中国DRAM该如何突围?

2019-09-19
14:00:07
来源: 半导体行业观察


2018年,全球DRAM市场规模为1000亿美元,其中三星、SK海力士、美光三大巨头市场占有率超过90%,呈现寡头垄断态势。时值三大DRAM供应商垄断市场多年,价格飙升,居高不下;即使价格波动,比起以前DRAM价格一天崩跌30%,现在一季下不足10%。对系统厂商来说,真可谓天下苦秦久矣。





中国是一个半导体存储器的消费大国,消费了全球接近50%的存储器产能。但目前国内相关技术积累薄弱,自给能力基本为零,完全失去控制能力。《国家集成电路产业发展推进纲要》发布后,在关键核心技术国产替代浪潮的推动下,中国大陆迎难而上,开启对DRAM的战略布局,力争在这一高端产业上有所作为。就国家层面来讲,如何切入该行业,切入的力度和规模有多大,这需要有一个清晰的产业定位。





2016年立项的合肥长鑫已累计投入25亿美元研发费用,并投入巨资建成大陆第一座12英寸DRAM存储器芯片制造厂,技术和产品研发有序开展,并已持续投入晶圆超过15000片,目前其8GB LPDDR4产品经客户测试后,指标符合要求,预计年底量产;福建晋华通过和联电的合作,本已取得了相关技术,但由于和美光的诉讼,遭遇美国禁运,目前处于设备维持运转阶段;紫光集团于2019年6月30日宣布重启DRAM计划,组建DRAM事业群,委任刁石京为DRAM事业群董事长,高启全(Charles Kau)为DRAM事业群首席执行官(CEO),并于2019年8月27日和重庆市人民政府签署合作协议,在重庆两江新区发起设立紫光国芯集成电路股份有限公司,建设DRAM存储芯片制造工厂。





由于高投入、高风险性、长期性和超大规模等行业特点,回顾国际上其他地区的发展历史和经验,发展DRAM存储器产业一定是国家战略。尽管DRAM产业发展之路必将布满荆棘,但不管如何,中国大陆必定要拥有自身的DRAM制造能力。


中国DRAM该如何突围?




一、血腥的DRAM存储产业











1966年,IBM公司托马斯·沃森研究中心(Thomas Watson Research Center)的研究人员时年34岁的罗伯特·登纳德(Robert Dennard)博士提出了用金属氧化物半导体(MOS)晶体管,来制作存储器芯片的设想,同年研发成功1T/1C结构(一个晶体管加一个电容)的DRAM,并在1968年获得专利。





自1966年至今已经过去50年,DRAM市场累计创造了超过1万亿美元产值。企业间掺杂着你死我活的生死搏杀。美国、日本、德国、韩国、中国台湾的企业,怀揣巨额资金,高高兴兴地冲杀进来,却大都丢盔弃甲黯然离开。包括开创DRAM产业的三大巨头在内的无数名震世界的产业巨头轰然倒地;英特尔、德州仪器和IBM,也分别在1985年、1998年和1999年,凄惨地退出了DRAM市场。





DRAM存储产业发展的道路充满血腥味,大鱼吃小鱼是毫无商量的余地。下面简单回顾一下DRAM的血腥史。


中国DRAM该如何突围?



全球DRAM厂商历史变迁










2009年前的DRAM产业版图仍是战国纷争时期,全球DRAM供应商近10家,每一家都在豪赌,拼命盖厂扩充产能,然供需反转之际,价格有如自由落体般直线下滑,欧洲唯一DRAM玩家奇梦达(Qimonda) 在 2009 年宣告破产,黯然离场;2012年,日本唯一DRAM供应商尔必达(Elpida),搞“假破产”游戏,想逼迫债务银行,最后变成“真倒闭”。





