刚刚过去的8月,是个让国内半导体人倍感压力的月份。

月初,美国《芯片与科学法案》落地,决定对华禁售用于14nm以下先进制程工艺及制造相关设备,包括有“芯片之母”之称的设计软件EDA,意图阻止中国大陆获得高端芯片制造能力;月底,美国要求其本土企业停止向中国出口用于人工智能工作的顶级计算芯片GPU,有业内人士称,美国此举意在“锁死中国人工智能发展的天花板”。

先断供高端EDA软件,卡住设计端;又禁售部分尖端GPU芯片,卡住产品端——这给高端芯片长期依赖进口的国内半导体行业带来的,除了“心理上的震荡”,更有刀锋上的寒气。时至今日,打造自主可控的半导体制造能力,实现高端芯片自由,已经成为中国半导体的业界共识、行业发展的硬核逻辑。

因此,在美国频频“亮刀”、全球半导体行业竞争日益加剧的大潮下,国内晶圆厂纷纷在扩大产能的同时不断探索国产替代之路。但值得关注的是,芯片制造的国产替代是一项系统工程,不仅仅要在“硬件”上下功夫,还要在工业软件方面倾注心力,从而在提升生产效能、良率等关键指标的同事,更确保核心生产数据安全可控。

助力晶圆厂挑战先进制程

自20世纪60年代至今,芯片上的晶体管数量已从1个增加到100亿以上,与此同时,芯片制造的规模和复杂度也呈几何级增长。而随着全球加速进入5G+AI时代,先进制程芯片已成为市场刚需,国内晶圆厂需要不断向上突破,才能摆脱“低端烙印”,以高端先进制程撑起半导体的“中国制造”。这一进程中,集成了生产执行、设备管理、先进过程控制、故障侦测和良率管理等一系列关键软件,并贯穿芯片生产的执行、运营和控制等关键环节,被视为半导体行业的生命级软件系统CIM(计算机集成制造系统)是个绕不开的话题。

如果说设计软件EDA是半导体工业软件皇冠上的明珠,那么在生产制造领域,CIM系统的光辉也绝不逊色。事实上,制程越先进,晶圆厂对CIM系统的依赖就越大,特别是代表着当下全球先进制程芯片使用方向的12英寸晶圆的复杂工艺流程,高度依赖这一系统来管理和执行。数据显示,目前国外成熟的代工厂,大约99%以上的执行和决策都依赖于CIM系统。可以说,CIM系统水平的高低,直接决定了晶圆厂向先进制程挺进、打造新的竞争力能否成功。

当前,12英寸晶圆恰是国内晶圆厂扩产潮中的主流产品。预计到2026年底,中国大陆12英寸晶圆厂总月产能将超过276.3万片,相比目前提升165.1%,这为国产CIM系统提供了广阔的应用空间。而随着晶圆尺寸从8英寸发展到12英寸,晶圆厂产线设备更多、工艺更复杂、生产决策时间更短,这对CIM系统的底层架构以及系统自身功能性、稳定性、可靠性都提出了更高要求。

因应半导体厂对CIM国产化、先进化的旺盛需求,CIM系统相关的国产化替代进程也在不断加速,一批该领域的头部企业如赛美特、格创东智、上扬软件等均不断实现突破。例如,赛美特以"填补国内相关领域的空白"为目标,在国产替代方面已陆续有案例落地。格创东智作为源自半导体制造行业的国家级双跨行业平台,其自研CIM系统具备高稳定性和高并发处理能力,着力帮助8英寸、12英寸Fab厂和封测厂实现了动态设备管理、精准物流管理、高效计划协同、透明的生产执行和精准的质量追溯,系统支持手动、半自动到全自动化工厂运行,为晶圆厂挑战先进制造提供强大助力。芯享科技则聚焦封测领域,其国产化产品已覆盖行业TOP10的三分之一。

为晶圆厂数据安全护航

作为半导体生产的生命级系统,CIM通过对海量实时数据的处理和使用,串联起大大小小几十个不同系统,最终确保半导体工厂可以在数据的支撑下实现流畅运转、保障精密制造。这同时也意味着,CIM系统中流动着大量与生产经营相关的核心数据。例如,针对良品率的监测和报告,部分CIM系统会直接测量各个生产流程的良率,并通过给定公式计算出总良率,以便及时调整生产流程,而总良率往往是厂商机密。

