读懂CIM：芯片制造业的大管家
The following article is from 果壳硬科技 Author 付斌
在芯片产业链中，被国外垄断的技术和产品，不止光刻机，也不止EDA。芯片制造过程中必需的工业软件，也曾被国际巨头垄断了将近40年，它就是芯片制造的大管家：CIM（Computer Integrated Manufacturing，计算机集成制造）。
在本文中，你将了解到：CIM到底是什么，CIM有什么用，实现难点以及市场情况。
付斌丨作者
李拓丨编辑
果壳硬科技丨来源
01
掌控晶圆生产的大脑
CIM是掌控半导体制造的生命级系统，被行业称为制造的大脑，可以简单地将它理解为制造相关工业软件的集合体。它覆盖了产品整个生命周期[1]，由MES（生产执行系统）、EAP（装备控制平台）、SPC（统计过程控制）、YMS（良率分析控制系统）、APC（先进过程控制）、PDC（故障侦测及分类）、RTS（FAB实时调度排产系统）等数十种软件系统组成。[2]
整个CIM系统中，MES尤为重要，决定了整个代工厂的发展水平，成本约占CIM系统的15%，一旦该系统出现问题，将会导致上亿元的损失[3]。MES是指挥芯片制造的一套智慧经营系统，包含产品流定义、设备管理、材料移动管理、制品跟踪与工艺数据管理几个部分[4]。由于MES核心地位，行业通常在提及CIM时连带MES，即CIM/MES。
说了这么多，CIM究竟是做什么的？
一是统筹管理制造生产流程，提升生产良率和效率；
二是实现自动化的智能制造，帮助制造商快速部署系统，增强在成本、质量和生产周期上的竞争。[5]
造芯，是资本的游戏。一座晶圆厂拔地而起，是数以百亿美元计的投入，当晶圆厂投入生产，就如同每分每秒都不停歇的印钞机，少运转几分就少赚几份钱。而一颗芯片要经历将近上千道制造工序，任何环节都容不得差错。CIM便是将这一切安排妥当的管家，服务着生产良率和效率，降低每颗芯片的成本，从而获取更多利润。[6]
随着半导体器件和制造工艺复杂性不断增加，CIM已成为半导体制造不可或缺的一部分。传统方案通常是孤立或松散连接的，并且难以扩展额外需求，而CIM则能够将这一切集成起来[7]。ITRS 2007指出，半导体晶圆集成分为晶圆厂运营、生产设备、材料处理、晶圆厂信息、控制系统及设施五个部分，CIM驱动的晶圆厂运营将会是其他部分运作的推动力。[8]
1986年东芝公司一项研究结果表明，使用IC-CIM技术生产256kbyte DRAM存储器电路，能够改善四项生产制造指标。[9]
1986年东芝的研究结果[9]
另据一些公司统计，在CIM投入使用一年后，设备停机时间减少了45%、设备设置时间缩短了38%、设备利用率提高了30%、周期时间缩短了23%、废品减少了22.5%、产品良率提高了15%、生产成本降低了34%、净利润增长近60%。[10]
研究发现，CIM越早投入使用，效果越好。晶圆厂生产整个生命周期是呈S曲线的，对于造价超过200亿美元的晶圆厂来说，在未使用CIM系统情况下，始终会与生产目标相差数亿美元甚至数十亿美元，这意味着这部分的资金回收期会被延长，而越早地使用CIM，这部分资金越早能被回收。[11]
“S 曲线”，展示了生产目标（绿线）与实际生产情况（橙线）， 以及实现产能和良率目标面临的各种障碍（灰色椭圆）[11]
CIM概念早在1973年便由美国约瑟夫·哈灵顿（Joseph Harrington）在“Computer Integrated Manufacturing”一书中提出，不单单只有半导体行业需要CIM，任何需要智能制造的场景，都存在它的身影，诸如制药、食品和饮料、医疗设备、航空航天、国防和生物技术等，而它也曾一度带领半导体格局生变。
20世纪80年代初，美国经济危机波及全社会，电子产品也不例外。虽然美国半导体在技术开发领域依然强势，但自己产品的占有率却越来越低，索尼与松下等日本企业开始主导存储市场，并将微处理器作为下一发展目标。
