被垄断的半导体MES系统及国产替代

　　01半导体MES基本简介

　　MES，即制造执行系统(Manufacturing Execution System)，是一

种集成了计划、监控和管理制造过程的计算机系统。它在生产过程中的各个阶段都提供了实时数据和信息，帮助企业管理和优化生产活动。在晶圆厂中，每片晶圆的生产、库存信息都要汇总到MES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。单来说，MES系统就如同晶圆厂的大脑一样。

MES不仅仅是半导体制造领域的重要工业软件系统，也同时广泛应用于显示面板、汽车制造、石化冶金等行业，是工业自动化的核心技术。但半导体MES领域，绝大部分12英寸晶圆厂系统被美国科技巨头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。

　　02上千步工序构成半导体MES壁垒

　　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。

　　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。

　　03应用材料和IBM垄断行业

　　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。

　　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MESFAB300系统，该系统可以支持超过50万个品圆运行，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PROMISMES产品。1996年，英国晶圆厂NewportWaferFab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)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PRIAutomaiton以4800万美元收购;2001年，PRlAutomaiton又被BrooksAutomation以70亿美元的价格收购。

　　2007年，应用材料以1.25亿美元收购BrooksAutomation下属的事业部BrooksSoftware，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BrooksSoftware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、FACTORYWORKSFAB300、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。

　　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。

　　04国产替代推动中国半导体MES厂商发展

　　在国产替代上，12时晶圆厂的MES国产化仍然任重道远，究竟为什么这么难?

　　重视度不够:相对于EDA等芯片设计软件，CIM系统一直处于价值被低估的状态。CIM中核心的MES系统只占晶圆厂总投资的1%，相比动辄上百亿的晶很难引发起行业重视，上游厂商更偏向于使用成熟方案以应对生产中各圆厂种问题。

　　准入壁垒高:CIM作为涵盖晶圆生产所有环节的工业软件，不仅需要开发者拥有过硬的软件实力，还要对每个生产环节了如指掌，并将二者无缝衔接在一起。更困难的是，半导体制造领域还存在诸多技术秘密(Know-how)，若非资深行业人士，很难踏入该领域。另外，半导体生产的工艺极其复杂，需要24*7不间断生产，宕机一次，wafer报废了，损失极大。所以FAB厂对于MES系统要求极詒婷襪聵殤悦，价格高昂也能接受。这导致国产MES很难在正规大厂获得磨练自己的机会。

　　含光伏制造、制药、半导体制造等)潜在市场增长份额为87.2亿美元;另据IDC报告显示，2021年中国MES总体市场份额约为38.1亿元人民币，这种情况下细分到半导体的市场份额可能会更少。不过，《IDC中国核心工业软件市场预测，2022-2026》报告预测，MES软件市场将从2021年的38.1亿元增长到2026年的108.1亿元，五年期年复合增长率为23.2%。

　　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

　　由于国产替代浪潮，国产半导体MES玩家也迎来了新的发展。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，国产MES系统老牌玩家获得了更大的支持，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。

　　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。