前 言
親愛的讀者朋友，您好！
非常幸運與您一起踏入半導體征程與AI智造新世界！無論您是半導體集成電路產業或工業軟件行業的從業人員，還是政策的諫言者或制定者，或是企業高管與專業人士，以及正加入到這一產業的投資者，希望本書可以幫助您一窺產業全貌，做出正確的決策。事實上，從2022年開始，無論是政府、投資機構，還是從業者，對新一代信息技術如何賦能半導體集成電路的發展都給予了高度關注和厚望。
從全球大國的科技與貿易博弈來看，美國近年一系列新的半導體產業發展政策相繼出臺，正試圖把美國拉回先進制造大國的行列。數字化時代先進制造的代表就是芯片，而美國發展這一產業的大量投資源頭便是中國，因為在過去的五年（20172022年），我國已成為世界最大的芯片消費國，為美國貢獻了巨額的利潤。制造與消費本是一對完美的上下游組合，但美國為了霸占科技鰲頭并把持最為豐厚的產業利潤，與其盟國在芯片領域持續打壓中國，以遏制中國在科技領域不可逆轉的崛起。芯片產業自主可控的戰略意義不言而喻，國務院2020年發布的相關數據顯示，我國芯片自給率在2025年要達到70%，而2019年的自給率僅約30%。近年我國芯片自給率不斷提升的成果，從海關總署的數據中可見一斑:2022年的前7個月，我國進口芯片數量為3246.7億個，同比下降11.8%，相當于減少了434億個。
從發展歷史來看，半導體集成電路產業最初是在20世紀60年代由軍工需求帶動而迅猛發展。根據IC Insights的統計，在近30年的時間里，半導體產業一直推動著全球GDP的增長。全球資本與產業智慧凝結于人類科技皇冠芯片，它也成為全球科技戰與貿易戰的中心。芯片難，難于在全產業鏈進行資源的配置與協同，其中芯片制造更在產業鏈中處于投資規模最大、建設周期最長、尖端技術最密、良率要求最高的高價值環節。缺失了先進制造能力的芯片產業鏈就如鐵嘴豆腐腳在全球產業鏈競爭中容易被對手卡脖子，跑不出應有的速度。
從軟硬件的組合來看，半導體集成電路是數字時代的硬件底座，而支持硬件智造與智能終端產品使用的軟件大致可分為兩類：操作系統的基礎平臺和各類應用程序。工業軟件作為集成電路的靈魂，最初也是隨著軍工需求與硬件同步發展起來的。如今，毋庸置疑的是，以數據科技（大數據）和計算科技（AI）為代表的新一代信息技術，正成為按下第四次工業革命快進鍵的新生力量。在芯片智造中，除了我們熟知的工藝、設備、材料等b備條件外，難以突破的還有工業軟件。工藝研發離不開專屬軟件，先進機臺設備都內嵌智控軟件，材料研發也需要通過軟件來分析、配比和升級。而打通這三類生產要素形成智能一體化的穩定生產環境，也同樣離不開工業智造軟件。隨著芯片的工藝制程不斷微縮并朝著原子級尺寸邁進，無論是芯片的制造廠商，還是芯片的設備廠商，都在大量運用新一代信息技術助力前沿科研、產品的設計研發和制造。新型信息技術正發揮著至關重要且愈發重要的作用，這是一條已在國際先進制造業獲得廣泛驗證、認同、推崇的b經之道，因此也被業界媒體稱為神秘的黑武器。但黑武器并不容易掌握或獲得，由于半導體及集成電路與國防軍工密切相關，西方在產業背后建立了強固的政治貿易壁壘c；加上行業競爭異常激烈、技術壟斷與霸權盛行，各廠商對核心技術研發和應用都是退藏于密；再就是專業領域知識的緘默性與抽象性提高了效仿和學習的門檻，使對手難以觸及和掌握。試圖打開這扇芯片的新一代信息技術智造之門正是本書的價值所在。
從新時代雙循環的格局來看，要參與全球競爭，勢b要先發揮自身優勢建立內部的閉環。在我國半導體集成電路產業的閉環格局建設中，與國際對手正面的競爭是無法回避的，這是我國持續、堅定、大力支持發展工藝、設備、材料方面自主可控能力的原因。但我們也要看到正面戰場的局限性與被動性。由于受《瓦森納條約》、總體產業投資規模及目前國內尖端人才短缺等諸多方面的客觀限制，在傳統賽道的后發跟跑策略并不能令我們獲得領先優勢。所謂以正和、以奇勝，通過數據科技和計算科技進行賦能，則可以充分借力并發揮我國在新信息技術方面自主可控的優勢，特別是近年已積累的海量數據及不斷精進的深度學習AI算法，可以對芯片的制造特別是先進制造起到四兩撥千斤的效果。
