被垄断40年！半导体制造“大脑”迎融资热，国产MES企业春天来了？
芯东西（公众号：aichip001）
作者 | 高歌
编辑 | Panken
芯东西11月15日报道，近日，美国对半导体供应链各个厂商关键信息的要求期限刚刚截止，台积电、三星电子等晶圆制造商是否会提交敏感信息等引起了全网热议，晶圆厂商数据的重要性也得到了广泛的讨论。
在晶圆厂中，每片晶圆的生产、库存信息都要汇总到MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统）中，供操作员、工艺工程师、设备工程师和晶圆厂管理层等晶圆厂工作人员对芯片生产进行查看、管理和调度。简单来说，MES系统就如同晶圆厂的大脑一样。
而在半导体MES领域，绝大部分12英寸晶圆厂系统恰恰被美国科技巨头IBM和美国半导体设备巨头应用材料所垄断。国产MES系统能否突围，打破IBM和应用材料两大巨头的垄断，无疑对国产芯片制造有着重要的意义。
企业系统与控制系统集成国际ISA-95标准 （来源：应用材料）
一、上千步工序构成半导体MES壁垒，14nm产线年数据量超140TB
在晶圆厂中，MES系统需要负责从订货到最终芯片成品全过程的生产活动。简单来讲，MES就是晶圆厂生产管理的自动化系统，需要对工厂的实时事件进行反应、报告，并用数据对其进行指导和处理。
根据企业管理层次模型，MES系统是生产活动和管理活动信息沟通的桥梁，强调当前精确的实时数据。
具体来说，工厂产线不同工序线上每种产品的多少、型号、交货时间，产线和加工设备是否在空转、停转，产线上下料情况等都是MES系统需要跟踪和管理的问题。
而在半导体晶圆厂中，一颗芯片需要经过薄膜沉积、光刻胶涂敷、光刻显影、刻蚀、量测、清晰、离子注入等多个环节和工序，在12英寸产线中工序甚至可以达到上千步。因此每颗芯片在生产中的数据都十分庞大，其数据量级也随着制程演进而快速增长。根据应用材料的数据，45nm晶圆厂每年的数据量在50TB左右，而28nm晶圆厂年均数据量可以达到80TB，14nm晶圆厂每年的数据量则为141TB。
晶圆制造流程（来源：上扬软件吕凌志）
对于MES系统来说，一方面，晶圆厂投资金额巨大，12英寸晶圆厂所耗费的金额超过百亿元，一旦停机损失巨大，需要整个系统有着非常高的稳定性；另一方面，MES系统也要采用大数据等技术对整个产线进行优化、分析，提升产线效率和良率。
同时，晶圆厂还有着客户数量多、产品类型多变、需要多品种小批量定制生产、自动化程度高等需求。除了技术壁垒高，一套新的MES系统想要被半导体制造厂商接受、信任也需要经过长时间的验证。
二、应用材料并购构建半导体MES王国，IBM系统获格芯、台积电青睐
纵观整个半导体MES系统发展史，Consilium、Promis、Fastech等厂商都曾成为过行业龙头，但是随着半导体周期以及激烈的并购，应用材料和IBM两家巨头最终成为了当前行业中的绝对霸主。
世界晶圆厂MES系统发展史（来源：上扬软件吕凌志）
20世纪70年代，美国MES厂商Consilium开发出CAM（计算机辅助制造系统）Comet系统。该系统主要用于计算机数控机械，但是也包括工厂管理和制造控制，需要负责收集生产信息、辅助决策、传播指令和控制信息等。这一阶段的CAM软件已经十分接近MES的理念了。
之后，Consilium开发出第一款实际意义上的半导体MES系统Workstream。凭借低价销售策略，Consilium公司在半导体MES市场上极为成功，在相当长一段时间里都是全球第一大半导体MES供应商，其客户遍布世界各地，英飞凌、英特尔等厂商都采用了其产品。
但好景不长，1995年，由于半导体行业的萧条，Consilium连续六个季度业绩下滑，在1996年和1997年利润均为亏损态势。1998年10月，Consilium公司被应用材料以价值4200万美元的股票交换收购了Consilium。
Consilium被应用材料收购后，其推出了下一代MES FAB300系统，该系统可以支持超过50万个晶圆运行，具备晶圆可追溯性、集群工具模型和工艺控制等新的技术。
在Consilium发行Comet之后，加拿大MES供应商Promis也推出了自家的PROMIS MES产品。1996年，英国晶圆厂Newport Wafer Fab宣布采用PROMIS，其系统订购价超过100万美元；1997年，联电下属的8英寸晶圆厂宣布和Promis达成超过150万美元协议。此时，中国台湾地区排名前五的晶圆代工厂中联电、先进半导体、台积电、茂矽4家都采用了Promis的MES系统。
