wei)集中，且行業壁壘極(ji)高，新玩家很難進入這一市場(chang)。
隨著晶圓(yuan)(yuan)尺寸(cun)從4英寸(cun)變(bian)為6英寸(cun)、8英寸(cun)、12英寸(cun)，芯(xin)片性能和(he)制造要求在不斷提升，晶圓(yuan)(yuan)廠的自動(dong)化水(shui)平也(ye)在不斷提升，從人工產(chan)線變(bian)為半自動(dong)產(chan)線、自動(dong)產(chan)線，MES系統對晶圓(yuan)(yuan)廠生產(chan)越來越重要。國產(chan)MES系統的成(cheng)長對中(zhong)國半導體行(xing)業(ye)有著切實地(di)意義。
上(shang)(shang)揚軟(ruan)件(jian)是成立(li)時間最久(jiu)的(de)(de)一(yi)家(jia)國(guo)產半導體MES廠(chang)商。2000年，曾在新(xin)加坡國(guo)立(li)制(zhi)造技(ji)術研究(jiu)院(yuan)研究(jiu)MES系統的(de)(de)呂凌志(zhi)回國(guo)創立(li)上(shang)(shang)揚軟(ruan)件(jian)。在他創業的(de)(de)前十(shi)五六年里，上(shang)(shang)揚軟(ruan)件(jian)做得都是4、5、6英寸(cun)(cun)(cun)晶圓(yuan)廠(chang)的(de)(de)MES系統。因為不去(qu)做4、5、6英寸(cun)(cun)(cun)晶圓(yuan)廠(chang)，就無法獲得8英寸(cun)(cun)(cun)晶圓(yuan)廠(chang)的(de)(de)信任(ren)；沒(mei)有拿下8英寸(cun)(cun)(cun)晶圓(yuan)廠(chang)，更談不上(shang)(shang)12英寸(cun)(cun)(cun)。
▲上揚(yang)軟(ruan)(ruan)件發展史（來源：上揚(yang)軟(ruan)(ruan)件呂凌志）
盡管上揚軟(ruan)件已經拿下了中(zhong)芯紹(shao)興的(de)8英(ying)寸(cun)產線合同，并且其產量在1年內(nei)達到5萬片/月(yue)，是(shi)國(guo)內(nei)沖量產最快的(de)8英(ying)寸(cun)產線。但在2019-2020年，上揚軟(ruan)件連續三(san)次在國(guo)內(nei)12英(ying)寸(cun)產線評估中(zhong)失敗(bai)。
雖(sui)然失望，但呂凌志也清楚這就是(shi)(shi)行業的現實：“投資百億的晶(jing)圓廠，如果你為幾千(qian)萬的軟件(jian)冒險，那是(shi)(shi)想都不敢想象的。”
▲上揚軟件CIM/MES系統方(fang)案架構（來源：上揚軟件呂凌志(zhi)）
由于國(guo)產(chan)替代浪潮，國(guo)產(chan)半導體MES玩家也(ye)迎(ying)來了新的發展。
今年5月(yue)，上揚軟件獲得了華為哈勃(bo)的(de)戰(zhan)略(lve)投資。10月(yue)份，上揚軟件又完成(cheng)了由大基(ji)金(jin)二期領投，中芯(xin)聚源、浦(pu)東科(ke)投等跟投的(de)新一輪(lun)數億元融資。在資金(jin)支持下，上揚軟件拿下了國內CMOS晶(jing)圓(yuan)代工(gong)廠商長(chang)光圓(yuan)辰和(he)存儲廠商杭州馳拓的(de)12英寸產線。
除了上揚軟件，賽美特、芯享科(ke)技、哥瑞利等半導體MES/CIM領域的國產(chan)廠商憑(ping)借其專業(ye)人才、技術實力也在(zai)今年完成(cheng)了新一輪融資。
芯(xin)享科技成立于2018年，其首席戰略發展官邱(qiu)崧恒(heng)曾主導長江存儲和泉芯(xin)的CIM系統(tong)整合；晶圓(yuan)事業部技術專家張鎮浩則參與過韓國(guo)三星電(dian)子、SK海力士自動(dong)化體系研發。
