半导体存储芯片分类浅述

公平竞争,中国半导体人没有怕过谁。

半导体存储芯片分类浅述

提到存储器,我们不会陌生,最早我们听的CD,看的DVD就属于光学存储器。以前老式电脑用的方形磁盘,软盘就属于磁性存储器。但也有可能现在很多年轻人对这些老古董没有概念,特别是CD和软盘,现在已经很难在市场上看到。因为无论是光学存储器还是磁性存储器都干不过半导体存储器。半导体存储器以其稳定的质量,高速的存储速度,相同存储容量下更小的体积,可选择性更广的存储容量和存储应用种类等优点逐步发展成为目前应用领域最广,市场规模最大的存储器件。

NANDFlash

海力士韩国新FAB厂

和易失性存储芯片对应的就是非易失性存储芯片,很容易理解就是在断电后一样可以持续保存数据信息的存储芯片。比如我们日常生活中普遍使用的U盘和移动硬盘,就是典型的非易失性存储芯片产品。非易失性存储芯片可以分为闪存,就是FLASH和只读存储器两大类。Flash是市场主流,其又可以按存储单元结构和原理的不同分为NANDFLASH和NORFLASH。NAND是NOTAND的缩写,代表是与非,NOR是NOTNOR的缩写,代表是或非。两相比较,NANDFLASH的存储单元尺寸更小,密度更高,单位容量成本更低,读写速度快,具有更长的寿命,被大量应用在电脑,手机,固态硬盘,服务器等领域。这种属于非易失性存储芯片的NANDFLASH和前面提到的属于易失性存储芯片的DRAM,这两种存储芯片就占了全球半导体存储芯片市场规模的97%。

时任美国司法部长JeffSessions在新闻发布会上宣布对盗取美光商业机密的一家中国公司采取刑事执法行动

而这1538亿美元的全球半导体存储芯片市场,基本被几家外资半导体大厂瓜分,全球存储芯片市场进一步集中。同时我国作为半导体集成电路消费大国,2021年全年进口半导体集成电路4326亿美元,位居单一商品进口额第一。其中存储芯片进口总额1196亿美元,占全年半导体芯片进口总额的27.6%。可以说中国每年买了全世界生产的存储芯片一半的量。中国政府和企业为了扭转这一局面,近二十年投入了大量的资金和人力,也受到了以美国为首的西方国家和头部存储厂商的打压,从早年的福建晋华案,到最近的对长江存储和长鑫存储被制裁,想要从存储芯片打开突破口还有长期的硬仗要打。

中国是全球最大的半导体单一市场

福建晋华案(上)

前面我们提到,全球每年的存储芯片的市场规模在1600亿美元左右,而且随着高性能计算机,服务器,边缘计算,智能穿戴市场,物联网和车联网全球市场规模的不断做大,存储器市场将迎来爆发式的增长。存储芯片作为通用型集成电路,产品自主性强,需求量大适合规模化生产,产品价格和市场行情具有周期性特点,因此全球存储芯片市场长期以来就是各国政府和企业的必争之地。在我们之前提到日本半导体产业紧急强化法案的时候我们就谈到之前日本半导体产业的崛起,在八十年代日本半导体出口一度占据全球半导体市场一半的量,培养出日立,NEC,富士通,三菱和东芝一系列半导体大厂。最风光的时期,日本企业占领全球DRAM市场90%以上的份额,规模效益帮助日本企业直接把DRAM的价格打到地板价,也直接打的英特尔和AMD宣布退出DRAM市场竞争。在日本企业高歌猛进之时,美国政府直接出手,逼迫日本政府先后签订广场协议和美日半导体协议,又通过扶持韩国三星和半导体反倾销调查直接干废了日本半导体产业。替代的是韩国半导体企业的崛起。这些在前面谈韩国半导体政策和日本半导体产业法案的时候都详细提到过,有兴趣的小伙伴可以在喜马拉雅搜索大国阳谋-半导体芯片说去收听下。

全球存储芯片市场规模

目前的存储芯片主要是被美韩两国的企业瓜分。前面提到的NANDFLASH和DRAM两大类存储芯片市场呈现出高度集中化的特点。根据OMDIA的数据,2020年NANDFLASH98%的全球市场由韩国三星,日本铠侠,美国美光,韩国SK海力士,美国英特尔六家公司瓜分。其中海力士收购了英特尔的NANDFLASH业务,占比达到20%,仅次于三星的34%。而DRAM市场因为极高的资金,技术和专利壁垒,更呈现出高度垄断形势,全球近95%的市场份额被三星,海力士和美光三家企业占据。

