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存储芯片产业发展深度解读

* 来源 : * 作者 : admin * 发表时间 : 2019-10-07

中国发展存储芯片产业的重要性不言而喻。目前,全球半导体市场规模约4000亿美元,其中约有1000亿美元为存储芯片。中国每年2000亿元集成电路进口额中约30%为存储芯片。自2019年以来我国投资建设的存储芯片基地陆续进入量产阶段。可以这样说,2019年-2020年是中国存储芯片产业化的一个关键节点,关系到未来中国存储产业的成败。从半个世纪的存储器历史中可以发现,成功的存储器行业区域大转移有两次,即80年代从美国转移到日本,以及90年代从日本转移到韩国。中国是否有机会成为新一轮存储芯片产业发展的基地之一?观察国际存储产业的发展历程,可以获得一些对中国发展存储产业的启示。

一、全球存储芯片发展历程

半导体存储芯片的最大贡献是解决了海量信息的存储问题。电子计算机的存储器最初是机电装置(如继电器),后为磁性介质(如磁鼓、磁带、磁芯)。但磁性介质存在体积大、质量大、存储量小的弊端。1967年7月,同时发明了两种半导体存储器:一是在IBM工作的登纳德发明的动态随机存取存储器(DRAM),二是在美国贝尔实验室工作的华裔科学家施敏和韩裔科学家姜大元发明的非易性半导体存储器(NVSM)。此后,日本东芝公司舛冈士雄的闪存芯片(Flash Memory)正是在NVSM原型基础上开发出来的。1969年,Intel研制成功64bit双极静态随机存取存储器(SRAM)芯片C3101。几个重量级技术的成功开发开创了半导体存储器的先河,成为存储芯片开发的奠基时期。

1970年,英特尔采用12μm工艺开发的1kB DRAM(C1103型)问世,并实现了大规模量产,使其商品化,使得1bit只要1美分,开启了DRAM的产业化时代。1972年,C1103成为全球最畅销的半导体芯片。到1974年,英特尔占据了全球82.9%的DRAM市场份额。在英特尔集成电路产品几十年的发展过程中,随着市场的发展和竞争对手的压力,其主流产品经历了几次调整。英特尔早期的产品主要是各种类型的存储芯片,如SRAM和DRAM。尽管英特尔从70年代初开始开发微处理器产品,但是至今为止仍然没有放弃存储产品的生产与开发。比如其在下一代存储芯片3D Xpint上就投入了大量的资源。


除英特尔外,德州仪器在1971年推出2K DRAM产品,1973年将单颗DRAM存储容量提升到4k。1969年从德州仪器离职的工程师创办了莫斯泰克(Mostek)公司。该公司于1976年推出采用双层多晶硅栅工艺的DRAM芯片,将容量提高到16K,一举击败英特尔、TI公司,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。进入2010年代,美光成为美国硕果仅存的一家存储器公司。

20世纪70年代,全球存储芯片产业的中心在北美,凭借率先研发的技术优势,以及良好的科研环境和强大的科研基础,美国主导着整个DRAM产业。不过,随着日本企业在存储芯片领域的发力,1980年代产业的主导权逐渐转向日本。


日本的DRAM基本与美国同时起步。1972年日本研制成功1 kB DRAM,基本与英特尔公司同时推向市场。1976年,由日本通产省牵头,以日立、三菱、富士通、东芝、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,共同研究集成电路的微细加工技术。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。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。1986年,日本DRAM企业的市场份额达到近80%。在很长一段时间,全球半导体企业排名前三位都是由NEC、东芝和日立包揽。而美国企业的份额已不足20%。

由于20世纪80年代出现的美日经贸冲击以及其他一些自身原因,1990年代日本企业在DRAM的市占份额急速下滑。1999年,日立和NEC合并了他们的DRAM业务,成立了尔必达存储器公司。2003年,三菱电机的DRAM业务也被尔必达吸收。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。

韩国半导体起步晚于日本。1983年三星推出64K DRAM,1984年量产,与国际领先水平差4年。1990年代,日本处于“失去的十年”,韩国在存储领域乘机兴起取代日本。1992年,三星与美日企业同年推出64M DRAM,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处于世界领跑者地位。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);2012年更名SK海力士。