據報(bao)道，在封測(ce)領(ling)域的TOP10中(zhong)，芯享(xiang)科技的客(ke)戶占比近(jin)(jin)1/3，其還擁(yong)有9家晶圓廠商客(ke)戶。今年3月，芯享(xiang)科技獲得紅杉中(zhong)國(guo)、高(gao)瓴資本、華登國(guo)際聯合領(ling)投的近(jin)(jin)億元A輪(lun)融(rong)資。
賽(sai)(sai)美特于2020年成立，合并(bing)了“上海特勱絲”和“固耀SEMI Integration”兩(liang)家公司，其產品(pin)已用于50余(yu)座工(gong)廠。其CEO張影曾任(ren)Semi Integration新加(jia)坡董事、Semi Integration馬來西(xi)亞(ya)董事以及(ji)蘇州(zhou)固耀總經理。今年5月，賽(sai)(sai)美特宣布(bu)完成5000萬元A輪融資。
哥(ge)瑞利(li)(li)軟件成立于2007年，其專注于半(ban)導體領域的智能制造解(jie)決方案，研發服務(wu)團(tuan)隊超過(guo)300人，擁有21項專利(li)(li)和111項軟件著作(zuo)權（含申請(qing)中）。在半(ban)導體前道領域，其客戶有中芯國際等(deng)。根(gen)據企(qi)查查信息(xi)，哥(ge)瑞利(li)(li)于11月12日獲(huo)得由(you)招商資本(ben)、國新(xin)風投深圳領投的3億元(yuan)新(xin)一輪融(rong)資。
在大基金、中芯聚源、華登(deng)國際、高瓴(ling)資(zi)本(ben)等(deng)各(ge)類資(zi)金的(de)(de)支持下，上(shang)揚軟件等(deng)老牌玩(wan)家(jia)獲得了(le)更大的(de)(de)支持，芯享科技等(deng)新興玩(wan)家(jia)也開(kai)始浮現，國產(chan)半(ban)導體MES行業發展正步入快(kuai)車道。
結語：工業4.0時代來臨，MES系統為IC制造關鍵
工(gong)業化(hua)(hua)4.0時(shi)代的到來，無(wu)(wu)疑也加(jia)速了(le)半導體晶(jing)圓廠的自動化(hua)(hua)、無(wu)(wu)人化(hua)(hua)進(jin)程。在這一(yi)趨勢(shi)下，晶(jing)圓廠產線需要支持更(geng)多的數據接(jie)口，云計算、大數據、人工(gong)智能、機器(qi)人、物聯(lian)網等技術(shu)將成為(wei)重要的組成部分。
對(dui)晶(jing)圓廠(chang)商(shang)來說，如何順應(ying)這一趨勢，整(zheng)合(he)各(ge)類技術、優化晶(jing)圓廠(chang)良率、合(he)理分配產線(xian)，都離不(bu)開先(xian)進的MES系統。各(ge)類資本的涌(yong)入無疑會加快行業的發(fa)展速(su)度，起到(dao)推動作用(yong)。
但從半(ban)導體MES行業(ye)(ye)的(de)發(fa)(fa)展(zhan)歷史來看，MES系(xi)統廠(chang)商的(de)整合、并購十(shi)分劇烈，廠(chang)商發(fa)(fa)展(zhan)也受半(ban)導體周期影響較大(da)。如何抓住當前行業(ye)(ye)快(kuai)速發(fa)(fa)展(zhan)的(de)窗口，在行業(ye)(ye)增速放緩時(shi)，做好(hao)研發(fa)(fa)投入和(he)營收(shou)的(de)平衡，將會是國(guo)產半(ban)導體MES廠(chang)商需要(yao)面對(dui)的(de)挑戰。
參考信源：《半導體行業MES的研究與(yu)應用》何月(yue)華、《集(ji)成CAM和(he)(he)過程仿(fang)真，增強集(ji)成電路制造的分析和(he)(he)控制（Integrating CAM and Process Simulation to Enhance the Analysis and Control of IC Fabrication）》Angus Joseph MacDonald、《晶圓廠MES發展歷程和(he)(he)實(shi)踐(jian)感悟》呂凌(ling)志演講、應用材料(liao)/IBM官網(wang)博客、企查查/36氪等融資信息(xi)
