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大基金、華為哈勃、華登國際一眾資本涌入國產半導體MES賽道。
芯東西11月15日報道，近日，美國對半導體供應鏈各個廠商關鍵信息的要求期限剛剛截止，臺積電、三星電子等晶圓制造商是否會提交敏感信息等引起了全網熱議，晶圓廠商數(shù)據的重要性也得到了廣泛的討論。在晶圓廠中，每片晶圓的生產、庫存信息都要匯總到MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）中，供操作員、工藝工程師、設備工程師和晶圓廠管理層等晶圓廠工作人員對芯片生產進行查看、管理和調度。
簡單來說，MES系統(tǒng)就如同晶圓廠的大腦一樣。而在半導體MES領域，絕大部分12英寸晶圓廠系統(tǒng)恰恰被美國科技巨頭IBM和美國半導體設備巨頭應用材料所壟斷。國產MES系統(tǒng)能否突圍，打破IBM和應用材料兩大巨頭的壟斷，無疑對國產芯片制造有著重要的意義。
▲企業(yè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)集成國際ISA-95標準 （來源：應用材料）
01.上千步工序構成半導體MES壁壘14nm產線年數(shù)據量超140TB
在晶圓廠中，MES系統(tǒng)需要負責從訂貨到最終芯片成品全過程的生產活動。簡單來講，MES就是晶圓廠生產管理的自動化系統(tǒng)，需要對工廠的實時事件進行反應、報告，并用數(shù)據對其進行指導和處理。根據企業(yè)管理層次模型，MES系統(tǒng)是生產活動和管理活動信息溝通的橋梁，強調當前精確的實時數(shù)據。具體來說，工廠產線不同工序線上每種產品的多少、型號、交貨時間，產線和加工設備是否在空轉、停轉，產線上下料情況等都是MES系統(tǒng)需要跟蹤和管理的問題。而在半導體晶圓廠中，一顆芯片需要經過薄膜沉積、光刻膠涂敷、光刻顯影、刻蝕、量測、清晰、離子注入等多個環(huán)節(jié)和工序，在12英寸產線中工序甚至可以達到上千步。因此每顆芯片在生產中的數(shù)據都十分龐大，其數(shù)據量級也隨著制程演進而快速增長。根據應用材料的數(shù)據，45nm晶圓廠每年的數(shù)據量在50TB左右，而28nm晶圓廠年均數(shù)據量可以達到80TB，14nm晶圓廠每年的數(shù)據量則為141TB。
▲晶圓制造流程（來源：上揚軟件呂凌志）
對于MES系統(tǒng)來說，一方面，晶圓廠投資金額巨大，12英寸晶圓廠所耗費的金額超過百億元，一旦停機損失巨大，需要整個系統(tǒng)有著非常高的穩(wěn)定性；另一方面，MES系統(tǒng)也要采用大數(shù)據等技術對整個產線進行優(yōu)化、分析，提升產線效率和良率。同時，晶圓廠還有著客戶數(shù)量多、產品類型多變、需要多品種小批量定制生產、自動化程度高等需求。除了技術壁壘高，一套新的MES系統(tǒng)想要被半導體制造廠商接受、信任也需要經過長時間的驗證。
02.應用材料并購構建半導體MES王國IBM系統(tǒng)獲格芯、臺積電青睞
縱觀整個半導體MES系統(tǒng)發(fā)展史，Consilium、Promis、Fastech等廠商都曾成為過行業(yè)龍頭，但是隨著半導體周期以及激烈的并購，應用材料和IBM兩家巨頭最終成為了當前行業(yè)中的絕對霸主。
▲世界晶圓廠MES系統(tǒng)發(fā)展史（來源：上揚軟件呂凌志）
20世紀70年代，美國MES廠商Consilium開發(fā)出CAM（計算機輔助制造系統(tǒng)）Comet系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于計算機數(shù)控機械，但是也包括工廠管理和制造控制，需要負責收集生產信息、輔助決策、傳播指令和控制信息等。這一階段的CAM軟件已經十分接近MES的理念了。
之后，Consilium開發(fā)出第一款實際意義上的半導體MES系統(tǒng)Workstream。憑借低價銷售策略，Consilium公司在半導體MES市場上極為成功，在相當長一段時間里都是全球第一大半導體MES供應商，其客戶遍布世界各地，英飛凌、英特爾等廠商都采用了其產品。