时间来到90年代中期，短短十几年，美国又重新拿回失去的市场。抛开政治和策略因素，SEMATECH（半导体制造技术联合体）无疑是引发嬗变的关键点，它于1988年正式开始运作，由联邦政府和14家大型半导体公司组成，包括IBM、英特尔、摩托罗拉、德州仪器等行业巨头[12]。在每年2亿美元加持下[13]，美国的制造科学和半导体工艺技术开始融合，CIM是当时发展中最关键的部分之一。
要知道，在当时，典型可大批量生产的先进制造设施总成本超过100万美元（相当于现在的数十甚至上百亿美元），更为困难的是，连续数百个工艺中每一步都有损失良率的风险，当时的集成电路制造工艺良率可低至20%~80%。[9]
1991年，SEMATECH启动了CIM框架项目，自那时起，美国半导体制造业迎来变革，在CIM加持下，芯片成品率获得有效提升，产品生产周期也得以缩短，保证了产品质量与性能[14]。1998年，SEMATECH又开发了CIM框架规范，从而在半导体行业实现了开放多供应商CIM系统环境。[15]
回望历史，短短十几年前，晶圆厂运营还要依靠工人推着小车，亲自按下启动按钮，通过电子表格追踪制品，而现在晶圆生产拥有了从设备整合数据的能力，自动化地实现物料搬送[16]，CIM无疑是让智能制造迈向新台阶的关键。
当芯片制造逐渐被国内重视和大力发展，CIM的国产替代便显得格外重要，但想做好CIM并没有想象中简单。
CIM准入门槛很高，被行业称为工业软件中的高地。
CIM作为涵盖晶圆生产所有环节的工业软件，不仅需要开发者拥有过硬的软件实力，还要对每个生产环节了如指掌，并将二者无缝衔接在一起。更困难的是，半导体制造领域还存在诸多技术秘密（Know-how），若非资深行业人士，很难踏入该领域。
此外，CIM并非简单地将软件叠加在一起，而是有机组合，通过与不同厂商、不同晶圆厂高度定制，将原本独立运行的多个单元系统组成一个协同工作的、功能更强的新系统[17][18]。与此同时，客户可接受容错率也很低，软件稳定性需达到99.9999%。[19]
即便是能做出CIM系统，替换掉旧系统也并非易事。打个比方来说，如果将昼夜无休的半导体制造工厂看作高速行驶的飞机，CIM便是驱动飞机持续飞行的核心引擎，要替换全新CIM系统，好比开着飞机换引擎。可见CIM领域难度之大。[20]
近年来，12英寸晶圆厂兴起，带动了CIM大规模应用。随着晶圆尺寸从4英寸变为6英寸、8英寸、12英寸，不仅投资数额暴增，制造设备、流程、工艺也都变得更为复杂，假若这种情况下CIM发生故障，将会是一笔不小的损失，因此，市场开始对CIM提出了更高的要求。[21]
但就是这样难做的行业，全球市场却说不上非常大。据Technavio数据显示，2021年~2026年整个CIM市场（包含光伏制造、制药、半导体制造等）潜在市场增长份额为87.2亿美元[22]；另据IDC报告显示，2021年中国MES总体市场份额约为38.1亿元人民币[23]，这种情况下，细分到半导体的市场份额可能会更少。
更尴尬的是，CIM中核心的MES系统只占晶圆厂总投资的1%，相比动辄上百亿的晶圆厂，很难引发起行业重视，上游厂商更偏向于使用成熟方案以应对生产中各种问题。[24]
所幸的是，全球新建晶圆产能正在逐步增加，特定客户对CIM需求量增大。据SEMI《世界晶圆厂预测报告》显示，预计全球半导体行业将在2021年~2023年间开始建设的84座大规模芯片制造工厂中投资5000多亿美元。[25]
目前半导体CIM格局集中度较高，应用材料（Applied Materials）、IBM并称为半导体CIM双雄，两家公司垄断市场将近40年之久。从发展历史来看，两家公司的技术时间跨度也很长。
CIM发展简要历史，制表丨果壳硬科技