纵观存储器行业半个世纪以来的发展历程,大致经历了三个阶段:1970年代的起步阶段以美国为中心,1980年代的的发展阶段以日本为中心,1990年代至今的成熟阶段以韩国为中心,在整个过程中,产业经历了两次大的区域转移,即80年代从美国转移到日本,以及90年代从日本转移到韩国。到了21世纪产业已经进入寡头垄断阶段。巨头瓜分了9成以上市场。NAND产业由三星、东芝/西数、美光/英特尔、海力士四大阵营垄断,DRAM产业更是由三星、海力士和美光三分天下。

台湾存储芯片采取的代工合作模式并不成功。早期台湾通过合作取得授权,如1989年PC厂商宏碁与德州仪器合资成立台湾第一家DRAM厂德碁。众多海外华人回到台湾投入DRAM产业,在与工研院电子所合作下,台湾拥有了自主DRAM技术。1994年台积电牵头率同十几家公司成立世界先进,发展台湾自主的DRAM技术。然而台湾DRAM没有像日韩一样实现反超。2000年世界先进退出自主研发DRAM业务标志着台湾自主之路的夭折,台湾DRAM逐渐转为代工,如茂德技术来自于海力士,力晶来自于尔必达,南科、华亚科技术来自于美光。代工业在台湾非常发达,在自主创新之路不利之后,转向代工有其一定的逻辑性。但是从历史来看,代工并非存储产业发展的主导模式,目前,台湾只在存储产业中占有很小的份额。

欧洲存储芯片公司奇梦达曾经一度辉煌。西门子投入DRAM生产,曾先后与IBM、摩托罗拉成立多个合资工厂。1999年,西门子分拆半导体部门成立英飞凌;2006年英飞凌将存储业务再度分拆,成立奇梦达。在经过一系列投资后,奇梦达一度成为全球第二大存储芯片公司然而,2008年全球爆发金融风暴,DRAM价格从2006年的6美元一颗跌到2009年的0.6美元一颗,全球DRAM行业出现巨亏,直接导致欧洲的奇梦达于2009倒闭。

二、中国存储芯片发展状况

人们常说现在的中国存储芯片产业是从零基础做起。其实这话并不尽然。其实中国在存储产业上是有一定积累的。

1965 年,河北半导体研究所召开鉴定会,鉴定了第一批国内研制的晶体管和数字电路,标志着中国第一块集成电路研制成功,开始跻身国际IC领域。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,但是比韩国早。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;1985年中科院半导体所研制成功64K DRAM。

王阳元领导的课题组研制成功第一块三种类型的1024位MOS动态随机存储器

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。中芯国际建成之初也是进存储芯片的代工生产,2006年在北京建成第一座12英寸晶圆厂,实现大规模量产,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。上述努力虽然基本失利,但是为中国培养了一批熟悉存储芯片生产的工程师。

除此之外,目前中国也存在一些企业进行存储芯片的生产制造或者设计开发,为中国存储芯片发展提供了一定的基础。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,遭遇全球DRAM价格崩盘后,武汉新芯放弃DRAM生产,转向NOR闪存产品。

2009年奇梦达在西安的设计公司被浪潮集团收购成立西安华芯,保住了一批从事DRAM设计的工程师团队;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。现在成为紫光存储的一部分。

兆易创新于2005年成立,2008年推出SPI 接口NOR闪存。目前已经成为 SPI 接口 NOR Flash 领域的领先厂商之一,市场份额达到全球第三。

2015年8月武岳峰创投收购利基型存储IC设计公司矽成(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。

目前最具希望做大做强中国存储芯片产业的厂商是长江存储、合肥长鑫和福建晋华三家公司。国家集成电路产业投资基金和紫光集团共同投资的长江存储初期定位于3D NAND生产,后期将扩展DRAM产品的开发。合肥长鑫主要生产移动式DRAM内存芯片,于近日宣布投产。福建晋华与联电合作,由后者协助开发DRAM存储芯片技术,但受制于与美光间的法律案件,公司目前处于停摆状况。

上述三家虽然各有进展,但是与国际存储巨头相比,差距极为巨大,市场分析机构预计,至2021年中国企业市场份额仍将不足5%。这三家公司目前存在的问题,一个是技术差距,另一个是制作水平的薄弱。2019至2020年将成为中国存储器发展的关键年,希望在强有力的政策支持下,加上国内厂商的不懈努力,中国存储器能在不久的将来真正引领世界。