但好景不長，1995年，由于半導體行業(yè)的蕭條，Consilium連續(xù)六個季度業(yè)績下滑，在1996年和1997年利潤均為虧損態(tài)勢。1998年10月，Consilium公司被應用材料以價值4200萬美元的股票交換收購了Consilium。Consilium被應用材料收購后，其推出了下一代MES FAB300系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以支持超過50萬個晶圓運行，具備晶圓可追溯性、集群工具模型和工藝控制等新的技術。在Consilium發(fā)行Comet之后，加拿大MES供應商Promis也推出了自家的PROMIS MES產品。
1996年，英國晶圓廠Newport Wafer Fab宣布采用PROMIS，其系統(tǒng)訂購價超過100萬美元；
1997年，聯(lián)電下屬的8英寸晶圓廠宣布和Promis達成超過150萬美元協(xié)議。此時，中國臺灣地區(qū)排名前五的晶圓代工廠中聯(lián)電、先進半導體、臺積電、茂矽4家都采用了Promis的MES系統(tǒng)。
1998年6月，當時的半導體巨頭摩托羅拉也采用Promis產品作為其全球晶圓廠及下一代12英寸晶圓廠整合的基礎，進一步推動Promis成為半導體MES領域的龍頭。
1999年，Promis被美國自動化系統(tǒng)廠商PRI Automaiton以4800萬美元收購；
2001年，PRI Automaiton又被Brooks Automation以70億美元的價格收購。
2007年，應用材料以1.25億美元收購Brooks Automation下屬的事業(yè)部Brooks Software，該事業(yè)部也包含了此前的Promis。
雖然Promis幾經轉手，但是其MES系統(tǒng)至今仍是全球8英寸晶圓廠選用最多的MES系統(tǒng)。全球第三大半導體MES系統(tǒng)則是FASTech的FACTORYWork。FASTech成立于1986年，其代表性客戶為三星電子和英特爾。1998年，F(xiàn)ASTech被Brooks Software收購，之后也隨之被應用材料收購。至此，應用材料已經構建起一個覆蓋PROMIS、FACTORYWORKS、FAB300、300WORKS等主流MES系統(tǒng)的產品線。而除了各大主流MES系統(tǒng)外，作為全球半導體設備龍頭，應用材料MES系統(tǒng)和自家設備的強大生態(tài)也是其產品競爭力的一部分。
▲應用材料MES系統(tǒng)產品（來源：應用材料）
相比于應用材料的并購擴張，IBM的MES系統(tǒng)則借助了自家晶圓廠和軟件研發(fā)上的實力。1995年，IBM推出了POSEIDEN系統(tǒng)，1999年又基于POSEIDEN系統(tǒng)發(fā)布了SiView系統(tǒng)。IBM宣稱，SiView系統(tǒng)可實現(xiàn)全自動化的單晶圓控制，并處理在同一產線中多批次的產品。此外，SiView系統(tǒng)可以在不影響晶圓廠生產的情況下進行安裝，并能夠在安裝后立即開始運行。SiView系統(tǒng)發(fā)布后，IBM將其用于自己的12英寸產線，之后，SiView系統(tǒng)又被格芯、臺積電等廠商所采用。半導體MES兩大巨頭鼎立的局勢基本形成。
03.國產替代推動中國半導體MES廠商發(fā)展
與半導體設備產業(yè)一樣，半導體MES系統(tǒng)也存在著技術壁壘高、驗證時間長等特性，使其被應用材料和IBM兩大巨頭所主導。但是和半導體設備只影響一個工序不同，同樣價值數(shù)千萬元的MES系統(tǒng)影響的卻是價值數(shù)十億乃至百億晶圓廠的全產線。這也造成了半導體MES行業(yè)市場份額極為集中，且行業(yè)壁壘極高，新玩家很難進入這一市場。隨著晶圓尺寸從4英寸變?yōu)?英寸、8英寸、12英寸，芯片性能和制造要求在不斷提升，晶圓廠的自動化水平也在不斷提升，從人工產線變?yōu)榘胱詣赢a線、自動產線，MES系統(tǒng)對晶圓廠生產越來越重要。國產MES系統(tǒng)的成長對中國半導體行業(yè)有著切實地意義。上揚軟件是成立時間最久的一家國產半導體MES廠商。2000年，曾在新加坡國立制造技術研究院研究MES系統(tǒng)的呂凌志回國創(chuàng)立上揚軟件。在他創(chuàng)業(yè)的前十五六年里，上揚軟件做得都是4、5、6英寸晶圓廠的MES系統(tǒng)。因為不去做4、5、6英寸晶圓廠，就無法獲得8英寸晶圓廠的信任；沒有拿下8英寸晶圓廠，更談不上12英寸。