也许奇梦达和尔必达的破产倒闭种下了今日全球DRAM产业寡占市场的原因。







1、美国篇









1969年位于加州的先进内存系统公司(Advanced Memory System Inc.)正式推出首款商业化1K DRAM,其首个客户是霍尼韦尔(Honeywell)。







1970年英特尔推出首款可大规模生产的1K DRAM芯片C1103,使得1bit只要1美分,从此开创了DRAM时代。1972年,C1103成为全球最畅销的半导体芯片,基于此英特尔成为一家拥有1000名员工,年收入超过2000万美元的公司;到1974年,英特尔占据了全球82.9%的DRAM市场份额。





1971年德州仪器(TI)采用重新设计的3T1C结构,推出了2K DRAM产品,1973年推出成本更低、采用1T1C结构的4K DRAM,成为英特尔的强劲对手。





1969年从德州仪器离职的工程师创办的莫斯泰克(Mostek)提出了CPU和DRAM集成的方案,并在1973年推出了针脚更少的4K DRAM,凭借低成本,在内存市场取得优势;1976年公司推出了采用双层多晶硅栅工艺的MK4116,容量提高到16K,一举击败英特尔,占据了全球75%的市场份额,到1970年代后期,莫斯泰克一度占据了全球DRAM市场85%的份额。





1978 年莫斯泰克的4名离职员工创立了美光,1981年自有晶圆厂开始投产64K DRAM。





1985年被DRAM折磨得遍体鳞伤的英特尔宣布退出DRAM市场;德州仪器在1998年将存储业务甩卖给美光后伤心地离开;1999年IBM将合资工厂出售给东芝后,凄惨地退出了DRAM市场。





进入2010年代,美光成为美国硕果仅存的一家存储器公司。






2、日本篇









1970年代的王者当属美国DRAM厂商无疑,但历史的车轮滚滚向前,历史的河流大浪淘沙,所以注定有一些东西远远地离我们而去。1980年的日本发力了,美国悲伤了。





1971年NEC公司推出了日本首个1K DRAM芯片,好像是紧追英特尔。但技术实力和产品性能与美国有着巨大差距,美国进入VLSI时代,日本还停留在LSI时代。





为攻破技术壁垒,1976年,由日本通产省牵头,以日立(Hitachi)、三菱(Mitsubishi)、富士通(Fujitsu)、东芝(Toshiba)、NEC五大公司作为骨干,联合通产省的电气技术实验室(EIL)、日本工业技术研究院电子综合研究所和计算机综合研究所,组建“VLSI联合研发体”,投资720 亿日元(其中日本政府出资320亿日元),攻坚超大规模集成电路DRAM的技术难关。1980年,日本VLSI联合研发体宣告完成为期四年的“VLSI”项目,研发的主要成果包括各型电子束曝光装置,采用紫外线、X射线、电子束的各型制版装置、干式蚀刻装置等,各企业的技术整合,保证了DRAM量产良率高达80%,远超美国的50%,构成了压倒性的总体成本优势,奠定了当时日本在DRAM市场的霸主地位。





于是,日本存储企业趁胜追击挑起价格战,DRAM芯片从1981年的50美元降到1982年的5美元。1984年,日本DRAM产业进入技术爆发期,通产省电子所研制成功1M DRAM,三菱发布4M DRAM的关键技术,日立开始采用1.5微米工艺生产DRAM,1986年东芝1M DRAM月产能超过100万片。





日本厂商疯狂冲击美国市场,美国DRAM厂商招架不住节节败退,1986年日本厂商在世界DRAM市场所占的份额达到了80%。





由于未能把握消费级PC时代,加上美国限制,1990年代初日本DRAM达到顶峰后,市占份额急速下滑,走向了衰落的开始。1999年,日立和NEC合并了他们的DRAM业务,成立了尔必达存储器,富士通也从面向大型机的DRAM业务中撤出。2001年东芝将DRAM业务卖给了美光科技。2003年,三菱电机的DRAM业务被尔必达吸收。