1998年6月，当时的半导体巨头摩托罗拉也采用Promis产品作为其全球晶圆厂及下一代12英寸晶圆厂整合的基础，进一步推动Promis成为半导体MES领域的龙头。
1999年，Promis被美国自动化系统厂商PRI Automaiton以4800万美元收购；2001年，PRI Automaiton又被Brooks Automation以70亿美元的价格收购。
2007年，应用材料以1.25亿美元收购Brooks Automation下属的事业部Brooks Software，该事业部也包含了此前的Promis。虽然Promis几经转手，但是其MES系统至今仍是全球8英寸晶圆厂选用最多的MES系统。
全球第三大半导体MES系统则是FASTech的FACTORYWork。FASTech成立于1986年，其代表性客户为三星电子和英特尔。1998年，FASTech被Brooks Software收购，之后也随之被应用材料收购。
至此，应用材料已经构建起一个覆盖PROMIS、FACTORYWORKS、FAB300、300WORKS等主流MES系统的产品线。而除了各大主流MES系统外，作为全球半导体设备龙头，应用材料MES系统和自家设备的强大生态也是其产品竞争力的一部分。
应用材料MES系统产品（来源：应用材料）
相比于应用材料的并购扩张，IBM的MES系统则借助了自家晶圆厂和软件研发上的实力。1995年，IBM推出了POSEIDEN系统，1999年又基于POSEIDEN系统发布了SiView系统。
IBM宣称，SiView系统可实现全自动化的单晶圆控制，并处理在同一产线中多批次的产品。此外，SiView系统可以在不影响晶圆厂生产的情况下进行安装，并能够在安装后立即开始运行。
SiView系统发布后，IBM将其用于自己的12英寸产线，之后，SiView系统又被格芯、台积电等厂商所采用。半导体MES两大巨头鼎立的局势基本形成。
三、国产替代推动中国半导体MES厂商发展
与半导体设备产业一样，半导体MES系统也存在着技术壁垒高、验证时间长等特性，使其被应用材料和IBM两大巨头所主导。
但是和半导体设备只影响一个工序不同，同样价值数千万元的MES系统影响的却是价值数十亿乃至百亿晶圆厂的全产线。这也造成了半导体MES行业市场份额极为集中，且行业壁垒极高，新玩家很难进入这一市场。
随着晶圆尺寸从4英寸变为6英寸、8英寸、12英寸，芯片性能和制造要求在不断提升，晶圆厂的自动化水平也在不断提升，从人工产线变为半自动产线、自动产线，MES系统对晶圆厂生产越来越重要。国产MES系统的成长对中国半导体行业有着切实地意义。
上扬软件是成立时间最久的一家国产半导体MES厂商。2000年，曾在新加坡国立制造技术研究院研究MES系统的吕凌志回国创立上扬软件。在他创业的前十五六年里，上扬软件做得都是4、5、6英寸晶圆厂的MES系统。因为不去做4、5、6英寸晶圆厂，就无法获得8英寸晶圆厂的信任；没有拿下8英寸晶圆厂，更谈不上12英寸。
上扬软件发展史（来源：上扬软件吕凌志）
尽管上扬软件已经拿下了中芯绍兴的8英寸产线合同，并且其产量在1年内达到5万片/月，是国内冲量产最快的8英寸产线。但在2019-2020年，上扬软件连续三次在国内12英寸产线评估中失败。
虽然失望，但吕凌志也清楚这就是行业的现实：“投资百亿的晶圆厂，如果你为几千万的软件冒险，那是想都不敢想象的。”
上扬软件CIM/MES系统方案架构（来源：上扬软件吕凌志）
由于国产替代浪潮，国产半导体MES玩家也迎来了新的发展。
今年5月，上扬软件获得了华为哈勃的战略投资。10月份，上扬软件又完成了由大基金二期领投，中芯聚源、浦东科投等跟投的新一轮数亿元融资。在资金支持下，上扬软件拿下了国内CMOS晶圆代工厂商长光圆辰和存储厂商杭州驰拓的12英寸产线。
除了上扬软件，赛美特、芯享科技、哥瑞利等半导体MES/CIM领域的国产厂商凭借其专业人才、技术实力也在今年完成了新一轮融资。
芯享科技成立于2018年，其首席战略发展官邱崧恒曾主导长江存储和泉芯的CIM系统整合；晶圆事业部技术专家张镇浩则参与过韩国三星电子、SK海力士自动化体系研发。
