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本文来自微信公众号:芯流智库(ID:xinliuzhiku),作者:周文君,原文标题:《定鼎之战:半导体CIM系统的三次浪潮》,题图来自:视觉中国


CIM系统,素有半导体制造环节的 EDA之称,是半导体制造的生命级系统。


上世纪90年代末,IBM抢占了CIM系统发展的先机,成为霸主;2000年后,美国应用材料(简称“应材”)崛起,形成了两大巨头IBM和应材垄断的市场局面;2015年以来,伴随国家政策红利,中国大陆涌现出了一批国产CIM厂商,包括赛特美、芯享等。2020年以来,国内CIM赛道的融资更是火热。


纵观20多年风云变幻,行业发展的三个历史问题值得思考:


  • 20世纪90年代末,IBM如何迅速垄断CIM市场?

  • 美系韩系的其它厂商,如何虎口夺食,抢夺CIM市场的一席之地?

  • 在生死攸关之际,中国国产CIM厂商又该如何破局?


CIM,晶圆制造环节的EDA


芯片法案后,美国断供EDA工具的消息曾在国内引起广泛讨论。CIM系统——制造环节的“EDA”,其重要性不言而喻。那么什么是半导体CIM系统?为何半导体CIM系统如此重要?


半导体领域的工业软件统称为CIM系统。它借助计算机的控制与信息处理功能,帮助半导体工厂实现产品的自动化生产。简而言之,CIM系统就是半导体工厂里的总指挥官。


半导体产业链环节多、周期长,CIM系统可以保证每一个环节的设备,都能按照要求来执行命令,每一个工艺的参数都没有偏差,每一个晶圆的缺陷都能有据可循,每一台设备都能被高效利用。


这些环节的实现,得益于CIM的四个功能:对生产资料及人力资源的调配管理功能,编程、建模等设计功能,自动化制造功能及质量控制功能。这些功能由不同软件实现。


CIM系统由制造执行系统(MES)、统计过程控制系统(SPC)、设备自动化方案(EAP)、配方管理系统(RMS)、良率管理系统(YMS)等数十种软件系统组成。如果说CIM是半导体工厂的指挥官,那么MES系统便是指挥官的“大脑”。


CIM系统大致可以划分为三大类 ——“生产系统”“设备系统”“质量系统”。生产系统负责生产管理,以MES为代表;设备系统负责自动化及设备管理,其中EAP最具代表性。质量系统负责品质管理,如YMS。


EAP通过与设备直接通信来控制设备,负责设备生产数据的采集。EAP将采集到的生产数据传送给EIS,将状态数据传送给 FDC。


EIS接受数据然后保存,在采集的数据中,将重要数据传送至MES。


MES利用EIS采集的数据,控制工厂内生产流程,进一步采集生产数据,将采集的数据用于营业、分析等。


其它软件,也各司其职。YMS和QMS负责生产信息数据分析,SPC通过统计来管理生产活动中有无异常,以提高生产效率及质量。



随着芯片制程提升及晶圆代工技术迭代,12吋晶圆厂崛起,CIM系统市场应运而生。从6、8到12吋,良率及品控要求逐渐严格,自动化水平升级,借助CIM系统实现生产成为必然。


从生产资料跟生产力的关系的角度来看,6吋的核心是“人”,或者说,是人为主,设备为辅;8吋的核心是“人+生产资料”,即两者的协同体;12吋的核心是设备,讲求高度自动化。


8英寸以半自动厂为主,12英寸基本都是全自动。在一座12英寸晶圆厂中,每一片晶圆要在几百甚至上千台设备间流转往复,生产工序超过千道,任何一个环节出差错都会直接影响良率和效率。


此外,半导体供应链具有生产环节繁多、高度协同等特点,对整个上下游产业链的数据传输效率、准确性等方面要求非常高。


因此,CIM系统发挥着无可替代的作用。


上世纪90年代开始,IBM敏锐地抓住了CIM发展的契机。1995年,IBM斥巨资35亿美元收购了莲花(Lotus)软件公司,依赖自己的技术积累,将各个部门合并,组成一个“软件集团”。


