良率——晶圓代工廠的生命線
良率關乎晶圓廠的整體量産與競争力。半導體制造良率反映了晶圓中晶片可出售比例，直接影響晶片設計客戶的制造成本。2018年，三星及SK海力士于18nm制程晶片先後出現良率問題，遭到資料中心客戶退貨，損失慘重①。對于良率達到量産标準的公司，如3D NAND閃存等尖端存儲晶片晶圓廠，1%的良率提高可以帶來每年約1.1億美元的淨利潤提升；對于尖端的邏輯晶片晶圓廠，1%的良率提升意味着每年約1.5億美元的淨利潤提升②。
目前，最尖端的晶片制程已經縮小到3nm，随着制程的不斷演進，晶片加工總工序數也不斷上升。據業内人士介紹，目前一條晶片生産線大約需要2000-5000道工序③。每一步都必須達到極其嚴格的實體特性和潔淨度要求，否則将導緻晶圓污染、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%，整體良率将僅剩50%。目前，尖端晶片上通常內建百億量級的半導體，任何工序出錯導緻的半導體失效會使整個晶片報廢，可想而知将單工序的良率控制在“四個九”是極其困難的。
“制造環節的EDA”——CIM
在提高良率方面，晶圓廠除購置更可靠的硬體裝置外，還需要多種類型的軟體對整個生産環節進行整體控制、糾錯、改良。在業界，這套軟體系統被稱作晶片制造CIM（Computer Integrated Manufacturing）系統，CIM系統是半導體制造環節的生命級系統，也被稱為“晶片制造環節的EDA”，擁有很高的準入門檻。
CIM系統由制造執行系統（MES）、統計過程控制系統（SPC）、裝置自動化方案（EAP）、配方管理系統（RMS）、良率管理系統（YMS）等數十種軟體系統組成。這數十種軟體大緻可以劃分為三大類 “生産系統”，“裝置系統”，“品質系統”：生産系統負責生産流程統籌管理，以MES為代表；裝置系統負責自動化及裝置管理，以EAP為代表, 前兩大類主要是在建廠時投入部署和實施；品質系統負責品質和良率管理，以YMS為代表，通常在建廠完畢進入生産爬坡時開始重點投入④。
圖：CIM系統構成
過去幾年，在中美脫鈎、政策引導、終端需求增長的大背景下，中國半導體産業迎來了前所未有的高速發展期，大陸晶圓廠數量迅速增長，與工廠呈強配套關系的CIM系統市場也随之迎來爆發。
大陸晶圓廠良率管理環節中的挑戰
人才匮乏，特别是良率工程師缺乏經驗
良率工程師是晶圓廠裡不可缺少的關鍵人才，主要負責從各種測試資料中找到異常點，分析晶圓制造過程中缺陷（defect）來源，以便及時修複缺陷，提高産線良率。晶圓生産過程中會經過數千道工序，任何一步發生異常都會造成良率低下，隻有對每一道工序都有充分了解的技術專家才能勝任良率管理的負責工作⑤。是以，良率工程師是晶圓廠中對經驗要求最高的技術工種之一，通常由晶圓廠裡超過20年工作經驗的“老法師”承擔。随着技術發展，目前晶圓廠制造技術已疊代到先進制程，晶圓廠内也面臨資料大爆發，一條先進制程産線每天所産生的資料量約為10PB（1PB = 106 GB），良率工程師需要追溯的資料呈指數級增長。對于先進制程節點，良率分析工作不僅需要傳統的“經驗判斷”，更需要進行“量化分析”，大資料分析驅動的智能化軟體系統搭建成為新背景下良率分析的關鍵。
圖：台積電智能制造布局（source：台積電2018年年報）
台積電是資料良率管理的先行者和标杆，它自2012年開始持續打造大資料平台，為每一個工廠都配套一座資料中心，以便讓資料産生更大的價值。為了提升生産效率，台積電利用先進機台控制、即時缺陷偵測、工程資料探勘、中央管理制造平台等系統，實作了機台、制程和良率的優化⑥。台積電的實踐是将資料模型融入到其不斷深化的IT革新中，将“The Fab Runs on Code（跑在代碼上的晶圓廠）”更新為“The Fab Runs on Model”。到2018年，台積電已經有1000位IT人才和300位機器學習專家，在排程派工、人員生産力、機台生産力、制程與機台控制、品質控制以及機器人控制等方面都已實作了智能化應用。
相比之下，目前中國大陸晶圓廠在傳統“經驗判斷”型良率工程師、新興“量化分析”型機器學習專家以及IT人才方面均面臨較大的人才缺口。一方面是因為大陸半導體行業起步晚，晶圓廠建設完成時間較短，廠裡有數十年以上實操經驗積累的良率工程師人數稀少；另一方面大陸相關人才流動性較大，擁有5-10年經驗的進階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。