据报道，在封测领域的TOP10中，芯享科技的客户占比近1/3，其还拥有9家晶圆厂商客户。今年3月，芯享科技获得红杉中国、高瓴资本、华登国际联合领投的近亿元A轮融资。
赛美特于2020年成立，合并了“上海特劢丝”和“固耀SEMI Integration”两家公司，其产品已用于50余座工厂。赛美特总经理闵东植曾任三星SDS常务理事及SK海力士半导体CIM研发负责人。今年5月，赛美特宣布完成5000万元A轮融资。
哥瑞利软件成立于2007年，其专注于半导体领域的智能制造解决方案，研发服务团队超过300人，拥有21项专利和111项软件著作权（含申请中）。在半导体前道领域，其客户有中芯国际等。根据企查查信息，哥瑞利于11月12日获得由招商资本、国新风投深圳领投的3亿元新一轮融资。
在大基金、中芯聚源、华登国际、高瓴资本等各类资金的支持下，上扬软件等老牌玩家获得了更大的支持，芯享科技等新兴玩家也开始浮现，国产半导体MES行业发展正步入快车道。
结语：工业4.0时代来临，MES系统为IC制造关键
工业化4.0时代的到来，无疑也加速了半导体晶圆厂的自动化、无人化进程。在这一趋势下，晶圆厂产线需要支持更多的数据接口，云计算、大数据、人工智能、机器人、物联网等技术将成为重要的组成部分。
对晶圆厂商来说，如何顺应这一趋势，整合各类技术、优化晶圆厂良率、合理分配产线，都离不开先进的MES系统。各类资本的涌入无疑会加快行业的发展速度，起到推动作用。
但从半导体MES行业的发展历史来看，MES系统厂商的整合、并购十分剧烈，厂商发展也受半导体周期影响较大。如何抓住当前行业快速发展的窗口，在行业增速放缓时，做好研发投入和营收的平衡，将会是国产半导体MES厂商需要面对的挑战。
参考信源：《半导体行业MES的研究与应用》何月华、《集成CAM和过程仿真，增强集成电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、《晶圆厂MES发展历程和实践感悟》吕凌志演讲、应用材料/IBM官网博客、企查查/36氪等融资信息
半导体行业MES系统软件
半导体光电子器件主要包括发光二极管(LED)、激光器(LD)、电荷耦合器件(CCD)、太阳能电池以及光电探测器等。随着技术的进步，半导体光电子器件已经广泛应用于机械加工、光纤通信、冶金化工、医疗保健、建筑景观、国防工业以及节能环保等各个领域，在当今的信息化社会里起着无法替代的重要作用，形成了一个光电子产业。
光电子元器件的生产过程是一个典型的离散制造生产过程，具有批量不等、周期较短、产率波动、质检苛刻、个性需求等特点。由于系统的特殊性，上层企业资源计划系统ERP(Enterprise Resources Planning) 与底层基础自动化系统PCS(Process Control System)存在沟通不畅，当生产中出现扰动时，信息得不到及时反馈，具体功能不能在控制层执行;另外生产中的产品数据、工艺调整、排班调度等都由人工操作，大大地降低了效率和管理水平。制造执行系统(ManufacturingExecutionSystem) MES系统就是在这样的背景需求下应运而生。美国先进制造研究机构(AdvancedManufacturing Research，AMR)提出了制造行业的ERP/MES系统软件/PCS三层企业集成模型。
MES系统是位于ERP与PCS之间的信息管理系统，起到了承上启下的桥梁作用，填补了上下两层之间信息沟通的鸿沟，主要负责生产管理和调度执行，通过控制包括物料、设备、人员、流程和环境在内的所有资源来提高竞争力。企业接到订单后MES系统可以对生产过程进行优化管理，保证及时交货，提高生产回报率；有不确定情况发生时，MES系统软件能够及时响应，根据具体情况对异常情况进行处理，保证生产连续进行。MES系统的双向通讯极大地提高了生产指令下达的准确及时性，增强了企业生产力。
随着全球经济的一体化，半导体光电子企业如果要在激烈的市场竞争中立足，就必须提高自身适应能力，满足客户瞬息万变的需求，所以建立一个完整的MES系统，提高信息沟通能力，是企业发展的必要条件，也受到业界越来越广泛的关注。
1、应用现状
