剛剛過去的8月,是個讓國內半導體人倍感壓力的月份。

月初,美國《芯片與科學法案》落地,決定對華禁售用于14nm以下先進制程工藝及制造相關設備,包括有“芯片之母”之稱的設計軟件EDA,意圖阻止中國大陸獲得高端芯片制造能力;月底,美國要求其本土企業停止向中國出口用于人工智能工作的頂級計算芯片GPU,有業內人士稱,美國此舉意在“鎖死中國人工智能發展的天花板”。

先斷供高端EDA軟件,卡住設計端;又禁售部分尖端GPU芯片,卡住產品端——這給高端芯片長期依賴進口的國內半導體行業帶來的,除了“心理上的震蕩”,更有刀鋒上的寒氣。時至今日,打造自主可控的半導體制造能力,實現高端芯片自由,已經成為中國半導體的業界共識、行業發展的硬核邏輯。

因此,在美國頻頻“亮刀”、全球半導體行業競爭日益加劇的大潮下,國內晶圓廠紛紛在擴大產能的同時不斷探索國產替代之路。但值得關注的是,芯片制造的國產替代是一項系統工程,不僅僅要在“硬件”上下功夫,還要在工業軟件方面傾注心力,從而在提升生產效能、良率等關鍵指標的同事,更確保核心生產數據安全可控。

助力晶圓廠挑戰先進制程

自20世紀60年代至今,芯片上的晶體管數量已從1個增加到100億以上,與此同時,芯片制造的規模和復雜度也呈幾何級增長。而隨著全球加速進入5G+AI時代,先進制程芯片已成為市場剛需,國內晶圓廠需要不斷向上突破,才能擺脫“低端烙印”,以高端先進制程撐起半導體的“中國制造”。這一進程中,集成了生產執行、設備管理、先進過程控制、故障偵測和良率管理等一系列關鍵軟件,并貫穿芯片生產的執行、運營和控制等關鍵環節,被視為半導體行業的生命級軟件系統CIM(計算機集成制造系統)是個繞不開的話題。

如果說設計軟件EDA是半導體工業軟件皇冠上的明珠,那么在生產制造領域,CIM系統的光輝也絕不遜色。事實上,制程越先進,晶圓廠對CIM系統的依賴就越大,特別是代表著當下全球先進制程芯片使用方向的12英寸晶圓的復雜工藝流程,高度依賴這一系統來管理和執行。數據顯示,目前國外成熟的代工廠,大約99%以上的執行和決策都依賴于CIM系統。可以說,CIM系統水平的高低,直接決定了晶圓廠向先進制程挺進、打造新的競爭力能否成功。

當前,12英寸晶圓恰是國內晶圓廠擴產潮中的主流產品。預計到2026年底,中國大陸12英寸晶圓廠總月產能將超過276.3萬片,相比目前提升165.1%,這為國產CIM系統提供了廣闊的應用空間。而隨著晶圓尺寸從8英寸發展到12英寸,晶圓廠產線設備更多、工藝更復雜、生產決策時間更短,這對CIM系統的底層架構以及系統自身功能性、穩定性、可靠性都提出了更高要求。

因應半導體廠對CIM國產化、先進化的旺盛需求,CIM系統相關的國產化替代進程也在不斷加速,一批該領域的頭部企業如賽美特、格創東智、上揚軟件等均不斷實現突破。例如,賽美特以"填補國內相關領域的空白"為目標,在國產替代方面已陸續有案例落地。格創東智作為源自半導體制造行業的國家級雙跨行業平臺,其自研CIM系統具備高穩定性和高并發處理能力,著力幫助8英寸、12英寸Fab廠和封測廠實現了動態設備管理、精準物流管理、高效計劃協同、透明的生產執行和精準的質量追溯,系統支持手動、半自動到全自動化工廠運行,為晶圓廠挑戰先進制造提供強大助力。芯享科技則聚焦封測領域,其國產化產品已覆蓋行業TOP10的三分之一。

為晶圓廠數據安全護航

作為半導體生產的生命級系統,CIM通過對海量實時數據的處理和使用,串聯起大大小小幾十個不同系統,最終確保半導體工廠可以在數據的支撐下實現流暢運轉、保障精密制造。這同時也意味著,CIM系統中流動著大量與生產經營相關的核心數據。例如,針對良品率的監測和報告,部分CIM系統會直接測量各個生產流程的良率,并通過給定公式計算出總良率,以便及時調整生產流程,而總良率往往是廠商機密。

