芯東西（公衆號：aichip001）
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廠商關鍵信息的要求期限剛剛截止，台積電、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，每片晶圓的生産、庫存信息都要彙總到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管理層等晶圓廠工作人員對芯片生産進行查看、管理和調度。簡單來說，MES系統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。國産MES系統能否突圍，打破IBM和應用材料兩大巨頭的壟斷，無疑對國産芯片制造有著重要的意義。
企業系統與控制系統集成國際ISA-95標准 （來源：應用材料）
一、上千步工序構成半導體MES壁壘，14nm産線年數據量超140TB
在晶圓廠中，MES系統需要負責從訂貨到最終芯片成品全過程的生産活動。簡單來講，MES就是晶圓廠生産管理的自動化系統，需要對工廠的實時事件進行反應、報告，並用數據對其進行指導和處理。
根據企業管理層次模型，MES系統是生産活動和管理活動信息溝通的橋梁，強調當前精確的實時數據。
具體來說，工廠産線不同工序線上每種産品的多少、型號、交貨時間，産線和加工設備是否在空轉、停轉，産線上下料情況等都是MES系統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、光刻膠塗敷、光刻顯影、刻蝕、量測、清晰、離子注入等多個環節和工序，在12英寸産線中工序甚至可以達到上千步。因此每顆芯片在生産中的數據都十分龐大，其數據量級也隨著制程演進而快速增長。根據應用材料的數據，45nm晶圓廠每年的數據量在50TB左右，而28nm晶圓廠年均數據量可以達到80TB，14nm晶圓廠每年的數據量則爲141TB。
晶圓制造流程（來源：上揚軟件呂淩志）
對于MES系統來說，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，需要整個系統有著非常高的穩定性；另一方面，MES系統也要采用大數據等技術對整個産線進行優化、分析，提升産線效率和良率。
同時，晶圓廠還有著客戶數量多、産品類型多變、需要多品種小批量定制生産、自動化程度高等需求。除了技術壁壘高，一套新的MES系統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。
二、應用材料並購構建半導體MES王國，IBM系統獲格芯、台積電青睐
縱觀整個半導體MES系統發展史，Consilium、Promis、Fastech等廠商都曾成爲過行業龍頭，但是隨著半導體周期以及激烈的並購，應用材料和IBM兩家巨頭最終成爲了當前行業中的絕對霸主。
世界晶圓廠MES系統發展史（來源：上揚軟件呂淩志）
20世紀70年代，美國MES廠商Consilium開發出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，但是也包括工廠管理和制造控制，需要負責收集生産信息、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。
之後，Consilium開發出第一款實際意義上的半導體MES系統Workstream。憑借低價銷售策略，Consilium公司在半導體MES市場上極爲成功，在相當長一段時間裏都是全球第一大半導體MES供應商，其客戶遍布世界各地，英飛淩、英特爾等廠商都采用了其産品。
但好景不長，1995年，由于半導體行業的蕭條，Consilium連續六個季度業績下滑，在1996年和1997年利潤均爲虧損態勢。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被應用材料收購後，其推出了下一代MES FAB300系統，該系統可以支持超過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發行Comet之後，加拿大MES供應商Promis也推出了自家的PROMIS MES産品。1996年，英國晶圓廠Newport Wafer Fab宣布采用PROMIS，其系統訂購價超過100萬美元；1997年，聯電下屬的8英寸晶圓廠宣布和Promis達成超過150萬美元協議。此時，中國台灣地區排名前五的晶圓代工廠中聯電、先進半導體、台積電、茂矽4家都采用了Promis的MES系統。
1998年6月，當時的半導體巨頭摩托羅拉也采用Promis産品作爲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成爲半導體MES領域的龍頭。
