被壟斷40年！半導體制造“大腦”迎融資熱，國產(chǎn)MES企業(yè)春天來(lái)了？

作者 |  高歌
編輯 |  Panken芯東西11月15日報道，近日，美國對半導體供應鏈各個(gè)廠(chǎng)商關(guān)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(huì )提交敏感信息等引起了全網(wǎng)熱議，晶圓廠(chǎng)商數據的重要性也得到了廣泛的討論。在晶圓廠(chǎng)中，每片晶圓的生產(chǎn)、庫存信息都要匯總到MES（Manufacturing Execution System，制造執行系統）中，供操作員、工藝工程師、設備工程師和晶圓廠(chǎng)管理層等晶圓廠(chǎng)工作人員對芯片生產(chǎn)進(jìn)行查看、管理和調度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，MES系統就如同晶圓廠(chǎng)的大腦一樣。而在半導體MES領(lǐng)域，絕大部分12英寸晶圓廠(chǎng)系統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(chǎn)MES系統能否突圍，打破IBM和應用材料兩大巨頭的壟斷，無(wú)疑對國產(chǎn)芯片制造有著(zhù)重要的意義。

上千步工序構成半導體MES壁壘14nm產(chǎn)線(xiàn)年數據量超140TB

在晶圓廠(chǎng)中，MES系統需要負責從訂貨到最終芯片成品全過(guò)程的生產(chǎn)活動(dòng)。簡(jiǎn)單來(lái)講，MES就是晶圓廠(chǎng)生產(chǎn)管理的自動(dòng)化系統，需要對工廠(chǎng)的實(shí)時(shí)事件進(jìn)行反應、報告，并用數據對其進(jìn)行指導和處理。根據企業(yè)管理層次模型，MES系統是生產(chǎn)活動(dòng)和管理活動(dòng)信息溝通的橋梁，強調當前精確的實(shí)時(shí)數據。具體來(lái)說(shuō)，工廠(chǎng)產(chǎn)線(xiàn)不同工序線(xiàn)上每種產(chǎn)品的多少、型號、交貨時(shí)間，產(chǎn)線(xiàn)和加工設備是否在空轉、停轉，產(chǎn)線(xiàn)上下料情況等都是MES系統需要跟蹤和管理的問(wèn)題。而在半導體晶圓廠(chǎng)中，一顆芯片需要經(jīng)過(guò)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(gè)環(huán)節和工序，在12英寸產(chǎn)線(xiàn)中工序甚至可以達到上千步。因此每顆芯片在生產(chǎn)中的數據都十分龐大，其數據量級也隨著(zhù)制程演進(jìn)而快速增長(cháng)。根據應用材料的數據，45nm晶圓廠(chǎng)每年的數據量在50TB左右，而28nm晶圓廠(chǎng)年均數據量可以達到80TB，14nm晶圓廠(chǎng)每年的數據量則為141TB。

對于MES系統來(lái)說(shuō)，一方面，晶圓廠(chǎng)投資金額巨大，12英寸晶圓廠(chǎng)所耗費的金額超過(guò)百億元，一旦停機損失巨大，需要整個(gè)系統有著(zhù)非常高的穩定性；另一方面，MES系統也要采用大數據等技術(shù)對整個(gè)產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化、分析，提升產(chǎn)線(xiàn)效率和良率。同時(shí)，晶圓廠(chǎng)還有著(zhù)客戶(hù)數量多、產(chǎn)品類(lèi)型多變、需要多品種小批量定制生產(chǎn)、自動(dòng)化程度高等需求。除了技術(shù)壁壘高，一套新的MES系統想要被半導體制造廠(chǎng)商接受、信任也需要經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的驗證。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(guān)整個(gè)半導體MES系統發(fā)展史，Consilium、Promis、Fastech等廠(chǎng)商都曾成為過(guò)行業(yè)龍頭，但是隨著(zhù)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。