韩国半导体巨头擅长反周期投资,进一步打击对竞争对手

中国作为存储芯片消费大国,每年花费在在进口存储芯片的资金超千亿美元。面对被外资垄断的存储芯片市场,尝尽大厂动不动就以停电,设备检修,火灾等借口进行断供和要求涨价行为的国内各行业,可以说天下苦三星尔等久矣!加上存储芯片特别是DRAM的制程技术相对成熟,理所当然的被中国政府和企业定为重点国产替代目标。2016年2月,泉州,晋江两级政府拉上福建省电子信息集团,晋江能源投资集团有限公司共同出资近60亿美元,通过成立福建晋华在福建省晋江市计划建设12英寸DRAM产线,规划目标产能每月六万片。并与台湾联电签订合作协议,晋华提供3亿美元委托联电采购专用设备,再提供4亿美元主要依靠联电研发32纳米DRAM制程技术,不但设备都放置在联电的南科12A厂,而且研发成功的技术也将由联电和晋华共同所有。简单来说就是晋华出钱,联电提供技术,如果成功,将彻底改变存储芯片市场格局,因此合作双方都极为重视这次合作。联电为了协助晋华12英寸DRAM工厂的建设,更是派出了资深副总裁陈正坤担任晋华总经理。

福建晋华案(下

长鑫存储专攻DRAM

2016年,当福建晋华如火如荼的筹备12英寸产线的时候,已经在NORFLASH细分领域杀出一条血路的兆易创新,也决定向被国际巨头高度垄断的DRAM存储领域进军,在合肥政府的大力加持下,长鑫存储在安徽合肥成立。当年急于加强自身存在感的合肥政府,为了能让自己的经济发展配得上省会城市的身份,决定把合肥打造成一个IC之都。在听到兆易创新打算建设DRAM代工厂时,马上和兆易创新签下合约共同创立合肥长鑫,并提供率先提供75%的项目资金,兆易创新只需出剩下的25%。并且合肥政府不干预长鑫营运,完全由兆易创新负责营运。

作为技术落后的追赶者,最简单有效的方法要么收购拥有先进技术的企业,或者退一步收购其先进的技术,但在技术是核心竞争力的今天,没有一家公司会愿意把核心技术对外出售,更不会把拥有先进技术的公司这样下金蛋的母鸡拱手让人。当今存储器市场霸主三星,海力士和美光,每一家都在巨资推进存储颗粒制造技术和提升制程能力的同时,对自己的技术进行着人盯人式的严密的监控,每年大量的资金投入到技术封锁和专利诉讼,不予余力的加固和推高技术壁垒。但中国的半导体人并没有绝望,巨大的技术差距,反而给我们带来机会。

按以往的剧情发展,这个时候就应该准备应对马上到来的专利诉讼了,长鑫通过收购奇梦达的专利真能避开专利讹诈吗?让我们来看看奇梦达的专利纯洁度有多高?

悲剧英雄奇梦达

1999年英飞凌从西门子独立并逐步成长为一家著名的半导体公司,近些年来在碳化硅领域英飞凌长线布局,成为市场的领导者和技术的领先者。但在存储芯片领域,当年的英飞凌却患得患失,最终在与有举国之力支持的韩国半导体企业的竞争中全线溃败。2005年,英飞凌将存储业务独立出来成立了奇梦达公司,当时的奇梦达可谓风光无限,第一家拥有12英寸/300毫米晶圆产线的内存厂家,并在全球拥有5个300毫米的晶圆生产基地,是当年300毫米晶圆使用率最高的企业。

与台湾南亚科合资成立华亚科,将90纳米的工艺率先推进到75纳米,推出DRAm两大分支技术之一的DRAM沟槽式技术,同时在全球拥有5个全球研发中心。更是在2008年宣布突破30纳米工艺,计划跳过GDDR4,直接上GDDR5内存。可以说奇梦达通过在技术和设备工艺上激进的投入,在当年处于绝对领先的地位。但这也导致其在2008年上半年EBIT从2007上半年盈利3.35亿欧元,直接到亏损10.58亿欧元。这简直可以用触目惊心来形容,放在平时也许能勉强支撑,但这却是发生在2008年。2008年下半年开始全球性的金融危机率先从美国爆发,并蔓延至全球。这给本来就已经疲软的DRAm颗粒市场带来了沉重一击,价格一路下跌,在跌破现金成本价后,更是在三星为代表的韩国企业的反周期投资的推波助澜下,价格直接雪崩跌破材料价,暴跌至0.31美元。而同一时期DRAM生产厂商的材料成本就要0.7美元,现金成本更是高达1.4美元,作为欧洲企业的奇梦达本身人力成本就高,导致产品定价本就略高于亚洲企业,韩国企业的落井下石直接把奇梦达推到了破产的边缘。

奇梦达员工抗议福利下降

期间,奇梦达并非没有做出过自救的努力,2008年10月将其在华亚科的全部股份作价4亿美元出售给美光。10月更是宣布数千人的裁员计划。但这一切在天量的财务亏损前面几乎就是杯水车薪。谁也不会想到母公司英飞凌和德国政府会放弃当时技术领先,单月12寸晶圆产量位居世界第五的奇梦达。