随着2012年尔必达的破产被美光收购,日本仅有的一家DRAM企业也不复存在。











3、韩国篇









进入90年代,存储器市场的迅速增长,日美两国的竞争,快速拉高了对技术、资金的要求。日本的胜出也让韩国人明白,后发追赶者势必要通过企业和政府的通力合作才能成功,否则单靠一个企业的力量将成为炮灰。





韩国聪明地借鉴了日本模式,举全国力量发展核心技术。韩国政府在1975年公布了扶持半导体产业的六年计划,强调实现电子配件及半导体生产的本土化。这无疑为未来韩国半导体产业的自主发展奠定了坚实的基础。





1986年10月韩国政府执行“VLSI共同开发技术计划”,韩国政府出资,由韩国电子通信研究所牵头,联合三星、LG、现代三大集团以及韩国六所大学,联合攻关DRAM的核心技术。随后三年内,该计划共投入1.1亿美元,政府承担57%的研发经费。





经由该计划,韩国DRAM企业开始从仿制、研发走向自主创新。1983年在美光和CITRIX的支持下,三星完成64K DRAM研发,1984年量产,落后美国差不多10年;1988年三星完成4M DRAM研发,仅比日本晚6个月;1992年三星完成全球第一个64M DRAM研发;1994年三星将研发成本提升至9亿美元,1996年三星完成全球第一个1GB DRAM(DDR2)研发。至此,韩国企业在存储芯片领域一直处于世界领跑者地位。





在美国的帮助下,1992年,韩国三星超越日本NEC,首次成为世界第一大DRAM内存制造商,并在其后连续蝉联了27年世界第一。





1999年韩国现代半导体与LG半导体合并,2001年从现代集团完成拆分,将公司名改为海力士(Hynix Semiconductor Inc);金融危机时,海力士陷入破产边缘,好在韩国财团的帮助和中国无锡的无私支持,加上SK的金援,海力士活下来了,并于2012年更名SK海力士。





目前,韩国持续在存储芯片领域发力,长期保持着世界第一存储芯片生产大国的地位。目前全球三大存储器公司,韩国独占两席。







4、台湾篇









芯思想公众号8月曾发布《大陆存储发展要避免重蹈台湾存储产业失败覆辙》一文,对台湾DRAM产业失败的原因有个初浅的讨论。





说到台湾的存储器发展史,可以追溯到1983年。茂矽和德碁(宏碁和德州仪器合资)被看作是台湾存储行业的起步标杆。





1990年,台湾启动了“次微米制程技术发展五年计划”,但由于台湾缺乏自主核心技术,只图快进快出,靠购买技术授权、制程设备来快速扩充产能、赚快钱的经营模式。





回顾台湾DRAM产业三十年发展之路,从逐步放弃自主研发,到完全依赖外国企业技术授权,再到代工模式遭遇金融危机重创,加上各大DRAM企业的技术授权不同,且各有盘算,无法形成统一体,最终落得满盘皆输。





2007年全球爆发经济危机,2013年茂德破产,力晶被迫转型晶圆代工躲过破产命运,华亚和瑞晶被近出售给美光,台湾几大玩家全军覆没,只留下南亚在苟延残喘。











5、欧洲篇









欧洲的飞利浦、西门子和意法半导体都曾涉足DRAM产业,都是和美资合作,但命运各不相同。





西门子(Siemens)的DRAM合作伙伴包括IBM和摩托罗拉(Motorola),先后成立多个合资工厂生产DRAM;1999年分拆半导体部门成立英飞凌(Infineon);2006年英飞凌将存储业务分拆成立奇梦达(Qimonda),2007年全球爆发经济危机,2009年奇梦达破产。当年全球第二大存储芯片公司仅仅存活了三年就灰飞烟散了。奇梦达虽然 已经成为过去,但是现在却成了香勃勃,其专利可望成为中国存储产业翻盘的利器。





飞利浦(Philips)在1994年与IBM合资设立 SubMicron Semiconductor Technologies GmbH,生产4M DRAM,并获得IBM的16M DRAM技术授权。但在1998年IBM退出DRAM市场后,飞利浦及时退出了DRAM产业。





目前,只有三星电子、SK海力士和美光科技,占据绝对垄断地位,在DRAM市场呼风唤雨,数钱数到手抽筋。





中国DRAM该如何突围?




