被壟斷40年！半導(dǎo)體制造“大腦”迎融資熱，國(guó)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?qǐng)?bào)道，近日，美國(guó)對(duì)半導(dǎo)體供應(yīng)鏈各個(gè)廠商關(guān)鍵信息的要求期限剛剛截止，臺(tái)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，晶圓廠商數(shù)據(jù)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(chǎn)、庫(kù)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(shè)備工程師和晶圓廠管理層等晶圓廠工作人員對(duì)芯片生產(chǎn)進(jìn)行查看、管理和調(diào)度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，MES系統(tǒng)就如同晶圓廠的大腦一樣。而在半導(dǎo)體MES領(lǐng)域，絕大部分12英寸晶圓廠系統(tǒng)恰恰被美國(guó)科技巨頭IBM和美國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備巨頭應(yīng)用材料所壟斷。國(guó)產(chǎn)MES系統(tǒng)能否突圍，打破IBM和應(yīng)用材料兩大巨頭的壟斷，無(wú)疑對(duì)國(guó)產(chǎn)芯片制造有著重要的意義。

上千步工序構(gòu)成半導(dǎo)體MES壁壘14nm產(chǎn)線年數(shù)據(jù)量超140TB

在晶圓廠中，MES系統(tǒng)需要負(fù)責(zé)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就是晶圓廠生產(chǎn)管理的自動(dòng)化系統(tǒng)，需要對(duì)工廠的實(shí)時(shí)事件進(jìn)行反應(yīng)、報(bào)告，并用數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行指導(dǎo)和處理。根據(jù)企業(yè)管理層次模型，MES系統(tǒng)是生產(chǎn)活動(dòng)和管理活動(dòng)信息溝通的橋梁，強(qiáng)調(diào)當(dāng)前精確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。具體來(lái)說(shuō)，工廠產(chǎn)線不同工序線上每種產(chǎn)品的多少、型號(hào)、交貨時(shí)間，產(chǎn)線和加工設(shè)備是否在空轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)，產(chǎn)線上下料情況等都是MES系統(tǒng)需要跟蹤和管理的問(wèn)題。而在半導(dǎo)體晶圓廠中，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(cè)、清晰、離子注入等多個(gè)環(huán)節(jié)和工序，在12英寸產(chǎn)線中工序甚至可以達(dá)到上千步。因此每顆芯片在生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)都十分龐大，其數(shù)據(jù)量級(jí)也隨著制程演進(jìn)而快速增長(zhǎng)。根據(jù)應(yīng)用材料的數(shù)據(jù)，45nm晶圓廠每年的數(shù)據(jù)量在50TB左右，而28nm晶圓廠年均數(shù)據(jù)量可以達(dá)到80TB，14nm晶圓廠每年的數(shù)據(jù)量則為141TB。

對(duì)于MES系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一方面，晶圓廠投資金額巨大，12英寸晶圓廠所耗費(fèi)的金額超過(guò)百億元，一旦停機(jī)損失巨大，需要整個(gè)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(jù)等技術(shù)對(duì)整個(gè)產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化、分析，提升產(chǎn)線效率和良率。同時(shí)，晶圓廠還有著客戶數(shù)量多、產(chǎn)品類型多變、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(tǒng)想要被半導(dǎo)體制造廠商接受、信任也需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證。應(yīng)用材料并購(gòu)構(gòu)建半導(dǎo)體MES王國(guó)IBM系統(tǒng)獲格芯、臺(tái)積電青睞

縱觀整個(gè)半導(dǎo)體MES系統(tǒng)發(fā)展史，Consilium、Promis、Fastech等廠商都曾成為過(guò)行業(yè)龍頭，但是隨著半導(dǎo)體周期以及激烈的并購(gòu)，應(yīng)用材料和IBM兩家巨頭最終成為了當(dāng)前行業(yè)中的絕對(duì)霸主。