三、关于中国存储芯片产业发展的建议


就存储器产业而言,要想发展壮大,在国际市场中发挥影响力,先进的工艺技术、知识产权和大规模量产能力都是必要条件。而这些条件至少需要10年时间或许才能形成。由此可见,存储器产业的进入门槛相当高。中国存储芯片仍有很长一段路要走。

首先,自主创新是成败的关键所在。作为后进者,尽管中国存储产业的发展,特别是在初期阶段,需要国家的大力支持。但是政府的力量只能是协助,而不能成为依赖。自立自强始终是企业成败的关键,这是中国半导体产业几十年发展得出的经验。

考虑到整个产业形势,在未来相当长的一段时间内,中国存储产业必须是一个踏踏实实的“跟随者”与“学习者”,同样又要争当一个与产业共同进步的“贡献者”。与逻辑芯片不同,存储芯片具有高度标准化的特性,且品种单一,较难实现产品的差异化。这导致各厂商只能集中在工艺技术和产业规模上比拼竞争力。中国企业要想在与国际巨头的竞争中不落后,就必须拥有第一线的技术、工艺水平。这也是长江存储开发Xtacking,长鑫存储致力于消化吸收奇梦达技术并进一步发展的意义所在。只有拥有核心技术,才能取得与国际巨头同场竞技的机会。

目前,3D NAND工艺技术已经推进到96层,明年128层有可能会成为主流;在DRAM方面,DRAM主流的还在18nm工艺,其中18nm属于1X nm节点(16-19nm之间),后面的1Y nm则是14-16nm之间,1Z大概是12到14nm。再之后,还有1α及1β工艺。中国企业必须加快赶上来。在巨头竞争的市场中,满足于二线地位就意味着被淘汰。

EUV光刻工艺是当前存储行业关注的重点之一。今年台积电、三星都在逻辑芯片生产中引入了EUV,量产7nm产品。存储芯片对于采用EUV并不如逻辑芯片那样迫切,现有的多重图形曝光技术在成本上仍然更加有优势。不过有消息称,三星已在探索在DRAM芯片中的应用。中国企业也应前期会投入,进行相关工艺的探索和开发,不能输在起跑线上。同时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,如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。

其次,国家的支持必不可少。从美国、日本、韩国的经验可以看出,存储芯片产业的发展,政府都发挥了重要作用。比如日本通产省牵头组建“VLSI联合研发体”,对存储芯片技术的开发,比如韩国公司在韩国国有银行支持下,以低廉的资金成本,采用最新的技术大量建厂,通过规模化降低成本,进行“反周期投资”挤压对手。中国存储芯片产业的发展也离不开国家的支持,在战略层面,整合各方资源,从资金、人才给予支持,以求在技术工艺上尽快实现突破。同时也要注意,国家支持不能代替企业行为,任何决策都要以市场为依据。

第三,存储产业由IDM厂商主导这是行业的大趋势。目前,行业内对于存储芯片发展模式仍存有一定讨论。IDM是主流的存储企业发展模式。三星、SK海力士、美光等无一例外都是IDM厂商,都有自己的晶圆制造厂与封测厂,产业布局相当完善,而且整个存储产业中几乎没有独立的Fabless厂商。这是因为存储器是高度标准化的产品,难度是提升存储密度。制造难度在于设计者与制造者之间的协高和交流必须十分频繁,且存储企业往往需要严格把控核心技术,代工模式很难做到这一点。此外,随着工艺技术水平的提升,存储芯片生产线的建厂成本呈指数级增长,新工艺的研发需要大量的人力和财力支持。IDM企业所得利润比分工模式更集中。

第四,应当建立本土的分析市场机构。从历史发展经验来看,存储器产业是一个周期波动的产业。行业处于上行周期时,各厂商不断引入新工艺缩小产品尺寸,并扩厂增加产能。而处于行业下行周期时,各厂则不断降价出货以努力维持市场份额,厂商扩张产能,技术迭代等因素导致市场供应出现剧烈波动,造成市场特殊的周期性风暴。在我国将发展存储器产业作为国家战略的大背景下,考虑到存储器产业本身的周期波动和不确定性,以及长期大投入、高风险特性,因此,应当尽快建立并完善行业定期监测分析和预警机制,无论从国家层面还是从产业层面,都是一件非常有意义的事情。