從宏觀來看，我國在芯片領域積極推廣和應用數據科技和計算科技的智造能力，已有了良好的政策、產業、技術與資本的基礎。
首先，2015年3月國務院首次提出推行國家大數據戰略之后，大數據及AI政策頻出，工業制造領域在利好形勢的引導和支持下，開始重視并挖掘數據科技和計算科技的巨大應用價值，跨界創新應用層出不窮，開啟了數智化時代。中國已成為全球AI強國之一，一貫嚴謹保守的半導體產業也參與了進來。之后在
2018年12月，中央經濟工作會議提出新基建，無疑將數字化轉型提到了戰略發展新高度。這并非只是一場技術革命，它與戰略融合，已成為行業或企業頂層設計的重要部分。
其次，數字化轉型在中國工業領域已走過數個年頭，工業制造領域已打下了計算機/現代集成制造系統（Computer/Contemporary Integrated Manufacturing Systems，CIMS）的堅實基礎。在2021年數字化轉型發展高峰論壇上，信通院發布的數字化轉型成果顯示：十三五期間，我國數字經濟增速超過了16.6%。產業數字化需要依靠企業實現，產業數字化聚焦的是傳統產業的核心生產場景，提高的是整個產業的競爭力和經濟水平。
最后，國家大基金一、二期共撬動萬億元的地方及社會資金大舉進入半導體產業，科創板等二級市場興起也為優秀科創企業鋪平了一條新的科研興國之路。半導體軟件領域的投資規模超前，速度驚人。雖然一、二級市場隨著行業周期與中美博弈而出現震蕩，但沒有人否認半導體集成電路將成為未來最為重要的數字化基建，它將推動全球從數字化到數智化再到元宇宙的發展進程，新技術、新概念、新機遇將層出不窮。
數據科技、計算科技與產業應用場景的深度融合，即半導體集成電路的產業數字化，是集成電路半導體企業本身技術發展的訴求與投資方向。此外，對于前瞻性的、行業共性的攻堅難題，也可以納入政府的專項中來，一方面可以立足于AI大數據等新信息技術專項，另一方面也可以立足于芯片先進智造專項。多年以來，半導體集成電路與AI是科技興國戰略發展的兩條線，新信息技術在半導體集成電路產業的加速應用推動了兩條戰略路線的融合。在半導體產業，工業智造軟件的投入與重型基礎設施的投入比起來只是九牛一毛，而可能產出的價值卻是巨大的。基礎科研不僅可以在工藝、設備、材料方面發力，也可以將生產要素與數據科技、計算科技融合起來，從而有望開創出一條更能發揮軟實力競爭優勢的、因地制宜的、揚長避短的、事半功倍的，對企業、產業甚至國家產生更大協同價值和溢出價值的新技術路徑。
工業智造軟件歸屬于工業軟件，但為了聚焦芯片智造技術的闡述并與國際產業界的統稱接軌，本書將使用工業軟件作為切入點，但更多會使用智造軟件來展開本書的主要內容。工業軟件作為一個應用廣泛、包羅萬象的集合，其中能轉化成商用的部分只是冰山一角，更具核心價值的專用技術往往秘而不宣（例如，美國波音公司研制了8000多種工業軟件，進行商業化向市場開放了不到1000種）。本書聚焦于龐大的芯片智造工業軟件體系中更具核心價值的部分，期望掀開其神秘面紗。第四次工業革命已經來到，工業軟件也迎來智能時代，傳統工業軟件是b備的生存之本，而智造軟件才是發展的制勝之道。對于產業界來說，由于采取不同技術路線的試錯成本太高，非頭部廠商極少開辟自己獨有的技術路線，一般做法就是沿襲頭部廠商的成功做法并進行二次創新。因此，了解這一維度的發展歷史、價值起源、應用現狀與未來趨勢對于我國的芯片制造廠商來說意義重大。