破产后的奇梦达在破产管理人的主持下,从土地到厂房,从股权到技术专利,开始全球甩卖。正所谓一鲸落万物生。奇梦达在全球的工厂成为了各家争抢的目标。德州仪器通过收购其在美国的12寸晶圆厂成为全球第一家12寸晶圆模拟芯片厂家。中国企业也没有闲着,奇梦达在西安的研发中心和在欧洲的高端封测生产线被中方合作伙伴收购,并在一系列的分立合并后成为组建紫光半导体产业集团的重要部分。奇梦达在苏州的模组厂和封测厂被国资苏州创投收购,之后又被晶方科技收入囊中。这可谓是当时中国最为成功的抄底。除了工厂和产线,最吸引人们目光的是其大量的专利技术的去向。2012年,其破产管理人宣布开始抛售近7500份的专利技术。

奇梦达梦回长鑫

也许是想重返存储器市场,从金融危机中缓过来的奇梦达母公司英飞凌出人意料的在2014年通过支付近2.6亿欧元,将奇梦达的所有专利打包收购。其中1.35亿用于破产争议的庭外和解,1.25亿用于打包收购专利。正当市场都等着看英飞凌将以何种方式重返存储器市场时,英飞凌却又在一年后再一次让所有人大跌眼镜,其出乎意料的将所有奇梦达专利以不到当年收购价两成的价格贱卖给了北极星公司。一家专门以倒卖专利的国际专利贩子。这让长鑫存储看到了机会,通过不断在市场上的搜寻,长鑫从北极星和其母公司Wi-Lan公司手中买下了奇梦达的内存专利。具体金额没有在公开市场披露,但考虑到目前中国半导体企业对技术的渴望和在世界半导体供应链中到处被封锁和制裁的现状,这必定是一笔让Wi-Lan无法拒绝的报价。但对于财大气粗的长鑫来说获得奇梦达的技术遗产,这只是DRAM突围战中的第一步。长鑫通过进一步25亿美元的研发投入,将制程工艺从46纳米推进到了10纳米,一举进入DRAM第一梯队,死死咬住了三星,海力士和美光。

峰回路转的长江存储

2022年底,长江存储宣布推出232层3DNANDFlash产品,同时也宣告经过近八年的不断追赶,排除外界阻碍和干扰,长江存储终于挤入NANDFlash世界第一技术阵营。

3DNAND架构

而长江存储的前身武汉新芯就成立在这个半导体产业的多事之秋,就注定了武汉新芯的命运多舛。可以说当年湖北省政府上马这个投资规模百亿的项目的时候,既无人才又无技术,有的只有湖北佬的一股狠劲。新芯的运气也差点,最初瞄准的是DRAm市场,之后又决定转身去做NANDFlash闪存,但2006年开始建厂,到2008年正式量产65纳米闪存,正好碰上金融危机和半导体下行周期,这是奇梦达都爬不出来的大坑。随着最后的大客户飞索半导体濒临破产,武汉新芯的最后一根救命稻草也没了。有着12寸现成晶圆线的武汉新芯很快成为国际大厂的收购目标。关键时期,又是中芯国际出手,与新芯成立合资公司。虽然,合资后的日子大家都不好过,武汉新芯又在2013年从中芯国际独立,也曾经一度依靠给飞索和豪威做代工维持工厂运转,但至少保住了国产存储的血脉。在艰难挣扎前行了近十年后,终于等到了中国半导体产业国家层面战略支持的到来。

2015年,中国发布中国制造2025白皮书,宣布力争到2025年,国家半导体产品自给率从不到30%提高到70%。同时国家宣布成立芯片大基金,开启了万亿级别的烧钱竞争,武汉新芯依靠多年来在代工时期积累的经验和技术,在国家级存储基地的竞争中脱颖而出,2016年随着大基金的注入和紫光集团入主,武汉新芯一夜逆袭,重组后成了注册资金数百亿,背靠国家级大基金的存储一哥长江存储。

这个时候,单单依靠市场经济和企业行为是永远赶不上国际领先水平的,更不用说超越了。经过曲折漫长的发展,有了国家大基金支持的长江存储开启了其逆袭之路。长江存储成立后的第二年,2017年长江存储推出32层闪存,当时市场主流产品是64层闪存。两年后的2019年,长江存储推出64层闪存并量产,当年主流产品达到了128层,三星继续领先并主导国际闪存市场。

长江存储的光速进步很难低调,自然吸引了美国商务部的阴冷的目光。没有意外,2022年长江存储被列入美国贸易黑名单,同时美国对中国实施设备和技术出口管制,美国设备商科磊,泛林集团和应用材料公司相继撤走了设备调试和维护工程师,也停止对长江存储提供生产设备。荷兰ASML公司也拒绝提供EUV***,而EUV***是将闪存技术推向300层以上的必须设备。考虑到近期德国和日本对中国企业半导体原材料管制的跟进,在长江存储面前的是一条更为艰难的国产存储芯片突围之路。

THE END
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