1995年,IBM 推出POSEIDEN,这是CIM体系化的开始,同时也是IBM迈出的第一步。


1999年,IBM再接再厉,基于POSEIDEN系统发布了SiView系统,随后,IBM将其用于自己的12英寸产线。


世纪之交,中国台湾地区掀起12吋建厂潮。以台积电为首的一批厂商开启了晶圆代工的新纪元,从此晶圆制造产业链分工更加明确。


IBM紧随时代潮流,将业务重心转移至东亚地区,从此深度绑定。IBM就这样再一次牢牢吃到了时代红利,SiView系统被台积电等厂商所采用。


至此,IBM以强大的实力垄断CIM系统市场十多年。


CIM软件是一个技术和经验结合的硬科技领域,不仅需要团队有扎实的技术积累和强大的研发能力,更需要具备丰富的行业知识和项目经验(know-how)。软件的成熟度往往与客户案例的数量和质量直接挂钩,具体体现在这款软件可用于多少条产线,能支撑多大量产能力,使用年限等。


在这十余年内,IBM核心优势,除了IT能力,还有强悍的“know-how”。也正是凭借着这一点,IBM能始终保持其领先地位,让后进入者望而却步。


虎踞龙盘之势,天翻地覆之时


在IBM崛起的同时,韩系CIM厂商也在抢占自己的一席之地。


韩系CIM厂商崛起有两个背景,其一,在政治环境上,日本制裁、美国扶持;其二,人才引进上充分挖掘“周末工程师”的红利。


在政治环境上,上世纪90年代,韩系CIM厂商同时面临着日本制裁和美国扶持。


这一切要从美国产业转移说起,美国产业转移后,日企发展迅猛,同时美国产业空心化严重,很多的半导体巨头在与日企的竞争中处于劣势地位。


当时,美国的半导体产业发展思路,是实现“全球一体化”,通俗来讲,美国希望拉拢“小弟”和“跟班”,实现美国的雄图壮志。日企和美国竞争,那美国自然愿意扶持韩国发展。


韩国一开始只是做偏低端的封装。90 年代初,在“日本封锁”和“美国扶持”的双重环境下,韩国提出了“国产化”的概念,发展高端环节,得到美国的大力支持。


1995 年,三星推出了本土第一套 CIM。97 年,海力士开始做自己的CIM。在CIM加持下,2000 年后,韩国公司几乎全都建成了12吋厂。


在人才上,韩国积极引入大量日本人才,并通过“周末工程师”的方式进步迅速。


人才永远是高新技术发展的核心动力。当时,韩国派出了大量的商业间谍、说客及猎头游说日本工程师。日本的工程师每个星期五晚上坐飞机飞到韩国,工作两天后,周日晚上飞回日本。渐渐地,在外来工程师的帮助下,韩国的半导体业有了质的飞跃。


时间加速进入21世纪,这注定是一个不平凡的年代。大洋彼岸的美国,应用材料开启了与IBM的争霸之路。

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首先,是近乎疯狂地收购。


应用材料挑战IBM十几年,一直是被“摁”在地上摩擦的。1998年,应用材料收购了半导体MES公司Consilium。2006年,应用材料继续收购了另一家MES公司Brooks Software。这种近乎疯狂的收购,虽然让应材做到了世界第二的位置,但并没能让其占据最为关键的12吋市场。


一切的转折点,是长江存储为应用材料提供12吋验证机遇。


16年,应材拥有了第一个12吋案例——长江存储,并且非常成功。从此,IBM 开始节节败退。从目前市场份额而言,IBM在存量市场中依然占据优势,但增量市场却远低于应用材料。


与此同时,中国半导体业迎来了政策红利,CIM产业趁势而起。


上扬是中国CIM赛道的先驱,经过20多年的经验积累,逐渐具备了无可替代的优势。


1999年,上扬创始人吕凌志从新加坡回国创业,成立上扬。上扬内部有很多海归,主要走自研的方向,在6吋和8吋市场具有很强的竞争力。依靠软件系统的不断创新及顽强的毅力,上扬实现了国产12吋晶圆生产CIM/MES软件的“零突破”。


赛美特,则采取完全不同于上扬的“美式经营法”,通过“收购”实现“半导体国产化”。


2020年,通过并购具有多年半导体行业经验的“上海特劢丝”和“固耀SEMI Integration”两家公司,赛美特成立。


此前,赛美特收购了一家外资CIM厂商麦康(Miracom)中国区的产品线。但是,业内人士认为,该产品线在中国市场迭代不够。而在晶圆制造CIM系统领域,每两年就是一个小代,每四年就是一个大代,更新极快。


在“卡脖子”恐慌传遍芯片产业链的背景下,半导体国产厂商趁政策红利的“东风”,举起了“国产替代”的大旗。在IBM和应材称霸的CIM领域,大家不约而同地将两大巨头视作国产厂商的敌人。似乎国产半导体CIM厂商发展的最终目的,便是要实现对IBM和应材的替代。


试问,在国产替代的潮流下,国产半导体CIM厂商存在的意义仅仅是为了替代吗?