二、中国发展DRAM恰逢其时













1、中国发展DRAM的储备








1956年1月,中国政府提出“向科学进军”,国务院制定科技发展12年规划,根据国外发展电子器件的进程,提出了中国也要研究半导体科学,把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。中国科学院应用物理所首先举办了半导体器件短期培训班,请回国的半导体专家黄昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制造技术和半导体线路;北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学开办了半导体物理专业,共同培养第一批半导体人才,如包括中国科学院院士、北京大学教授王阳元,中国工程院院士、原华晶集团总工程师许居衍,原电子工业部总工程师俞忠钰等。





1963年中央政府组建第四机械工业部,主管全国电子工业。此后,中国电子工业得到快速发展,上海和北京成为中国电子工业的南北两大基地。





1975年,北京大学物理系半导体研究小组完成硅栅NMOS、硅栅PMOS、铝栅NMOS三种技术方案,在109厂采用硅栅N沟道技术,生产出中国第一块1K DRAM。比美国、日本要晚五年,但是比韩国、中国台湾要早。那时韩国、中国台湾根本就没有电子工业科研基础。





1978年中科院半导体所成功研制4K DRAM,1979年在109厂量产成功;1981年中科院半导体所研制成功16K DRAM(比韩国晚两年);1985年中科院半导体所研制成功64K DRAM(比韩国晚一年);1993年无锡华晶制造出我国第一块256K DRAM(比韩国晚七年)。





1991年成立的首钢NEC,1995年开始采用6英寸1.2微米工艺生产4M DRAM(后来升级到16M);华虹NEC在1999年9月开始采用8英寸0.35微米工艺技术生产当时主流的64M DRAM内存芯片,由于市场环境恶化,2004年开始转型晶圆代工,退出了DRAM产业。NEC在中国的两大DRAM合资项目最终虽然以失败告终,但是为中国培养了第一批半导体存储器制造人才。





进入21世纪,中芯国际2004年建成在北京建设中国第一座12英寸晶圆厂(Fab4),2006年才大规模量产80纳米工艺,为奇梦达、尔必达代工生产DRAM。2008年由于中芯国际业务调整,完全退出了DRAM存储器业务,中国大陆也就完全退出了DRAM存储器业务。





2006年,海力士与意法半导体合资的8英寸和12英寸产线正式投产DRAM,目前已经成为SK海力士在全球最大的DRAM生产基地。同时为中国培养了一批产线工程师。





2006年,武汉新芯成立,和中芯国际签订了托管协议,由中芯国际给予武汉新芯以包括生产技术和人才在内的援助。最初决定生产DRAM,孰料工厂还未完工,就遭遇全球DRAM价格崩盘。武汉新芯果断放弃DRAM生产,而是转向NOR闪存产品。2008年9月,武汉新芯牵手飞索半导体(Spansion)半导体。其后飞索半导体向武汉新芯转移65nm、43nm、32nm相关生产工艺及技术,武汉新芯成为飞索半导体的重要生产基地,为其提供NOR Flash产品代工。2016年在长江存储入主后,适时进行了DRAM的研发。





2009年被浪潮集团收购德国奇梦达西安设计公司成立西安华芯,保住了一个从事DRAM设计十年以上的工程师团队;研发团队拥有从产品立项、指标定义、电路设计、版图设计到硅片、颗粒、内存条测试及售前售后技术支持等全方位技术积累,所开发DRAM产品工艺技术包括从110nm、90nm、80nm和70nm的沟槽技术到65nm、46nm、45nm和38nm的叠层技术;目前正在进行25nm代的产品开发。现在成为紫光存储的一部分。