但是，智造軟件僅作為一類新的技術，并不是產業發展的護身符。技術與產業的結合應用，歸根到底還是靠企業來實施和推動。那些舉足輕重的領軍企業特別需要先試先行，它們一是有足夠的資本和資源，二是可以起到產業鏈的帶動作用。誠然，芯片產業整體上除了需要彌補工藝、設備、材料等硬件與智造軟件方面的短板外，還需要提升企業經營管理的水平。核心技術的背后是核心人才，核心人才的背后是文化與價值觀、圈子與利益，而跨文化管理又是國際化半導體公司的普遍挑戰。在半導體產業中，管理學流派似乎是被排斥在決策層之外的，因為需要依靠先進技術發揮競爭優勢。那么，半導體產業的管理模式與經驗真的與其他行業有天壤之別嗎？事實上，全球半導體領軍企業的實踐證明并非如此。在全球大型半導體企業的CEO中，華人占據的比例越來越大。無論他們出生于何處，都有著共同的特質：既有工于科技、樂在堅毅的專業能力，又有敏銳的市場前瞻與商業洞察。懂科學可以搞科研，唯有懂經營才能做企業。這可能也是全球十大芯片設計廠商中有八家的掌門人為華人的重要原因吧。半導體是一個充分參與全球激烈市場競爭的產業，除了要有技術，更要有創新的商業思維。拋開地緣政治和自然資源因素，半導體產業發展有兩大能力支柱：
（1）戈登·摩爾a在其摩爾定律中體現的持續性技術創新。按ITRS在2005年白皮書中的定義，又分化為后摩爾（More Moore）和超摩爾（More than Moore）兩大趨勢。
（2）張忠謀先生闡釋臺積電成功秘訣時談及商業模式創新的重要性。他與臺積電的成功給予了行業兩大管理思想的貢獻：其一是大家熟知的、始于1987年臺積電創立之時的晶圓代工模式Foundry，當然這一模式同時催生了Fabless；其二則更為重要，就是臺積電于2008年創立的開放式創新平臺OIP，以此發展出的臺積電大聯盟已成為全球半導體頂尖公司的盟友圈。如果說第一個商業模式創新是把晶圓代工從IDM中分出來，第二個則是通過聯盟的形式又合進去，從而形成一個全球化協同的虛擬IDM。30多年來，臺積電的成功就在這樣一分一合的商業模式創新中塑造起來，通過彎道超車一步一步令對手望塵莫及。
在這里我們強調企業管理的價值，除了如上的原因外，更重要的是數字化智造意味著一場制造的變革，它涉及公司內部的倡議、先試先行的預算投入、人才與團隊的配置、對跨界融合創新的鼓勵以及對初始失敗的包容等，它不僅是一個技術問題，更是一個戰略問題。數字化賦能智造是一項戰略任務，對芯片制造業來說是實現戰略目標的重要支撐力量，決策層只有在這個方面達成共識，并由主要負責人掛帥，數字化智造變革才能成功，這并非只是IT部門的工作。
從宏觀的產業鏈發展與全球市場競爭來看，中國的情況與美國不完全相同，硬拼傳統賽道的工藝、設備、材料等技術也可能落入追趕者陷阱，因此需要發揮我國特有的制度優勢、管理優勢和新一代信息技術優勢，在某種程度上甚至可以通過工業智造軟件來彌補硬件的不足。換句話說，就是把握機遇 技術領先 管理卓越。除了產業機遇之外，我國的制度優勢為產業發展創造了前所未有的機遇；而技術創新的源頭是解放的思想，這包括本書倡議的數智化跨界創新；商業成敗的源頭是決策，正確的決策則需要卓越的管理。芯片制造業由于精細的分工，行政權力被約束在尊重科學與客觀數據、掌握關鍵信息并集體決策的框架內，更多的共識與協力是國際化團隊特別需要加強的。因此，我們還是強調，在芯片智造的轉型中，需要把握機遇、技術領先、管理卓越三者的結合。
所以，本書的主要內容也分成這三個部分：
第一篇是機遇篇，闡述歷史機遇與產業歷程，包括半導體產業在過去一個世紀中帶給全球經濟發展的機遇，以及大國在半導體機遇中的競合與博弈歷程。
第二篇是技術篇，闡述交叉跨界技術創新，以及新一代信息技術在半導體產業正發揮的、愈發重要的作用，這涉及芯片設計、制造、封測，也包括芯片制造設備廠商的應用實踐與重要成果。
第三篇是管理篇，展望未來產業發展，包括如何看待和理解半導體芯片產業在21世紀的爆發式增長，以及從產業發展管理及企業管理的視角出發，闡述如何更好地實現智能制造的升級管理。