MES系统产品主要分为三类，分别是软件供应商提供、企业自主开发、企业与科研院所共同开发。而按照行业来划分，主要分为半导体、电子、航空、汽车、石化、冶金、烟草等行业，迄今为止，还没有一套MES系统软件产品能够适应于所有领域。与流程工业以及半导体行业完善的MES系统软件体系相比，半导体光电子行业的MES系统软件研究起步较晚，针对这一行业生产特点的成熟软件比较少，很多中小企业自己开发系统进行生产管理，没有统一标准在一定程度上制约了行业的发展
1.1 软件应用
目前市场上成熟的MES系统产品都是针对硅片生产，如IBM公司的SIView，AppliedMaterials公司的FAB30、WorkStream、PROMIS和FactoryWorks，以上MES系统软件产品都不能直接用于光电子器件生产，因此涌现了一批新生套件，推动了光电子器件的生产信息化。
我国光电子器件MES系统起步较晚，有代表性的公司包括巴陆科技MES系统软件、奥比特OrBit-MES系统软件等。OrBit-MES系统软件构建于中国自有知识产权的基础业务平台之上，基于MES系统软件A/ISA-S95标准，通过批次过程控制，将同步数据采集技术应用于企业内部物流的全线追溯、制造工程配置、生产及品质过程控制，填补了生产现场到ERP 间的信息鸿沟。OrBit-MES系统软件的实施为光电元器件制造商NewFocus提升了企业的管理水平，同时该产品也应用到了太阳能行业如BP太阳能等。由于实施对象数量不多，许多企业担心国内MES系统软件产品的性能，于是有了在已有系统的基础上进行二次实施开发的方式。
此类MES系统软件应用的典型包括日银(IMP)、上海新进半导体(SBCD)等公司，由于公司规模比较大，需求很明确，市场上的软件不适合其生产特点并且价格昂贵，因此IT部门自主研发了MES系统软件。这种做法的好处在于MES系统软件上线后非常符合实际需求，维护、升级、拓展容易，缺点在于要投入大量的人力和时间，平均耗时在一年以上。
1.2 半导体光电子器件生产特点
与传统的半导体生产相比，半导体光电子器件的生产有以下特征：
1)规模小。由于全球对光电子器件的需求量一定，与半导体生产线相比，光电子器件规模较小，同类型的机台数量少，一旦某台机台故障，将有可能造成整条生产线停产，造成很大损失，因此对设备的维护、定期保养很重要。
2)周期短。硅片在生产线上的平均加工周期为十几天到几十天，典型的加工流程需要几百步，而光电子器件生产周期为两天到三天，典型的加工流程几十步，这就要求生产调度有一定的灵活性，短时间内能够调整从而指导生产。
3)半自动。半导体生产多为全自动，通过一段时间的生产可以统计分析出不同设备、不同产品的良率，而光电子器件存在大量的手工作业，影响产品良率的稳定并进一步造成库存压力，因此MES系统软件要能够合理安排作业人员，并充分考虑库存量。
4)多批次。半导体为大批量生产，一个订单的数量巨大，而光电子器件多为小批量，针对客户的特殊需求，产出特定的功率、波长的产品，这就使得设备在生产中频繁调整参数，因此投料控制极为重要。
5)非标准。半导体各产品用料可依据经验，而光电子器件涉及到非标夹具，导致lead-time各不相同，因此MES系统软件对这种辅助资源调度要做到合理的控制和优化。
1.3 MES系统功能模块
如果说生产流程是正向的物流，那么MES系统可实现反馈信息流。一个合适的MES系统软件上线，对于半导体光电子器件制造会产生很大的改善与帮助，这就需要MES系统软件在现场监控、计划规划和数据管理三方面起到推动作用。
1.3.1 现场监控
MES系统要能够覆盖到整个工作流，按照实际情况记录每一步动作的数据，显示设备工作状态，使得管理人员更加容易的控制生产。同时，MES系统对各项使用条件、参数应具有指导提醒作用，并对过程参数监控，实现无纸化操作，起到减少错误、节约时间的作用。
1.3.2 计划规划
通过MES系统软件，管理者可以全面的掌握在制品情况，了解库存信息，处理异常工况;当顾客需求变化时快速反应，辅助及时调整生产规划，改善作业绩效。
1.3.3 数据管理
在光电子器件生产过程中会产生很多设备参数数据和半成品测试数据，MES系统软件要对这些数据统一管理，形成一个知识库，通过不断的积累挖掘指导将来的生产加工，为设备维护、产品研发、产品改进提供支持。
MES系统(国际MES系统软件联合会)对MES系统的功能模块及与其他系统的关系进行了总结，针对半导体光电子器件的生产特点，光电子器件MES系统软件应具有以下的功能模块：
