把中芯推到风口浪尖的国产化项目到底是个啥?

涉及核心制造数据处理

羿阁 萧箫 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

风口上的“硬科技”芯片行业,这两天竟然因为软件闹得沸沸扬扬。

起因是一则爆料称:中芯国际正在北京建的12英寸晶圆厂,在关键的软件项目上陷入了停摆。

要知道,这个晶圆厂光是总投资就接近500亿,如果2024年能建成,月产能会达到10万片。(不少晶圆厂月产能在5万片左右)

结果现在一期项目还没完成,就被叫了暂停?

就在网友吐槽软件开发商不靠谱时,意外的反转来了,“当事人”上扬软件否认项目停摆

中芯国际北京项目并未暂停,上扬团队仍在为其进行软件开发。

随后,有网友在上证e互动就此事问中芯国际,得到回应称“目前使用的各种生产运营软件均正常运行。”

所以话说回来,这次事件中能让晶圆厂“停摆”的软件项目,究竟是什么?

这个软件,指的是晶圆制造厂中的CIM系统

CIM(Computer Integrated Manufacturing,计算机集成制造系统),相当于晶圆制造厂的“控制大脑”。

在国内已经投产的12英寸晶圆代工厂中,绝大部分CIM系统采用的都是国外的方案,主要来自IBM和Applied Materials(应用材料)等公司。

此次中芯国际新建的12英寸晶圆产线,则是希望能将CIM系统国产化,做到国产替代。

所以,将CIM软件国产化,对于建设12英寸晶圆厂产线究竟有多重要?

为什么晶圆厂寻求CIM国产化?

CIM在半导体制造环节的重要性,类似于设计环节的EDA软件

它贯穿了晶圆代工的每个关键环节,用于管理整个晶圆制造流程、改进生产方案,实现成本控制。

当然,这并非单一的某项技术,它包括了MES(制造执行系统)、SPC(统计过程控制系统)、APC(先进制程控制)、DAS(缺陷分析系统)等数十种软件系统。

MES是面向晶圆制造厂执行层的生产信息化管理系统,控制和管理着芯片制造的全过程;APC需要实时调整生产工艺配方的参数,以达到控制制程质量、提高产品良率的目的;

SPC负责收集生产数据,根据已设置的规则,判定数据是否超出生产要求规格;DAS能追踪、管理良率相关的品质异常,提高生产效率、让产出更稳定……

显然,CIM系统中涉及大量核心数据的处理。

从目前国内普遍采用的CIM系统来看,大部分晶圆厂的数据处理、甚至部分核心数据还是得被国外厂商“拿捏”。

例如针对良品率的监测和报告,部分CIM系统会直接测量各个生产流程的良率,并通过给定公式计算出总良率,及时调整生产流程,然而总良率往往是厂商机密。

对于造价千亿人民币级别的12英寸晶圆厂来说,不仅需要追求生产的稳定性和安全性,国内厂商还要额外考虑一个问题:这几年来,国外对国内的芯片技术制裁也逐渐严重。

因此,随着国产替代的呼声渐高,许多中国厂商开始进入CIM赛道。

比如,此前中芯国际已经与上扬软件在绍兴合作,完成了8英寸产线的国产化,目前国内8英寸产线的CIM系统,也已经有不少采用了国产厂商的系统。

然而,12英寸晶圆的CIM系统,目前国内还只有上扬软件、赛美特、芯享科技等部分企业有能力涉足。

(PS:这里的8英寸、12英寸,指的就是硅片的直径尺寸)

据芯东西介绍,尽管上扬软件拿下了中芯绍兴的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。

但在推出12寸产线国产化CIM系统(myCIM 4.0)后,2019~2020年两年里,上扬软件仍然连续三次在国内12英寸产线评估中失败。

△图源上扬软件官网

此外,从项目建设时长来看,中芯深圳的12英寸晶圆厂去年开建,今年就能完工;但有国产化CIM系统计划的中芯京城项目,从2020年开建,预计到2024年才完成一期。

所以话又说回来,对于国产CIM系统而言,为什么从8英寸扩大到12英寸晶圆产线要做这么久?

12英寸晶圆CIM项目难在哪?

这件事,还得从技术开发人员产能要求这几个方面来看。

首先,从技术角度讲,12英寸晶圆产线对系统稳定性的要求提升了很多。

这也与在12英寸晶圆上投放的制程相关——更先进制程的产线,往往会更倾向于投放到更大的晶圆上。

据知乎匿名用户介绍,目前8英寸晶圆基本上只能满足90nm芯片的投产。至于28nm、14nm甚至是7nm的芯片,基本只能在12英寸晶圆上实现。

也就是说,无论是光刻机、刻蚀机台、炉管等设备,在设计28nm以下制程芯片时,只会按12英寸晶圆的尺寸去设计。

以光刻机为例,不仅8寸和12寸转速差异大,光刻胶厚度比8寸调节范围更小、对准也有大幅变化。

这会导致两个问题。

一是更先进制程的芯片,对晶圆良率、设备控制精度的要求就更高,对于管理这些设备的CIM系统而言,其稳定性的要求也随之变高。

二是随着制程的提升,CIM需要处理的数据量也在不断提升。

据Applied Materials介绍,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,以此类推。

△图源extremetech

目前已经有部分CIM厂商考虑采用AI和大数据提升系统智能化程度,但基本都还处在探索阶段。

此外,CIM对于开发人员也提出了更多的技术要求。

据知乎匿名用户介绍,并不是会写代码的就能去CIM部门,而是需要对芯片生产流程非常了解,否则写出来的东西不能用。

最后,除了技术以外,项目的产能要求也让CIM设计变得更复杂。

虽然早在此前,中芯国际已经有不止一个12英寸晶圆厂投产,包括上海和北京等;而中芯深圳12英寸晶圆厂也将于今年建成。

但从目前来看,中芯国际已经投产的晶圆厂,产能仍然不算高,如中芯深圳的产能预计在每月4万片12英寸晶圆。

而中芯京城的产能要求,则是达到了每月10万片12英寸晶圆,从设备数量、产线管理等角度来说,需要设计的系统也会更加复杂。

△中芯京城一期工程项目建设现场 图源:北京亦庄

无论中芯国际这一项目是否能顺利完工,回到芯片软件项目国产化本身,这都是一条必须要走的路。

参考链接:
[1]https://www.extremetech.com/extreme/155588-applied-materials-designs-tools-to-leverage-big-data-and-build-better-chips
[2]https://smic.shwebspace.com/uploads/627d0016/ER_SC.pdf
[3]https://www.zhihu.com/question/65706969/answer/2166861260
[4]https://zhidx.com/p/316589.html
[5]https://www.sohu.com/a/357718033_652743
[6]http://www.cena.com.cn/semi/20210318/111085.html
[7]https://ee.ofweek.com/2021-02/ART-11000-2801-30487049.html
[8]https://www.eet-china.com/mp/a30247.html
[9]https://www.zhihu.com/question/406672027/answer/1393771464

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