在資本與科技密集的半導體產業，技術通常是第一位的。但是在一個以領軍企業為龍頭的產業鏈競爭中，b須認清和把握時代機遇，順勢而為，同時充分提升現代科技企業的管理水平并優化治理結構，才能更好地培養和發揮技術優勢，實現領先和超越。
我們正沿著20世紀工業化的步伐邁向21世紀的數字化、數智化和智人化，如果說我們在半導體過去30年的發展中忽略或錯過了一些重要機遇，那么現在是我們樹立遠見卓識，更好地把握半導體未來10年輝煌發展的關鍵時刻。從第四次工業革命中提出的信息物理系統（Cyber-Physical System）到工業4.0的數字孿生（Digital Twins），再到元宇宙（Metaverse）……這一切都因芯片的發展成果而生，又推動芯片自身邁向更輝煌的未來。實現芯片強國夢是志在b得、砥礪奮進的征程。在半導體領域，從來少有投機取巧的一本萬利，也鮮見文人騷客的閑情逸致，更無一廂情愿的天馬行空，只能靠扎實的內功。
最后，由于半導體芯片產業涉及的知識紛繁復雜，本書作為在該領域的一次探索性嘗試，b然存在錯漏與不足之處，特別是由于地區差異造成的專有名詞的不同叫法，容易翻譯錯誤或引起誤讀。因此，您的任何批評、糾正和建議將是我們的寶貴財富！
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謹以此書獻給在半導體時代繼續同行的我們！
李海俊
目 錄
第1篇 機遇篇：半導體芯片全球進程與智造機遇
第1章 集成電路推動全球GDP增長與工業革命 2
1.1 集成電路推動全球GDP增長三十年與中國成就 2
1.1.1 半導體集成電路一直所處的戰略領地 2
1.1.2 俄羅斯集成電路產業現狀與未來電子戰 18
1.1.3 我國軟件與集成電路行業發展的三個十年 20
1.2 工業革命與不死摩爾定律 26
1.2.1 五次工業革命與半導體發展 26
1.2.2 不死摩爾定律正從納米深入埃米 34
1.2.3 投資成本增勢與產能預期 38
第2章 美國科技制裁與中國自主替代 43
2.1 美國科技長臂管轄45年 43
2.2 美國白宮科技智囊與半導體軍工組織 46
2.2.1 政府：近90年白宮科技智囊及其盟國科技智囊 46
2.2.2 軍工：DAPPA引領科研66年 51
2.3 憑使命改宿命、靠替代對制裁 56
2.3.1 國家科技咨詢委員會智囊團呼之欲出 56
2.3.2 政、經、金、產四位一體推動集成電路行業發展 58
2.3.3 《中國制造2025》中的集成電路 63
2.3.4 中國行業巨頭的跨界重塑 67
第3章 集成電路與新信息技術交叉融合的智造機遇 73
3.1 智造工業軟件生逢其時 73
3.1.1 制造強國必強于工業軟件 73
3.1.2 工業軟件支撐起全球最強工業企業 77
3.1.3 智造工業軟件是半導體發展的黑武器 83
3.2 智能2芯片與AI的交叉賦能 89
3.2.1 AI芯片引燃半導體產業爆發 89
3.2.2 AI是半導體智造的軟核心 93
3.2.3 集成電路與AI的互促成就 97
3.3 AI應用于集成電路的投資回報分析 100
第2篇技術篇：集成電路與New IT的跨界融合與智造技術
第4章智造軟件持續加碼全球半導體制造 106
4.1 開啟先進半導體智造之窗 106
4.1.1 臺灣的AI智造與競爭基礎：工業3.5 106
4.1.2 從生產自動化邁向工程自動化 111
4.2 半導體智造軟件的極致力量 114
4.2.1 半導體制造三大極致挑戰 114
4.2.2 工業互聯數據匯聚的平臺化 122
4.2.3 數據科技在半導體制造中嶄露頭角 125
4.3 智能學習倉庫與數字孿生 131
4.4 智造軟件提升芯片制造的KPI 134
4.4.1 良率是晶圓生產的生命線與終極挑戰 134