20世紀(jì)70年代，美國(guó)MES廠商Consilium開發(fā)出CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)）Comet系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)械，但是也包括工廠管理和制造控制，需要負(fù)責(zé)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開發(fā)出第一款實(shí)際意義上的半導(dǎo)體MES系統(tǒng)Workstream。憑借低價(jià)銷售策略，Consilium公司在半導(dǎo)體MES市場(chǎng)上極為成功，在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里都是全球第一大半導(dǎo)體MES供應(yīng)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(chǎn)品。但好景不長(zhǎng)，1995年，由于半導(dǎo)體行業(yè)的蕭條，Consilium連續(xù)六個(gè)季度業(yè)績(jī)下滑，在1996年和1997年利潤(rùn)均為虧損態(tài)勢(shì)。1998年10月，Consilium公司被應(yīng)用材料以價(jià)值4200萬(wàn)美元的股****交換收購(gòu)了Consilium。Consilium被應(yīng)用材料收購(gòu)后，其推出了下一代MES FAB300系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以支持超過(guò)50萬(wàn)個(gè)晶圓運(yùn)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(yīng)商Promis也推出了自家的PROMIS MES產(chǎn)品。1996年，英國(guó)晶圓廠Newport Wafer Fab宣布采用PROMIS，其系統(tǒng)訂購(gòu)價(jià)超過(guò)100萬(wàn)美元；1997年，聯(lián)電下屬的8英寸晶圓廠宣布和Promis達(dá)成超過(guò)150萬(wàn)美元協(xié)議。此時(shí)，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)排名前五的晶圓代工廠中聯(lián)電、先進(jìn)半導(dǎo)體、臺(tái)積電、茂矽4家都采用了Promis的MES系統(tǒng)。1998年6月，當(dāng)時(shí)的半導(dǎo)體巨頭摩托羅拉也采用Promis產(chǎn)品作為其全球晶圓廠及下一代12英寸晶圓廠整合的基礎(chǔ)，進(jìn)一步推動(dòng)Promis成為半導(dǎo)體MES領(lǐng)域的龍頭。1999年，Promis被美國(guó)自動(dòng)化系統(tǒng)廠商PRI Automaiton以4800萬(wàn)美元收購(gòu)；2001年，PRI Automaiton又被Brooks Automation以70億美元的價(jià)格收購(gòu)。2007年，應(yīng)用材料以1.25億美元收購(gòu)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(zhuǎn)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(dǎo)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(gòu)，之后也隨之被應(yīng)用材料收購(gòu)。至此，應(yīng)用材料已經(jīng)構(gòu)建起一個(gè)覆蓋PROMIS、FACTORYWORKS、FAB300、300WORKS等主流MES系統(tǒng)的產(chǎn)品線。而除了各大主流MES系統(tǒng)外，作為全球半導(dǎo)體設(shè)備龍頭，應(yīng)用材料MES系統(tǒng)和自家設(shè)備的強(qiáng)大生態(tài)也是其產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一部分。

相比于應(yīng)用材料的并購(gòu)擴(kuò)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(shí)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(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的單晶圓控制，并處理在同一產(chǎn)線中多批次的產(chǎn)品。此外，SiView系統(tǒng)可以在不影響晶圓廠生產(chǎn)的情況下進(jìn)行安裝，并能夠在安裝后立即開始運(yùn)行。SiView系統(tǒng)發(fā)布后，IBM將其用于自己的12英寸產(chǎn)線，之后，SiView系統(tǒng)又被格芯、臺(tái)積電等廠商所采用。半導(dǎo)體MES兩大巨頭鼎立的局勢(shì)基本形成。
國(guó)產(chǎn)替代推動(dòng)中國(guó)半導(dǎo)體MES廠商發(fā)展

與半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)一樣，半導(dǎo)體MES系統(tǒng)也存在著技術(shù)壁壘高、驗(yàn)證時(shí)間長(zhǎng)等特性，使其被應(yīng)用材料和IBM兩大巨頭所主導(dǎo)。但是和半導(dǎo)體設(shè)備只影響一個(gè)工序不同，同樣價(jià)值數(shù)千萬(wàn)元的MES系統(tǒng)影響的卻是價(jià)值數(shù)十億乃至百億晶圓廠的全產(chǎn)線。這也造成了半導(dǎo)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(dòng)化水平也在不斷提升，從人工產(chǎn)線變?yōu)榘胱詣?dòng)產(chǎn)線、自動(dòng)產(chǎn)線，MES系統(tǒng)對(duì)晶圓廠生產(chǎn)越來(lái)越重要。國(guó)產(chǎn)MES系統(tǒng)的成長(zhǎng)對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)有著切實(shí)地意義。上揚(yáng)軟件是成立時(shí)間最久的一家國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體MES廠商。2000年，曾在新加坡國(guó)立制造技術(shù)研究院研究MES系統(tǒng)的呂凌志回國(guó)創(chuàng)立上揚(yáng)軟件。在他創(chuàng)業(yè)的前十五六年里，上揚(yáng)軟件做得都是4、5、6英寸晶圓廠的MES系統(tǒng)。因?yàn)椴蝗プ?、5、6英寸晶圓廠，就無(wú)法獲得8英寸晶圓廠的信任；沒(méi)有拿下8英寸晶圓廠，更談不上12英寸。