1999年，Promis被美國自動化系統廠商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下屬的事業部Brooks Software，該事業部也包含了此前的Promis。雖然Promis幾經轉手，但是其MES系統至今仍是全球8英寸晶圓廠選用最多的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，其代表性客戶爲三星電子和英特爾。1998年，FASTech被Brooks Software收購，之後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系統的産品線。而除了各大主流MES系統外，作爲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也是其産品競爭力的一部分。
應用材料MES系統産品（來源：應用材料）
相比于應用材料的並購擴張，IBM的MES系統則借助了自家晶圓廠和軟件研發上的實力。1995年，IBM推出了POSEIDEN系統，1999年又基于POSEIDEN系統發布了SiView系統。
IBM宣稱，SiView系統可實現全自動化的單晶圓控制，並處理在同一産線中多批次的産品。此外，SiView系統可以在不影響晶圓廠生産的情況下進行安裝，並能夠在安裝後立即開始運行。
SiView系統發布後，IBM將其用于自己的12英寸産線，之後，SiView系統又被格芯、台積電等廠商所采用。半導體MES兩大巨頭鼎立的局勢基本形成。
三、國産替代推動中國半導體MES廠商發展
與半導體設備産業一樣，半導體MES系統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，同樣價值數千萬元的MES系統影響的卻是價值數十億乃至百億晶圓廠的全産線。這也造成了半導體MES行業市場份額極爲集中，且行業壁壘極高，新玩家很難進入這一市場。
隨著晶圓尺寸從4英寸變爲6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，從人工産線變爲半自動産線、自動産線，MES系統對晶圓廠生産越來越重要。國産MES系統的成長對中國半導體行業有著切實地意義。
上揚軟件是成立時間最久的一家國産半導體MES廠商。2000年，曾在新加坡國立制造技術研究院研究MES系統的呂淩志回國創立上揚軟件。在他創業的前十五六年裏，上揚軟件做得都是4、5、6英寸晶圓廠的MES系統。因爲不去做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。
上揚軟件發展史（來源：上揚軟件呂淩志）
盡管上揚軟件已經拿下了中芯紹興的8英寸産線合同，並且其産量在1年內達到5萬片/月，是國內沖量産最快的8英寸産線。但在2019-2020年，上揚軟件連續三次在國內12英寸産線評估中失敗。
雖然失望，但呂淩志也清楚這就是行業的現實：“投資百億的晶圓廠，如果你爲幾千萬的軟件冒險，那是想都不敢想象的。”
上揚軟件CIM/MES系統方案架構（來源：上揚軟件呂淩志）
由于國産替代浪潮，國産半導體MES玩家也迎來了新的發展。
今年5月，上揚軟件獲得了華爲哈勃的戰略投資。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晶圓代工廠商長光圓辰和存儲廠商杭州馳拓的12英寸産線。
除了上揚軟件，賽美特、芯享科技、哥瑞利等半導體MES/CIM領域的國産廠商憑借其專業人才、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，其首席戰略發展官邱崧恒曾主導長江存儲和泉芯的CIM系統整合；晶圓事業部技術專家張鎮浩則參與過韓國三星電子、SK海力士自動化體系研發。
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、華登國際聯合領投的近億元A輪融資。
賽美特于2020年成立，合並了“上海特劢絲”和“固耀SEMI Integration”兩家公司，其産品已用于50余座工廠。賽美特總經理闵東植曾任三星SDS常務理事及SK海力士半導體CIM研發負責人。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，國産半導體MES行業發展正步入快車道。
結語：工業4.0時代來臨，MES系統爲IC制造關鍵
工業化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，晶圓廠産線需要支持更多的數據接口，雲計算、大數據、人工智能、機器人、物聯網等技術將成爲重要的組成部分。
對晶圓廠商來說，如何順應這一趨勢，整合各類技術、優化晶圓廠良率、合理分配産線，都離不開先進的MES系統。各類資本的湧入無疑會加快行業的發展速度，起到推動作用。
但從半導體MES行業的發展曆史來看，MES系統廠商的整合、並購十分劇烈，廠商發展也受半導體周期影響較大。如何抓住當前行業快速發展的窗口，在行業增速放緩時，做好研發投入和營收的平衡，將會是國産半導體MES廠商需要面對的挑戰。
參考信源：《半導體行業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發展曆程和實踐感悟》呂淩志演講、應用材料/IBM官網博客、企查查/36氪等融資信息