20世紀70年代，美國MES廠(chǎng)商Consilium開(kāi)發(fā)出CAM（計算機輔助制造系統）Comet系統。該系統主要用于計算機數控機械，但是也包括工廠(chǎng)管理和制造控制，需要負責收集生產(chǎn)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(jīng)十分接近MES的理念了。之后，Consilium開(kāi)發(fā)出第一款實(shí)際意義上的半導體MES系統Workstream。憑借低價(jià)銷(xiāo)售策略，Consilium公司在半導體MES市場(chǎng)上極為成功，在相當長(cháng)一段時(shí)間里都是全球第一大半導體MES供應商，其客戶(hù)遍布世界各地，英飛凌、英特爾等廠(chǎng)商都采用了其產(chǎn)品。但好景不長(cháng)，1995年，由于半導體行業(yè)的蕭條，Consilium連續六個(gè)季度業(yè)績(jì)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?xún)r(jià)值4200萬(wàn)美元的股****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，該系統可以支持超過(guò)50萬(wàn)個(gè)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(shù)。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(chǎn)品。1996年，英國晶圓廠(chǎng)Newport Wafer Fab宣布采用PROMIS，其系統訂購價(jià)超過(guò)100萬(wàn)美元；1997年，聯(lián)電下屬的8英寸晶圓廠(chǎng)宣布和Promis達成超過(guò)150萬(wàn)美元協(xié)議。此時(shí)，中國臺灣地區排名前五的晶圓代工廠(chǎng)中聯(lián)電、先進(jìn)半導體、臺積電、茂矽4家都采用了Promis的MES系統。1998年6月，當時(shí)的半導體巨頭摩托羅拉也采用Promis產(chǎn)品作為其全球晶圓廠(chǎng)及下一代12英寸晶圓廠(chǎng)整合的基礎，進(jìn)一步推動(dòng)Promis成為半導體MES領(lǐng)域的龍頭。1999年，Promis被美國自動(dòng)化系統廠(chǎng)商PRI Automaiton以4800萬(wàn)美元收購；2001年，PRI Automaiton又被Brooks Automation以70億美元的價(jià)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(jīng)轉手，但是其MES系統至今仍是全球8英寸晶圓廠(chǎng)選用最多的MES系統。全球第三大半導體MES系統則是FASTech的FACTORYWork。FASTech成立于1986年，其代表性客戶(hù)為三星電子和英特爾。1998年，FASTech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(jīng)構建起一個(gè)覆蓋PROMIS、FACTORYWORKS、FAB300、300WORKS等主流MES系統的產(chǎn)品線(xiàn)。而除了各大主流MES系統外，作為全球半導體設備龍頭，應用材料MES系統和自家設備的強大生態(tài)也是其產(chǎn)品競爭力的一部分。

相比于應用材料的并購擴張，IBM的MES系統則借助了自家晶圓廠(chǎng)和軟件研發(fā)上的實(shí)力。1995年，IBM推出了POSEIDEN系統，1999年又基于POSEIDEN系統發(fā)布了SiView系統。IBM宣稱(chēng)，SiView系統可實(shí)現全自動(dòng)化的單晶圓控制，并處理在同一產(chǎn)線(xiàn)中多批次的產(chǎn)品。此外，SiView系統可以在不影響晶圓廠(chǎng)生產(chǎn)的情況下進(jìn)行安裝，并能夠在安裝后立即開(kāi)始運行。SiView系統發(fā)布后，IBM將其用于自己的12英寸產(chǎn)線(xiàn)，之后，SiView系統又被格芯、臺積電等廠(chǎng)商所采用。半導體MES兩大巨頭鼎立的局勢基本形成。
國產(chǎn)替代推動(dòng)中國半導體MES廠(chǎng)商發(fā)展

與半導體設備產(chǎn)業(yè)一樣，半導體MES系統也存在著(zhù)技術(shù)壁壘高、驗證時(shí)間長(cháng)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(gè)工序不同，同樣價(jià)值數千萬(wàn)元的MES系統影響的卻是價(jià)值數十億乃至百億晶圓廠(chǎng)的全產(chǎn)線(xiàn)。這也造成了半導體MES行業(yè)市場(chǎng)份額極為集中，且行業(yè)壁壘極高，新玩家很難進(jìn)入這一市場(chǎng)。隨著(zhù)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(chǎng)的自動(dòng)化水平也在不斷提升，從人工產(chǎn)線(xiàn)變?yōu)榘胱詣?dòng)產(chǎn)線(xiàn)、自動(dòng)產(chǎn)線(xiàn)，MES系統對晶圓廠(chǎng)生產(chǎn)越來(lái)越重要。國產(chǎn)MES系統的成長(cháng)對中國半導體行業(yè)有著(zhù)切實(shí)地意義。上揚軟件是成立時(shí)間最久的一家國產(chǎn)半導體MES廠(chǎng)商。2000年，曾在新加坡國立制造技術(shù)研究院研究MES系統的呂凌志回國創(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(chǎng)的MES系統。因為不去做4、5、6英寸晶圓廠(chǎng)，就無(wú)法獲得8英寸晶圓廠(chǎng)的信任；沒(méi)有拿下8英寸晶圓廠(chǎng)，更談不上12英寸。