1)在制品(WIP)管理。在制品，通常是指原材料在经过部分制造工艺后，还没有成为最终产品或者还没有经过质量检验，因而还没有进入到成品仓库的部分。对在制品的管理包括监控它当前的加工状态、计划规划中的状态以及处于整个工作流中的状态。
2)设备管理。对生产过程中的设备以及器具进行管理，分为静态和动态两个部分。静态部分设备管理要实现记录设备的编号、用途、各种加工情况运行参数以及责任人等，动态部分为明确工作状态及运行状态，在出现异常情况时及时维修，并做维修记录。
3)生产计划管理。根据客户订单的生产数量和完成时间，系统下达生产指令，包括每个工序的具体任务，每个任务的参数，每台设备的工作时间，加工规格及数量等信息，当出现异常情况时，能够及时调整计划，完成订单。
4)库存管理。库存管理主要包括原材料的库存管理和产品的库存管理。通过查询原料库存，可以知道它的供应商以及规格，通过查询产品库存，可以了解从物料转化为产品所有经过工序的批号、责任人和质量编号，能够为全程质量跟踪及企业高效率地管理库存提供规范，全面提高工作效率和质量。
5)工程数据采集和统计过程控制(SPC)。工程数据采集覆盖生产制造过程中的各种数据信息，包括生产工艺、产品定额、生产进度、质量数据、设备负荷、在制品加工状态等。SPC利用统计方法利用采集的数据对过程中的各个阶段进行控制，从而达到改进与保证质量的目的。SPC确保制造过程持续稳定、可预测，起到提高产品质量、生产能力、降低成本的作用。
6)订单跟踪。通过采样时间点设备的物料生产以及转移加工情况跟踪现场物流情况，包括作业开始、结束时间，批次的数量、位置，作业设备消耗、运行参数，产品或者半成品的所有加工责任人，同时，记录质量监控数据。
7)文档管理。存储及管理各种生产、质量、工艺文档，在车间现场或质量管理中，调用相关文档，为工作提供指导参考。
8) 质量管理。质检过程对制造过程各阶段的质量数据进行采集，通过实时的测试数据，对故障记录进行分类分析，对设备、工具、仪器的定期复检，提供对产品质量状态的全程跟踪、质量归零管理、质量成本管理。质量管理为企业在建立质量保证体系过程中提供信息化的辅助支持，提供对质量数据进行统计分析的工具。
2、发展方向
在我国，流程工业MES系统软件已经日渐趋于成熟并逐渐普及，但是面向半导体光电子器件行业的MES系统软件软件在开发与应用方面还比较薄弱。由于半导体光电子制造技术的发展和信息系统的推动因素，一些新的需求也在不断涌现出来，未来光电子行业的MES系统软件应在以下几个方面进行完善：
1)模型规范性。对于半导体光电子器件行业的MES系统软件模型，目前国际以及国内的研究刚刚起步，建立一个符合国际标准并符合行业特点的模型是系统开发实施的前提，因此在理论方面有所突破将推动光电子行业的MES系统软件的发展。
2)系统兼容性。由于MES系统处于信息系统的中间，起到上下沟通的作用，因此半导体光电子行业MES系统软件应具有通用的接口，可以与任何厂商的软件进行通信，打造无障碍信息平台。构造可重构、可扩展、可交互、可集成的MES系统是未来半导体光电子行业MES系统软件发展的一个重要方向。
3)调度优化性。半导体光电子生产线是一个复杂的混合重入调度问题，其计算复杂性为强NP-hard。目前很多MES系统软件的调度还是人工输入，不能达到最优的效果。因此如何建立调度模型并构造有效的优化算法指导生产，是需要解决的技术难点。
4)动态实时性。半导体光电子器件行业是个典型的离散行业，它的新产品开发频繁，生产中各制造过程的关联性很强，作业计划变更的几率非常大，随时面临插单、材料短缺、市场需求变化等问题，因此需要MES系统软件具有动态实时性，能够对这些不确定性及时做出快速响应，保证平稳高效生产。
3 结论
应用MES系统软件能够促进半导体光电子产业的发展，如果能够吸收现有系统的成功经验，开发出适应于我国光电子企业的MES系统软件软件产品，满足企业对业务过程可集成性、可扩展性和可靠性的要求，实现PCS- MES系统-ERP的紧密集成，进而提出我国半导体光电子行业MES系统的技术规范与实施标准，对提升我国光电子行业信息化水平，增强与国际先进企业竞争的能力，都具有着重要的意义。来源：深圳效率科技efficient.hk
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