2015年8月武岳峰创投收购利基型存储IC设计公司美商矽成(ISSI),矽成产品以中低密度DRAM、EEPROM、SRAM为主,应用范畴多在汽车、工业、医疗、网路、行动通讯、电子消费产品,矽成主要致力于95纳米与65纳米产品设计与研发,是存储芯片国产替代进程中竞争力较强的企业。即将并入北京君正。











2、中国集成电路技术的发展









我国目前已经具备技术和人才基础来进行DRAM存储器技术的开发。我国现在虽然没有DRAM产业,因为有过DRAM大规模代工的经历,有工艺基础,储备了相当多的制造基础人才。





更为重要的是现在DRAM的技术落后于逻辑工艺。以往都是DRAM带领工艺的进步,逻辑再跟上。现在台积电已经开始量产5nm产品,而DRAM工艺还停留在1Xnm阶段。





目前国内中芯国际和华力微已经掌握了2Xnm和1Xnm的量产技术,掌握了CMOS在1Xnm的器件工艺技术及先进金属互连技术,已经和目前最先进的DRAM工艺相当。





更主要的是中科院微电子所、清华大学、北京大学都有相当的DRAM存储技术和工艺的积累。







3、人才问题








进行DRAM开发,只需攻克存储器电容的形成技术。由于奇梦达的破产,尔必达、华亚、瑞晶并入美光,加上台湾DRAM产业的萎缩,国际上有相当可用的人才进行该项技术突破。



中国DRAM该如何突围?




三、中国发展存储的建议











考虑目前国际、国内存储器行业的现状,中国应该以国内巨大的市场需求为基础,以产品为突破,以建立IDM企业为目标,统筹规划,坚持长期投资,直到成功。






中国进入存储器产业的考量有三,



一是市场规模庞大,二是没有市场价格发言权,三是信息安全战略。三个因素,解决方案不一。但如果要想根本解决信息安全,中国只有实施技术创新、自主研发、自主生产的国家战略。






在战略层面,要中央统筹,整合各方资源。



首先大力招募高端技术人才,通过技术授权或者技术转移,筹建一条成熟的DRAM生产线(比如30-50nm工艺),在引进、吸收现有的成熟技术基础上,集成创新实现自主开发,逐步追赶先进工艺,直到超越。假如不能取得技术授权引进,自主开发也完全可行,只是所需时间会更长些。






其次积极布局新型存储器技术研究和开发,对目前的几个新技术包括RRAM、MRAM、PRAM等均应投入资金和人才研究,而不要停留在讨论那种技术未来可能胜出。只要能量产,总有用武之地。






在资金层面,必需坚持持续、长期、大量的投资。



如果我国定位于超越第一集团,扮演市场的领导者角色,需要达到30%左右的市场份额。对于DRAM存储器来说,目前的全球月产能接近200万片,也就是需要拥有6条月产10万片12英寸晶圆生产线。实现月产能60万片,先进DRAM晶圆厂的投资费用估计在1000亿美元左右,考虑现有技术的授权和吸收,生产技术的更新换代,新技术的研究和开发,总投资应该接近1500亿美元,并且这个投资是连续的、长期的。






在政策方面,由政府引导积极推进国产化战略,加大信息产业整机和芯片的国产化率,真正实现安全可控。



通过税收调控,引导和鼓励存储器产业的投融资,构建良好的产业环境。






在市场方面,国内的市场非常巨大,每年本地市场最少要消耗300亿美元的DRAM芯片。



在如此巨大的市场推动下,将能很好的发挥上下游的优势,改变目前DRAM国外垄断造成的被动局面。





只要肯登攀,事上无难事。希望国内存储界不要只是打嘴仗,要沉下心来,加强自主研发,走出一条中国自主的DRAM发展之路。




*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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