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读懂 CIM：芯片制造业的大管家

报价宝 来源：baojiabao.com 发布时间：2023-02-12 18:46:12 10月26日更新
报价宝综合消息读懂 CIM：芯片制造业的大管家

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）。

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？

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。

被两家巨头垄断近 40 年

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

国产已实现初步替代

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。

References：

本文来自微信公众号：果壳硬科技 （ID：guokr233），作者：付斌，编辑：李拓

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