由于CIM系統的高門檻和高復雜性,以往這一領域鮮有國產廠商的身影,當前國內已經投產的12英寸晶圓廠中,絕大部分CIM系統依然來自國外廠商。而在當前復雜多變的國際形勢下,涉及大量核心數據處理的工業軟件安全性,已成為國內晶圓廠的一大主要訴求。沒有數據安全,便會受制于人,自主可控也無從談起,前車之鑒已然太多。

目前,上揚軟件、格創東智、賽美特、哥瑞利、鎧鉑科技等本土玩家,紛紛通過研發和推廣應用自研產品,力求保障半導體廠商核心數據安全與自主可控。賽美特自主研發的國產CIM解決方案,涵蓋1800多個滿足8寸及12寸晶圓廠制造所需要的功能,能夠打破國外廠商壟斷。格創東智自主研發的半導體智能工廠CIM整體解決方案,近期獲評2022世界半導體大會“十大芯勢力”產品,是大會上唯一獲評的半導體行業產品,目前廣泛應國內各大晶圓制造廠和封測工廠,并在包括中環環鑫,高芯科技、華虹宏力、積塔、中車、中芯國際在內的多個國內半導體工廠整廠核心系統國產化建設項目中落地。上揚軟件則將其先進過程控制系統APC出口美國,為美國半導體企業AOS位于俄勒岡州的8英寸晶圓廠定制開發APC。

推動半導體產業鏈自主可控

硅片、晶圓生產、封裝測試、成品組裝,多工廠、多車間生產管理、質量控制和工藝優化,多業務、多流程、多系統數據拉通……多領域多系統協調,這是CIM系統實施過程中常見的場景。半導體產業鏈長而復雜,而芯片生產是整個產業生態配套協作的過程,所以哪怕是一家企業,也可能涉及產業鏈上下游不同環節。

在 “國產替代“的強呼聲中,半導體產業鏈自主可控已成為國家戰略,而推動 半導體產業鏈核心系統自主可控,是實現整個產業鏈的自主可控的關鍵一環。CIM系統廠商要扛起國產大旗,還需對產業鏈上下游有深刻洞察,具備全產業鏈溝通能力,并有豐富案例積累。

而其中的難點在于,半導體產業鏈上大多數企業的系統建設都存在散、亂、差的問題——“散”指的是數字化以單點建設為主,今年上個MES、明年上個WMS、后年上個APS;“亂”指的是缺乏整體規劃以及順序優化;“差”指的是湊合著用,甚至“太多的企業,上一套系統,三年之內就不用了”。國產廠商若不能以整體思維提供前瞻性規劃和全棧式解決方案,便無法在整廠、多廠,甚至產業鏈上下游的貫通合作中,完美整合數十個功能各異又相互關聯的子系統。

國內各CIM廠商將整體解決方案作為化解企業系統建設“散、亂、差”的利器,目前,芯享科技已形成滿足半導體工廠生產制造自動化所需的軟件矩陣,可根據客戶的整體需求,構建從軟件、硬件到現場實施的定制化CIM解決方案。上揚軟件最近則為隸屬于上海韋爾半導體股份有限公司——豪威集團旗下的豪威半導體(上海)有限責任公司開發實施12英寸OCF Fab的CIM“全家桶”解決方案。格創東智繼續放大其獨特的整廠實施能力,其智能工廠全流程全棧產品和解決方案覆蓋生產運營、品質良率改善、設備健康、能耗管理等多個領域,已成為國內為數不多的自研產品在半導體產業鏈上中下游均已落地的廠商,服務的半導體客戶涵蓋半導體材料、晶圓制造、封裝測試及半導體設備環節,為其實現了從硅片、晶圓生產、封裝測試、到成品組裝,多工廠、多車間的生產管理、質量控制和工藝優化。

在全球半導體產業面臨諸多不確定性的背景下,穩定、自主可控的國產化CIM軟件不僅是保證企業高效、敏捷制造的好幫手,也是實現“半導體產業鏈自主可控”國家戰略的重要保證。破而后立,曉喻新生,當前美國的封鎖和禁運,對于國內半導體行業既是打壓危機,也是突圍契機,國內企業奮起直追之時,工業軟件中的“中國力量”也被賦以重任,整個行業匯聚新動能,也必將開創新局面,應對一切未知挑戰。