良率晶圓代工廠的生命線
良率關(guān)乎晶圓廠的整體量產(chǎn)與競爭力。半導(dǎo)體制造良率反映了晶圓中芯片可出售比例，直接影響芯片設(shè)計客戶的制造成本。2018年，三星及SK海力士于18nm制程芯片先后出現(xiàn)良率問題，遭到數(shù)據(jù)中心客戶退貨，損失慘重①。對于良率達到量產(chǎn)標準的公司，如3D NAND閃存等尖端存儲芯片晶圓廠，1%的良率提高可以帶來每年約1.1億美元的凈利潤提升；對于尖端的邏輯芯片晶圓廠，1%的良率提升意味著每年約1.5億美元的凈利潤提升②。
目前，最尖端的芯片制程已經(jīng)縮小到3nm，隨著制程的不斷演進，芯片加工總工序數(shù)也不斷上升。據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，目前一條芯片生產(chǎn)線大約需要2000-5000道工序③。每一步都必須達到極其嚴格的物理特性和潔凈度要求，否則將導(dǎo)致晶圓污染、破裂或彎曲，使得裸芯損壞，良率下降。以95%整體良率計算，當工序為3000道時，須要保證每一道工序的良率都超過99.9983%；若單道工序的良率下降至99.9965%，整體良率會下降至約90%；若單道工序的良率下降至99.9769%，整體良率將僅剩50%。當前，尖端芯片上通常集成百億量級的晶體管，任何工序出錯導(dǎo)致的晶體管失效會使整個芯片報廢，可想而知將單工序的良率控制在“四個九”是極其困難的。
“制造環(huán)節(jié)的EDA”CIM
在提高良率方面，晶圓廠除購置更可靠的硬件設(shè)備外，還需要多種類型的軟件對整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行整體控制、糾錯、改良。在業(yè)界，這套軟件系統(tǒng)被稱作芯片制造CIM（Computer Integrated Manufacturing）系統(tǒng)，CIM系統(tǒng)是半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)的生命級系統(tǒng)，也被稱為“芯片制造環(huán)節(jié)的EDA”，擁有很高的準入門檻。
CIM系統(tǒng)由制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、統(tǒng)計過程控制系統(tǒng)（SPC）、設(shè)備自動化方案（EAP）、配方管理系統(tǒng)（RMS）、良率管理系統(tǒng)（YMS）等數(shù)十種軟件系統(tǒng)組成。這數(shù)十種軟件大致可以劃分為三大類 “生產(chǎn)系統(tǒng)”，“設(shè)備系統(tǒng)”，“質(zhì)量系統(tǒng)”：生產(chǎn)系統(tǒng)負責生產(chǎn)流程統(tǒng)籌管理，以MES為代表；設(shè)備系統(tǒng)負責自動化及設(shè)備管理，以EAP為代表, 前兩大類主要是在建廠時投入部署和實施；質(zhì)量系統(tǒng)負責品質(zhì)和良率管理，以YMS為代表，通常在建廠完畢進入生產(chǎn)爬坡時開始重點投入④。
圖：CIM系統(tǒng)構(gòu)成
過去幾年，在中美脫鉤、政策引導(dǎo)、終端需求增長的大背景下，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)迎來了前所未有的高速發(fā)展期，大陸晶圓廠數(shù)量迅速增長，與工廠呈強配套關(guān)系的CIM系統(tǒng)市場也隨之迎來爆發(fā)。
大陸晶圓廠良率管理環(huán)節(jié)中的挑戰(zhàn)
人才匱乏，特別是良率工程師缺乏經(jīng)驗