盡管上揚軟件已經(jīng)拿下了中芯紹興的8英寸產(chǎn)線(xiàn)合同，并且其產(chǎn)量在1年內達到5萬(wàn)片/月，是國內沖量產(chǎn)最快的8英寸產(chǎn)線(xiàn)。但在2019-2020年，上揚軟件連續三次在國內12英寸產(chǎn)線(xiàn)評估中失敗。雖然失望，但呂凌志也清楚這就是行業(yè)的現實(shí)：“投資百億的晶圓廠(chǎng)，如果你為幾千萬(wàn)的軟件冒險，那是想都不敢想象的?！?/span>

由于國產(chǎn)替代浪潮，國產(chǎn)半導體MES玩家也迎來(lái)了新的發(fā)展。今年5月，上揚軟件獲得了華為哈勃的戰略投資。10月份，上揚軟件又完成了由大基金二期領(lǐng)投，中芯聚源、浦東科投等跟投的新一輪數億元融資。在資金支持下，上揚軟件拿下了國內CMOS晶圓代工廠(chǎng)商長(cháng)光圓辰和存儲廠(chǎng)商杭州馳拓的12英寸產(chǎn)線(xiàn)。除了上揚軟件，賽美特、芯享科技、哥瑞利等半導體MES/CIM領(lǐng)域的國產(chǎn)廠(chǎng)商憑借其專(zhuān)業(yè)人才、技術(shù)實(shí)力也在今年完成了新一輪融資。芯享科技成立于2018年，其首席戰略發(fā)展官邱崧恒曾主導長(cháng)江存儲和泉芯的CIM系統整合；晶圓事業(yè)部技術(shù)專(zhuān)家張鎮浩則參與過(guò)韓國三星電子、SK海力士自動(dòng)化體系研發(fā)。據報道，在封測領(lǐng)域的TOP10中，芯享科技的客戶(hù)占比近1/3，其還擁有9家晶圓廠(chǎng)商客戶(hù)。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(lǐng)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(chǎn)品已用于50余座工廠(chǎng)。賽美特總經(jīng)理閔東植曾任三星SDS常務(wù)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(wàn)元A輪融資。哥瑞利軟件成立于2007年，其專(zhuān)注于半導體領(lǐng)域的智能制造解決方案，研發(fā)服務(wù)團隊超過(guò)300人，擁有21項專(zhuān)利和111項軟件著(zhù)作權（含申請中）。在半導體前道領(lǐng)域，其客戶(hù)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(fēng)投深圳領(lǐng)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(lèi)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(kāi)始浮現，國產(chǎn)半導體MES行業(yè)發(fā)展正步入快車(chē)道。
結語(yǔ)：工業(yè)4.0時(shí)代來(lái)臨MES系統為IC制造關(guān)鍵

工業(yè)化4.0時(shí)代的到來(lái)，無(wú)疑也加速了半導體晶圓廠(chǎng)的自動(dòng)化、無(wú)人化進(jìn)程。在這一趨勢下，晶圓廠(chǎng)產(chǎn)線(xiàn)需要支持更多的數據接口，云計算、大數據、人工智能、機器人、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)將成為重要的組成部分。對晶圓廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，如何順應這一趨勢，整合各類(lèi)技術(shù)、優(yōu)化晶圓廠(chǎng)良率、合理分配產(chǎn)線(xiàn)，都離不開(kāi)先進(jìn)的MES系統。各類(lèi)資本的涌入無(wú)疑會(huì )加快行業(yè)的發(fā)展速度，起到推動(dòng)作用。但從半導體MES行業(yè)的發(fā)展歷史來(lái)看，MES系統廠(chǎng)商的整合、并購十分劇烈，廠(chǎng)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(shí)，做好研發(fā)投入和營(yíng)收的平衡，將會(huì )是國產(chǎn)半導體MES廠(chǎng)商需要面對的挑戰。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(guò)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(chǎng)MES發(fā)展歷程和實(shí)踐感悟》呂凌志演講、應用材料/IBM官網(wǎng)博客、企查查/36氪等融資信息