▲上揚軟件發(fā)展史（來源：上揚軟件呂凌志）
盡管上揚軟件已經拿下了中芯紹興的8英寸產線合同，并且其產量在1年內達到5萬片/月，是國內沖量產最快的8英寸產線。但在2019-2020年，上揚軟件連續(xù)三次在國內12英寸產線評估中失敗。雖然失望，但呂凌志也清楚這就是行業(yè)的現(xiàn)實：“投資百億的晶圓廠，如果你為幾千萬的軟件冒險，那是想都不敢想象的。”
▲上揚軟件CIM/MES系統(tǒng)方案架構（來源：上揚軟件呂凌志）
由于國產替代浪潮，國產半導體MES玩家也迎來了新的發(fā)展。今年5月，上揚軟件獲得了華為哈勃的戰(zhàn)略投資。10月份，上揚軟件又完成了由大基金二期領投，中芯聚源、浦東科投等跟投的新一輪數(shù)億元融資。在資金支持下，上揚軟件拿下了國內CMOS晶圓代工廠商長光圓辰和存儲廠商杭州馳拓的12英寸產線。
除了上揚軟件，賽美特、芯享科技、哥瑞利等半導體MES/CIM領域的國產廠商憑借其專業(yè)人才、技術實力也在今年完成了新一輪融資。芯享科技成立于2018年，其首席戰(zhàn)略發(fā)展官邱崧恒曾主導長江存儲和泉芯的CIM系統(tǒng)整合；晶圓事業(yè)部技術專家張鎮(zhèn)浩則參與過韓國三星電子、SK海力士自動化體系研發(fā)。
據報道，在封測領域的TOP10中，芯享科技的客戶占比近1/3，其還擁有9家晶圓廠商客戶。今年3月，芯享科技獲得紅杉中國、高瓴資本、華登國際聯(lián)合領投的近億元A輪融資。賽美特于2020年成立，合并了“上海特勱絲”和“固耀SEMI Integration”兩家公司，其產品已用于50余座工廠。賽美特總經理閔東植曾任三星SDS常務理事及SK海力士半導體CIM研發(fā)負責人。
今年5月，賽美特宣布完成5000萬元A輪融資。哥瑞利軟件成立于2007年，其專注于半導體領域的智能制造解決方案，研發(fā)服務團隊超過300人，擁有21項專利和111項軟件著作權（含申請中）。在半導體前道領域，其客戶有中芯國際等。根據企查查信息，哥瑞利于11月12日獲得由招商資本、國新風投深圳領投的3億元新一輪融資。在大基金、中芯聚源、華登國際、高瓴資本等各類資金的支持下，上揚軟件等老牌玩家獲得了更大的支持，芯享科技等新興玩家也開始浮現(xiàn)，國產半導體MES行業(yè)發(fā)展正步入快車道。
04.結語：工業(yè)4.0時代來臨MES系統(tǒng)為IC制造關鍵
工業(yè)化4.0時代的到來，無疑也加速了半導體晶圓廠的自動化、無人化進程。在這一趨勢下，晶圓廠產線需要支持更多的數(shù)據接口，云計算、大數(shù)據、人工智能、機器人、物聯(lián)網等技術將成為重要的組成部分。對晶圓廠商來說，如何順應這一趨勢，整合各類技術、優(yōu)化晶圓廠良率、合理分配產線，都離不開先進的MES系統(tǒng)。各類資本的涌入無疑會加快行業(yè)的發(fā)展速度，起到推動作用。但從半導體MES行業(yè)的發(fā)展歷史來看，MES系統(tǒng)廠商的整合、并購十分劇烈，廠商發(fā)展也受半導體周期影響較大。如何抓住當前行業(yè)快速發(fā)展的窗口，在行業(yè)增速放緩時，做好研發(fā)投入和營收的平衡，將會是國產半導體MES廠商需要面對的挑戰(zhàn)。
作者 | 高歌
編輯 | Panken
參考信源：
《半導體行業(yè)MES的研究與應用》何月華
《集成CAM和過程仿真，增強集成電路制造的分析和控制（Integrating CAM and Process Simulation to Enhance the Analysis and Control of IC Fabrication）》Angus Joseph MacDonald
《晶圓廠MES發(fā)展歷程和實踐感悟》呂凌志演講、應用材料/IBM官網博客、企查查/36氪等融資信息