良率工程師是晶圓廠里不可缺少的關(guān)鍵人才，主要負責從各種測試數(shù)據(jù)中找到異常點，分析晶圓制造過程中缺陷（defect）來源，以便及時修復(fù)缺陷，提高產(chǎn)線良率。晶圓生產(chǎn)過程中會經(jīng)過數(shù)千道工序，任何一步發(fā)生異常都會造成良率低下，只有對每一道工序都有充分理解的技術(shù)專家才能勝任良率管理的負責工作⑤。因此，良率工程師是晶圓廠中對經(jīng)驗要求最高的技術(shù)工種之一，通常由晶圓廠里超過20年工作經(jīng)驗的“老法師”承擔。隨著技術(shù)發(fā)展，當前晶圓廠制造工藝已迭代到先進制程，晶圓廠內(nèi)也面臨數(shù)據(jù)大爆發(fā)，一條先進制程產(chǎn)線每天所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量約為10PB（1PB = 106 GB），良率工程師需要追溯的數(shù)據(jù)呈指數(shù)級增長。對于先進制程節(jié)點，良率分析工作不僅需要傳統(tǒng)的“經(jīng)驗判斷”，更需要進行“量化分析”，大數(shù)據(jù)分析驅(qū)動的智能化軟件系統(tǒng)搭建成為新背景下良率分析的關(guān)鍵。
圖：臺積電智能制造布局（source：臺積電2018年年報）
臺積電是數(shù)據(jù)良率管理的先行者和標桿，它自2012年開始持續(xù)打造大數(shù)據(jù)平臺，為每一個工廠都配套一座數(shù)據(jù)中心，以便讓數(shù)據(jù)產(chǎn)生更大的價值。為了提升生產(chǎn)效率，臺積電利用先進機臺控制、即時缺陷偵測、工程資料探勘、中央管理制造平臺等系統(tǒng)，實現(xiàn)了機臺、制程和良率的優(yōu)化⑥。臺積電的實踐是將數(shù)據(jù)模型融入到其不斷深化的IT革新中，將“The Fab Runs on Code（跑在代碼上的晶圓廠）”升級為“The Fab Runs on Model”。到2018年，臺積電已經(jīng)有1000位IT人才和300位機器學(xué)習專家，在排程派工、人員生產(chǎn)力、機臺生產(chǎn)力、制程與機臺控制、品質(zhì)控制以及機器人控制等方面都已實現(xiàn)了智能化應(yīng)用。
相比之下，當前中國大陸晶圓廠在傳統(tǒng)“經(jīng)驗判斷”型良率工程師、新興“量化分析”型機器學(xué)習專家以及IT人才方面均面臨較大的人才缺口。一方面是因為我國半導(dǎo)體行業(yè)起步晚，晶圓廠建設(shè)完成時間較短，廠里有數(shù)十年以上實操經(jīng)驗積累的良率工程師人數(shù)稀少；另一方面我國相關(guān)人才流動性較大，擁有5-10年經(jīng)驗的高級工程師常常會被挖到其他友商擔任更高階的職位，頻繁的人員變動進一步加劇了良率工程師的稀缺性。
國產(chǎn)替代下的“機、料”給產(chǎn)線提出了新的挑戰(zhàn)
30萬片月產(chǎn)能的晶圓廠擁有約有3000臺機器，每天可以產(chǎn)生出約800萬派工命令⑦。在國外晶圓廠中，因為行業(yè)格局已定，產(chǎn)線設(shè)備高度集中在幾個大廠（Applied、ASML等），產(chǎn)線上設(shè)備、零配件、耗材的供應(yīng)商相對穩(wěn)定。
與國外情況不同，國內(nèi)晶圓產(chǎn)線上多方設(shè)備、原料雜糅，這與中美在技術(shù)脫鉤后，中國晶圓廠硬件的國產(chǎn)替代關(guān)系密切�；仡�2020及2021年各晶圓廠設(shè)備采購國產(chǎn)率，上海積塔兩年連續(xù)位居第一，分別達到了75.9%和35.4%，其2020年、2021年、2022年1-4月的設(shè)備采購國產(chǎn)化率均值在50%以上⑧。設(shè)備國產(chǎn)化進程中，大陸晶圓廠的每一個工序上往往同時具有國內(nèi)國外、多種型號、多個廠商、多個批次的設(shè)備、耗材、零配件，由于規(guī)格不同，它們輸出的數(shù)據(jù)并不直接可比，這就需要國產(chǎn)良率分析軟件做得更具兼容性、更智能化才能適應(yīng)國內(nèi)產(chǎn)線環(huán)境。
圖：中國晶圓廠設(shè)備采購國產(chǎn)化率情況（Source：中國國際招標網(wǎng)、德邦證券）
當然，挑戰(zhàn)與機會并存，良率人才的稀缺使得國內(nèi)晶圓廠對良率管理軟件的需求更加迫切，“機、料”雜糅的產(chǎn)線環(huán)境也使得國外大廠在“機、料”數(shù)據(jù)來源一致前提下設(shè)計的良率軟件難以適配國內(nèi)產(chǎn)線，給國產(chǎn)良率管理軟件廠商帶來了良好的發(fā)展機會。
機遇與破局之道