國産替代下的“機、料”給産線提出了新的挑戰
30萬片月産能的晶圓廠擁有約有3000台機器，每天可以産生出約800萬派工指令⑦。在國外晶圓廠中，因為行業格局已定，産線裝置高度集中在幾個大廠（Applied、ASML等），産線上裝置、零配件、耗材的供應商相對穩定。
與國外情況不同，國内晶圓産線上多方裝置、原料雜糅，這與中美在技術脫鈎後，中國晶圓廠硬體的國産替代關系密切。回顧2020及2021年各晶圓廠裝置采購國産率，上海積塔兩年連續位居第一，分别達到了75.9%和35.4%，其2020年、2021年、2022年1-4月的裝置采購國産化率均值在50%以上⑧。裝置國産化程序中，大陸晶圓廠的每一個工序上往往同時具有國内國外、多種型号、多個廠商、多個批次的裝置、耗材、零配件，由于規格不同，它們輸出的資料并不直接可比，這就需要國産良率分析軟體做得更具相容性、更智能化才能适應國内産線環境。
圖：中國晶圓廠裝置采購國産化率情況（Source：中國國際招标網、德邦證券）
當然，挑戰與機會并存，良率人才的稀缺使得國内晶圓廠對良率管理軟體的需求更加迫切，“機、料”雜糅的産線環境也使得國外大廠在“機、料”資料來源一緻前提下設計的良率軟體難以适配國内産線，給國産良率管理軟體廠商帶來了良好的發展機會。
機遇與破局之道
通常晶圓廠在大資料相關投入（包括良率管理系統、人工成本等）會達到晶圓廠支出的3%-5%。以台積電為參考，其2021年總營收約455億美元，大資料資本投入約11.4億美元，大資料相關人力成本約16億美元，兩部分加總占總營收的2.5-3.5%。
中國大陸的半導體産線目前基本都完成自動化建設（第一階段），後續建設的新産線會聚焦精進生産（第二階段）及減人增效（第三階段），是以将加大對AI和智能化的需求，每年都将有持續的智能化改造需求及預算。此外，中國大陸半導體産業未來幾年會迎來12寸晶圓廠的建廠高峰⑨，持續性的資本投入會給良率管理系統公司帶來巨大的發展機遇。未來幾年内，良率管理系統市場具備強勁增長潛力。
圖：大陸12寸晶圓廠數量（Source：集微咨詢）
在半導體良率管理軟體賽道，目前國核心心的服務商以海外尤其美商為主，包括KLA科磊、Applied Materials應用材料、SYNOPSYS新思科技、PDF普迪飛、YieldHUB、Odyssey奧德賽等。不過，海外軟體目前普遍存在價格高昂、更新疊代慢、不支援客制化需求、不适應中國産線環境等問題，給予了國産良率管理軟體彎道超車的機會，中國良率管理軟體廠商要實作突圍，需要做到以下幾點：
其一，要大力發揮中國在AI方向上領先的技術，建構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，解決國内晶圓廠良率管理環節的最大痛點。國産廠商在智能化圖形處理、缺陷圖庫完善度（涉及少樣本學習或零樣本學習技術）、缺陷歸類等環節存在後發優勢，技術層面不遜于成熟的歐美廠商。
其二，要利用國内完善的大資料基礎設施和大資料産業鍊，更充分地收集、整理、分析晶圓廠産線上的海量資料，建構能夠适應國内複雜産線現狀的良率管理大資料中台，從架構層面上解決資料源多而雜的問題，與晶圓廠深度綁定合作開發，建立自己的行業壁壘。
結束語
綜上所述，中美技術脫鈎帶來國産機遇，在中國晶圓廠産能不斷拓展的大背景下，未來5年内半導體CIM系統将迎來發展的黃金期，特别是良率分析軟體領域，國内一批創業公司已逐漸開始嶄露頭角。CMC資本也将高度配合行業及技術發展趨勢，結合基金自身的産業及政府資源，助力加速內建電路國産良率管理行業發展，突破關鍵技術節點，早日實作國産替代和彎道超車。
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&wfr=spider&for=pc
④https://zhuanlan.zhihu.com/p/628941028
⑤https://xueqiu.com/4927163759/141900794
⑥https://mp.weixin.qq.com/s/VzxCUo4rilxuWxl3XMWCpA
⑦https://mp.weixin.qq.com/s/VzxCUo4rilxuWxl3XMWCpA
⑧https://caifuhao.eastmoney.com/news/20220513083138832023510
⑨https://mp.weixin.qq.com/s/Vb15DxkYOk0D-W7_l0C2yA