盡管上揚(yáng)軟件已經(jīng)拿下了中芯紹興的8英寸產(chǎn)線合同，并且其產(chǎn)量在1年內(nèi)達(dá)到5萬(wàn)片/月，是國(guó)內(nèi)沖量產(chǎn)最快的8英寸產(chǎn)線。但在2019-2020年，上揚(yáng)軟件連續(xù)三次在國(guó)內(nèi)12英寸產(chǎn)線評(píng)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(shí)：“投資百億的晶圓廠，如果你為幾千萬(wàn)的軟件冒險(xiǎn)，那是想都不敢想象的。”

由于國(guó)產(chǎn)替代浪潮，國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體MES玩家也迎來(lái)了新的發(fā)展。今年5月，上揚(yáng)軟件獲得了華為哈勃的戰(zhàn)略投資。10月份，上揚(yáng)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(shù)億元融資。在資金支持下，上揚(yáng)軟件拿下了國(guó)內(nèi)CMOS晶圓代工廠商長(zhǎng)光圓辰和存儲(chǔ)廠商杭州馳拓的12英寸產(chǎn)線。除了上揚(yáng)軟件，賽美特、芯享科技、哥瑞利等半導(dǎo)體MES/CIM領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)廠商憑借其專業(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(zhàn)略發(fā)展官邱崧恒曾主導(dǎo)長(zhǎng)江存儲(chǔ)和泉芯的CIM系統(tǒng)整合；晶圓事業(yè)部技術(shù)專家張鎮(zhèn)浩則參與過(guò)韓國(guó)三星電子、SK海力士自動(dòng)化體系研發(fā)。據(jù)報(bào)道，在封測(cè)領(lǐng)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(guó)、高瓴資本、華登國(guó)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。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(dǎo)體CIM研發(fā)負(fù)責(zé)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，其專注于半導(dǎo)體領(lǐng)域的智能制造解決方案，研發(fā)服務(wù)團(tuán)隊(duì)超過(guò)300人，擁有21項(xiàng)專利和111項(xiàng)軟件著作權(quán)（含申請(qǐng)中）。在半導(dǎo)體前道領(lǐng)域，其客戶有中芯國(guó)際等。根據(jù)企查查信息，哥瑞利于11月12日獲得由招商資本、國(guó)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(guó)際、高瓴資本等各類資金的支持下，上揚(yáng)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(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體MES行業(yè)發(fā)展正步入快車道。
結(jié)語(yǔ)：工業(yè)4.0時(shí)代來(lái)臨MES系統(tǒng)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(dǎo)體晶圓廠的自動(dòng)化、無(wú)人化進(jìn)程。在這一趨勢(shì)下，晶圓廠產(chǎn)線需要支持更多的數(shù)據(jù)接口，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)將成為重要的組成部分。對(duì)晶圓廠商來(lái)說(shuō)，如何順應(yīng)這一趨勢(shì)，整合各類技術(shù)、優(yōu)化晶圓廠良率、合理分配產(chǎn)線，都離不開先進(jìn)的MES系統(tǒng)。各類資本的涌入無(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(dǎo)體MES行業(yè)的發(fā)展歷史來(lái)看，MES系統(tǒng)廠商的整合、并購(gòu)十分劇烈，廠商發(fā)展也受半導(dǎo)體周期影響較大。如何抓住當(dāng)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(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體MES廠商需要面對(duì)的挑戰(zhàn)。參考信源：《半導(dǎo)體行業(yè)MES的研究與應(yīng)用》何月華、《集成CAM和過(guò)程仿真，增強(qiáng)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(shí)踐感悟》呂凌志演講、應(yīng)用材料/IBM官網(wǎng)博客、企查查/36氪等融資信息