通常晶圓廠在大數(shù)據(jù)相關(guān)投入（包括良率管理系統(tǒng)、人工成本等）會達到晶圓廠支出的3%-5%。以臺積電為參考，其2021年總營收約455億美元，大數(shù)據(jù)資本投入約11.4億美元，大數(shù)據(jù)相關(guān)人力成本約16億美元，兩部分加總占總營收的2.5-3.5%。
中國大陸的半導(dǎo)體產(chǎn)線當前基本都完成自動化建設(shè)（第一階段），后續(xù)建設(shè)的新產(chǎn)線會聚焦精進生產(chǎn)（第二階段）及減人增效（第三階段），因此將加大對AI和智能化的需求，每年都將有持續(xù)的智能化改造需求及預(yù)算。此外，中國大陸半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來幾年會迎來12寸晶圓廠的建廠高峰⑨，持續(xù)性的資本投入會給良率管理系統(tǒng)公司帶來巨大的發(fā)展機遇。未來幾年內(nèi)，良率管理系統(tǒng)市場具備強勁增長潛力。
圖：大陸12寸晶圓廠數(shù)量（Source：集微咨詢）
在半導(dǎo)體良率管理軟件賽道，目前國內(nèi)核心的服務(wù)商以海外尤其美商為主，包括KLA科磊、Applied Materials應(yīng)用材料、SYNOPSYS新思科技、PDF普迪飛、YieldHUB、Odyssey奧德賽等。不過，海外軟件目前普遍存在價格高昂、升級迭代慢、不支持客制化需求、不適應(yīng)中國產(chǎn)線環(huán)境等問題，給予了國產(chǎn)良率管理軟件彎道超車的機會，中國良率管理軟件廠商要實現(xiàn)突圍，需要做到以下幾點：
其一，要大力發(fā)揮中國在AI方向上領(lǐng)先的技術(shù)，構(gòu)建更為智能化的良率分析模型，用高效的AI模型來彌補良率工程師人才的不足，解決國內(nèi)晶圓廠良率管理環(huán)節(jié)的最大痛點。國產(chǎn)廠商在智能化圖形處理、缺陷圖庫完善度（涉及少樣本學(xué)習或零樣本學(xué)習技術(shù)）、缺陷歸類等環(huán)節(jié)存在后發(fā)優(yōu)勢，技術(shù)層面不遜于成熟的歐美廠商。
其二，要利用國內(nèi)完善的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈，更充分地收集、整理、分析晶圓廠產(chǎn)線上的海量數(shù)據(jù)，構(gòu)建能夠適應(yīng)國內(nèi)復(fù)雜產(chǎn)線現(xiàn)狀的良率管理大數(shù)據(jù)中臺，從架構(gòu)層面上解決數(shù)據(jù)源多而雜的問題，與晶圓廠深度綁定合作開發(fā)，建立自己的行業(yè)壁壘。
結(jié)束語
綜上所述，中美技術(shù)脫鉤帶來國產(chǎn)機遇，在中國晶圓廠產(chǎn)能不斷拓展的大背景下，未來5年內(nèi)半導(dǎo)體CIM系統(tǒng)將迎來發(fā)展的黃金期，特別是良率分析軟件領(lǐng)域，國內(nèi)一批創(chuàng)業(yè)公司已逐漸開始嶄露頭角。CMC資本也將高度配合行業(yè)及技術(shù)發(fā)展趨勢，結(jié)合基金自身的產(chǎn)業(yè)及政府資源，助力加速集成電路國產(chǎn)良率管理行業(yè)發(fā)展，突破關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點，早日實現(xiàn)國產(chǎn)替代和彎道超車。
參考資料：
①http://www.eepw.com.cn/article/201806/381976.htm
②https://www.163.com/dy/article/EU6JK2R10511CPMT.html
③https://baijiahao.baidu.com/s?id=1598488804495424136=spider&for=pc
④https://zhuanlan.zhihu.com/p/628941028
⑥https://mp.weixin.qq.com/s/VzxCUo4rilxuWxl3XMWCpA
⑦https://mp.weixin.qq.com/s/VzxCUo4rilxuWxl3XMWCpA
⑨https://mp.weixin.qq.com/s/Vb15DxkYOk0D-W7_l0C2yA