4.4.2 數據科技應用于制程良率管理 135
4.4.3 AI模糊神經網絡賦能良率預測與生產排程 139
第5章智造軟件為半導體產業提供全程價值 144
5.1 頭部半導體廠商對AI應用的洞察144
5.1.1 英偉達 145
5.1.2 科磊 146
5.1.3 泛林 147
5.1.4 歐洲微電子研究中心 148
5.1.5 邁康尼 150
5.2 半導體服務廠商的智造方案 151
5.2.1 DataProphet的AI即服務方案 151
5.2.2 Onto Innovation的創新數據驅動解決方案152
5.2.3 D2S的GPU加速方案 154
第6章 來自世界頭部半導體制造廠商的智造驗證 156
6.1 英特爾20年的AI智造之路 158
6.1.1 AI在英特爾整廠應用的方法論 158
6.1.2 優化AI應用排序以提升商業價值 159
6.1.3 英特爾實現AI智造的典型案例 161
6.2 臺積電11年的AI智造與大聯盟OIP168
6.2.1 臺積電的智造戰略 169
6.2.2 臺積電的智造案例 178
6.2.3 臺積電向客戶提供的虛擬晶圓廠 184
6.2.4 臺積電大聯盟的開放式創新平臺 185
6.3 中芯國際的10年智造之路 193
6.3.1 2011年打造云端工廠的成果 194
6.3.2 2018年關于實施智能制造戰略的成果 196
6.3.3 2020年打造中芯國際工業互聯網平臺 198
6.4 其他知名半導體廠商的智造實踐 199
6.4.1 格芯 199
6.4.2 美光 200
第7章 來自世界頭部半導體設備廠商的智造驗證 202
7.1 阿斯麥是卓越的工業軟件公司 202
7.1.1 智控軟件是光刻三十年來的靈魂 203
7.1.2 阿斯麥擁有世界最大開放軟件社區 204
7.1.3 智能軟件應用場景及案例 205
7.1.4 EUV光刻機與 F-35隱身戰機 207
7.2 應材的軟硬一體 209
7.2.1 AI賦能晶圓缺陷檢測 210
7.2.2 AI賦能晶圓制造產能爬坡及良率提升 211
7.2.3 AI賦能晶圓制造走向無人化自動駕駛 213
7.2.4 應材的全自動化半導體工廠方案 215
7.3 泛林的設備智能 217
7.3.1 泛林設備智能 217
7.3.2 數字孿生/數字主線 217
7.3.3 虛擬工藝開發、智能工具與數字服務 218
第3篇管理篇：未來科技與產業發展借鑒
第8章未來科技與半導體智造 222
8.1 超級人類與未來科技222
8.1.1 從增長的極限到超級人類 222
8.1.2 中國十四五規劃的七大前沿科技 228
8.1.3 歐美未來科技預測及策略 233
8.2 半導體智造的遠景方略 235
8.2.1 半導體未來十年發展與挑戰 235
8.2.2 半導體智造方略 237
8.2.3 面向未來的工業4.0晶圓工廠 241
8.2.4 5G在半導體領域的前瞻性應用 244
第9章半導體產業展望及工業4.0創新 246
9.1 美國半導體行業組織管理借鑒 246
9.1.1 SIA推動美國半導體產業發展 246
9.1.2 SEMATECH推動美國半導體制造 247
9.2 半導體工業4.0轉型中的關鍵管理 250
9.2.1 數字化冠軍企業轉型的戰略定位 250
9.2.2 數字化冠軍企業轉型的變革管理 252
9.2.3 英特爾、臺積電與三星的創新轉型案例 253
9.3 半導體產業工業4.0轉型的框架應用 262
9.3.1 TV工業4.0成熟度模型九宮格 262
9.3.2 EDB工業智能成熟度指數 264
9.3.3 IMPLUS工業4.0成熟度自評 267
結語 270
致謝 272
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