参考资料丨芯东西[26]、EEtimes[27]、《华尔街日报》[28]
应用材料与IBM两家公司面对的客户均为全球最先进的晶圆厂或IDM厂商，而二者发展侧重点并不相同。
应用材料不仅是CIM的绝对领导者，也是一家半导体设备龙头企业，经过大量收购CIM先进企业后，该公司采取“软件+硬件”捆绑销售形式，占据一方市场。
IBM则更偏向AI云网结合，通过不断收购相关公司补充技术能力，同时IBM还设有自家晶圆厂，可在自家晶圆厂试错积攒经验。[29]
应用材料与IBM的CIM方案对比，制表丨果壳硬科技
前两年，CIM还是一个小众赛道，仅拥有少数几个国产玩家，极少被资本所青睐。
自国产替代呼声响起，加之EDA、光刻机等典型卡脖子领域关注度提升，带动资本对CIM关注度。2022年下半年，投融资市场开始活跃，其中不乏红杉资本、高瓴资本、华登国际、上汽集团及旗下恒旭资本、比亚迪股份、韦豪创芯等明星投资机构。
国产CIM标志性融资事件不完全统计，制表丨果壳硬科技
纵览国内整体行业，均是以MES为核心的CIM方案，覆盖制造各个环节。此外，大多数国产厂商选择布局以光伏、LED、平板显示和半导体为核心的泛半导体行业，并向锂电、新能源等更多行业进发，以期更大市场。
据集微网文章显示，目前，封装领域的CIM系统基本已被国产厂商包揽，而这充分说明国外的产品并非不可替代，只是要有耐心。而在传统卡脖子的12英寸MES方面，近两年国内也已实现初步突破。[24]
国产主要CIM厂商情况，制表丨果壳硬科技
参考资料丨公司官网、芯智讯[30]、36氪[19][31]、集微网[32]、投资界[33][34]
基于国产现状，果壳硬科技团队认为：
虽然CIM市场规模不及实体芯片产业，但在特定客户需求和晶圆产能持续扩张前提下，也拥较为广阔的利润空间，集微咨询信息显示，国内在建大硅片厂12英寸硅片产能超6000万片/年[35]，对国产CIM来说，与上游晶圆厂联合意义重大，此外，泛半导体不同子行业间具有一定相通性，国产厂商应抓住这样的机遇；
地缘因素影响下，CIM补足自主产业链意义重大，可以把它理解成光刻机与光刻胶的关系，即便研发难度大且投入回收期长，也要拥有国产自主可控产品，更何况CIM还处在工业软件领域，可能还会牵扯到信息安全方面问题；
迄今为止，国内已不缺乏半导体CIM厂商，但对于投资巨大的晶圆厂来说，尝试使用新产品，无疑是一次试错冒险[29]，这也是为何应用材料公司和IBM能稳坐龙头之位，鉴于以往，国产上游厂商需警惕CIM供应商过于单一的情况，可尝试采用国内外双线策略，甚至可尝试多元供应商的策略；
虽然国内已初步实现国产替代，但相比国外巨头技术依然存在差距，为拓宽国产CIM技术边界，可借鉴应用材料公司和IBM发展历程，不断整合并购，增强技术集中度，另外国产晶圆厂或IDM厂商也可并购相关技术，建立纯自主产线；
应用材料公司认为，跨晶圆厂许多区域是部署中最耗时的因素之一，由于每个晶圆厂情况不同，从一个工厂到另一个工厂需要大量定制，需要6~12个月的时间，同时半导体自动化系统数据时常会驻留在具有各自集成方法的不同CIM的应用程序中，其SmartFactory CIM方案就是解决了这些问题，值得国内借鉴；[36]
融资潮过后，国内涌现大量CIM企业，但切忌浮躁，半导体领域投资逻辑与传统大多行业不同，整体回收期较长，且CIM领域更为看重经验积累，此前部分国产厂商曾坦言，前期2~3年产品销售困难，不过一旦撑过这段时期，脚踏实地地迭代产品和积累口碑，客户信任度便会迎来明显上升，是值得布局的长线生意。
虽然国产CIM格局已初步形成，但不得不承认现在国产与国外仍有差距。目前，中国工业软件发展已迎来政策窗口期[37]，展望未来5~10年，半导体CIM或迎来发展热潮。
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