谁才是国产厂商真正的敌人呢?中国国产厂商又将如何破局?


雄关漫道真如铁,而今迈步从头越


在回答这些问题之前,我们要客观看待中国国产厂商的现状和所处阶段。


纵观这场半导体领域的军备竞赛,这其实是一场持久战,分三个阶段——敌强我弱,战略相持和战略反攻。


目前国产厂商多处在第一阶段向第二阶段过渡,大部分处在第一阶段,小部分处在第二阶段。


首先,我们聊聊国产替代的概念。


2019年5月,美国下令封杀华为,对华为断供,意欲打断华为“自研芯片”的过程;2020年2月,美国将出口管制中的美国技术含量25%的标准下调为10%,对华为展开极限追杀。2022年8月,美国总统拜登签署《芯片法案》,对美国本土半导体制造领域提供巨额优惠,并进一步对中国实施技术封锁。


我们为什么要提出“国产替代”?这其实与中美大国博弈的过程密切相关。


改革开放后,在人力和资本的投入下,中国经济迎来了令人瞩目的增长,各种实力有了质的飞跃。


近年来,中国人口红利逐渐减弱,“人力+资本投入”的经济增长动力不足,中国迫切需要实现经济发展方式的转变,向高创新产业转型,以此拉动经济增长。而美国,则是妄图打断这一过程,使中国陷入中等收入陷阱。


从国家的角度讲,为保障国家科技领域的战略安全地位,要逐步实现国产替代。这强调的是国内企业创新实力的飞跃,是芯片领域高新技术从0到1的过程。


但我们仍要清醒地认识到,国产半导体厂商存在的意义不是为了替代。


抛开民族情怀,单从商业技术的角度讲,在CIM系统MES领域竞争,替代的是两个二十多年的成熟技术供应商,难度可想而知。


国产替代要成功实现,必然付出艰苦卓绝的努力。在CIM领域,上扬等一众厂商追赶二十多年,仍然只能望其项背。


国产CIM厂商,要在活下来的基础上,实现高新技术的突破。国产厂商将部分精力拿出来,花在MES之外其它值得发展的领域,耐心地发展自己,巩固自己的客户基础并不断提升技术。久而久之,替代是自然而然的事情。


其次,IBM和应用材料并不是我们的敌人。我们敌人到底是谁?恰恰是我们自己。


市场的竞争是以实力为基础的。购买成熟的系统,是晶圆厂对自己负责,是对投资方负责,这无可厚非。


IBM和应用材料非但不是我们的敌人,还应当是我们的老师。参考当年韩国的“周末工程师”的成功经验,国产厂商如何从全球范围内“挖”到稀缺人才才是关键。


比如国产厂商芯享在CIM系统核心MES的研发中重视底层基础的建设,广揽海外人才,并通过在产线旁模拟跑数据进行验证。在中国大陆的12吋工厂中,芯享垄断了RCM——中央控制领域的细分市场。


在国外不存国产替代的问题,所有企业都是外商,赢得客户的唯一标准便是实力。一味专注于中国市场,享受国家政策和各种资方的滋润,便会忽视海外市场,无法真正与国际巨头一战高下。


当企业能在海外打出一片市场的时候,国产替代自然不成问题。在半导体领域,国产厂商要有真正的志气。


尾声


20世纪90年代末,IBM抓住12吋晶圆厂建厂潮和半导体制造产业链分工转移东亚的机遇,成为CIM市场霸主,并在十多年时间内,凭借不断积累的“know-how”,稳居全球第一。


与IBM同期的韩系CIM厂商,面临日本的技术封锁,凭借美国的扶持和“周末工程师”的引进,实现低端向高端的飞跃。


21世纪后,应用材料通过长江存储12吋项目,实现“know-how”突破,从此开启与IBM的争霸。


近年来,半导体领域“国产替代”浪潮席卷而来,国内半导体CIM赛道高度景气。上扬、赛美特、芯享走出了不同的发展道路。


俱往矣,数风流人物,还看今朝。


国产半导体CIM厂商存在的意义不仅仅是替代。面对未来,国产商应当拥有足够的眼界,发展自身的优势领域;应当有足够的志气,闯荡海外市场;应当有足够的心胸,吸引海外稀缺人才,共研核心技术。


唯有如此,才能真正意义上实现中国半导体的腾飞。


本文来自微信公众号:芯流智库(ID:xinliuzhiku),作者:周文君

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