由于CIM系统的高门槛和高复杂性,以往这一领域鲜有国产厂商的身影,当前国内已经投产的12英寸晶圆厂中,绝大部分CIM系统依然来自国外厂商。而在当前复杂多变的国际形势下,涉及大量核心数据处理的工业软件安全性,已成为国内晶圆厂的一大主要诉求。没有数据安全,便会受制于人,自主可控也无从谈起,前车之鉴已然太多。

目前,上扬软件、格创东智、赛美特、哥瑞利、铠铂科技等本土玩家,纷纷通过研发和推广应用自研产品,力求保障半导体厂商核心数据安全与自主可控。赛美特自主研发的国产CIM解决方案,涵盖1800多个满足8寸及12寸晶圆厂制造所需要的功能,能够打破国外厂商垄断。格创东智自主研发的半导体智能工厂CIM整体解决方案,近期获评2022世界半导体大会“十大芯势力”产品,是大会上唯一获评的半导体行业产品,目前广泛应国内各大晶圆制造厂和封测工厂,并在包括中环环鑫,高芯科技、华虹宏力、积塔、中车、中芯国际在内的多个国内半导体工厂整厂核心系统国产化建设项目中落地。上扬软件则将其先进过程控制系统APC出口美国,为美国半导体企业AOS位于俄勒冈州的8英寸晶圆厂定制开发APC。

推动半导体产业链自主可控

硅片、晶圆生产、封装测试、成品组装,多工厂、多车间生产管理、质量控制和工艺优化,多业务、多流程、多系统数据拉通……多领域多系统协调,这是CIM系统实施过程中常见的场景。半导体产业链长而复杂,而芯片生产是整个产业生态配套协作的过程,所以哪怕是一家企业,也可能涉及产业链上下游不同环节。

在 “国产替代“的强呼声中,半导体产业链自主可控已成为国家战略,而推动 半导体产业链核心系统自主可控,是实现整个产业链的自主可控的关键一环。CIM系统厂商要扛起国产大旗,还需对产业链上下游有深刻洞察,具备全产业链沟通能力,并有丰富案例积累。

而其中的难点在于,半导体产业链上大多数企业的系统建设都存在散、乱、差的问题——“散”指的是数字化以单点建设为主,今年上个MES、明年上个WMS、后年上个APS;“乱”指的是缺乏整体规划以及顺序优化;“差”指的是凑合着用,甚至“太多的企业,上一套系统,三年之内就不用了”。国产厂商若不能以整体思维提供前瞻性规划和全栈式解决方案,便无法在整厂、多厂,甚至产业链上下游的贯通合作中,完美整合数十个功能各异又相互关联的子系统。

国内各CIM厂商将整体解决方案作为化解企业系统建设“散、乱、差”的利器,目前,芯享科技已形成满足半导体工厂生产制造自动化所需的软件矩阵,可根据客户的整体需求,构建从软件、硬件到现场实施的定制化CIM解决方案。上扬软件最近则为隶属于上海韦尔半导体股份有限公司——豪威集团旗下的豪威半导体(上海)有限责任公司开发实施12英寸OCF Fab的CIM“全家桶”解决方案。格创东智继续放大其独特的整厂实施能力,其智能工厂全流程全栈产品和解决方案覆盖生产运营、品质良率改善、设备健康、能耗管理等多个领域,已成为国内为数不多的自研产品在半导体产业链上中下游均已落地的厂商,服务的半导体客户涵盖半导体材料、晶圆制造、封装测试及半导体设备环节,为其实现了从硅片、晶圆生产、封装测试、到成品组装,多工厂、多车间的生产管理、质量控制和工艺优化。

在全球半导体产业面临诸多不确定性的背景下,稳定、自主可控的国产化CIM软件不仅是保证企业高效、敏捷制造的好帮手,也是实现“半导体产业链自主可控”国家战略的重要保证。破而后立,晓喻新生,当前美国的封锁和禁运,对于国内半导体行业既是打压危机,也是突围契机,国内企业奋起直追之时,工业软件中的“中国力量”也被赋以重任,整个行业汇聚新动能,也必将开创新局面,应对一切未知挑战。