作者:畅秋

 

在以DRAM和NAND Flash为代表的存储芯片领域,中国正在加快追赶国际大厂的脚步。

 

2017和2018年,全球存储芯片市场出现了史无前例的缺货潮,使得相关产品的生产无法跟上市场需求,这给存储芯片三巨头三星、美光、SK海力士提供了绝佳的商机,也就是在那两年,三星超越英特尔,跻身全球半导体厂商营收榜单之首。之后的2019年,供需趋于平衡,然而,2020年席卷全球的疫情再次打破了全球芯片市场的宁静,不仅存储器,几乎所有类型的芯片都出现了全球性缺货的局面,一直持续到2022年初。

 

近几个月,消费类芯片供过于求的市况愈加凸显,而作为半导体业“大宗商品”的存储芯片,价格也出现了下滑,且波动明显。然而,在各种应用设备和系统中几乎无所不在的存储芯片(以DRAM和NAND Flash为主),不会像多数纯消费类芯片那样,对单一或少数类别应用有特别高的依赖性,在消费类、高性能计算、汽车、工业等领域,存储芯片都是不可或缺的,因此其发展前景依然乐观,这也是近些年存储芯片三巨头始终稳居全球半导体厂商营收榜单前五的原因。

 

据Yole Développement预测,从2021到2027年, DRAM将以9%的年均增长率增长,2027年,市场规模将达到1585亿美元,NAND Flash将以6%的复合增长率增长,市场规模将达到960亿美元。整个存储业的复合年均增长率预计为8%。

 

在中美贸易战期间,存储芯片市场在2020年同比增长15%,2021年同比增长32%,预计2022年将继续保持强劲增长,DRAM同比增长25%,达到1180亿美元,NAND Flash同比增长24%,达到830亿美元,均创历史新高。除了DRAM和NAND Flash,存储芯片还包括NOR Flash、非易失性SRAM/FRAM、EEPROM和新型非易失性存储器,但这些市场规模都很小。

 

 

由此可见,存储芯片的市场规模和发展态势还是相当稳健的。之所以如此,是因为在过去60多年的时间里,处理器和存储器一直都是半导体业基础性的大宗商品,市场需求量巨大。而随着技术和应用的发展,处理器在这半个多世纪里发生了巨大变化,各种新架构、产品层出不穷,从最初的CPU,发展出后来的MCU、DSP、GPU、FPGA,以及当下的AI专用处理器等,而相对于处理器来说,存储器在这几十年当中的变化相对很小,主要是存储密度和容量上的演进,而存储器的基本架构变化不大,特别是DRAM,一直沿用至今,依然经久不衰。

 

当然,随着应用的发展,以及对数据容量增长需求的渴望,在上世纪90年代出现的、比DRAM要“年轻”很多的NAND Flash闪存技术,发展和变化的速度就快多了,从最初的2D,演化到了现今的3D,存储密度增加了不少。而随着AI等应用的发展,各种新型的存储技术(MRAM和ReRAM等)正在实验室里摩拳擦掌,准备替代当下的闪存。

 

闪存的堆叠,长江存储的执着

 

为了提高NAND Flash闪存的存储密度,全球存储芯片三巨头都在不遗余力地发展3D堆叠技术,特别是美光,该公司于2020年11月成为全球首家量产176层3D NAND Flash的厂商。与上一代128层3D NAND Flash技术相比,将读取延迟和写入延迟改善了35%以上。

 

不久后的2020年12月,SK海力士宣布开发出176层512Gb TLC 4D NAND Flash,后来还推出了176层的1Tb容量4D NAND Flash。SK海力士4D NAND结合了3D CTF(电荷捕获闪存)设计、PUC(Peri. Under Cell)技术,2019年送样第一代96层4D NAND,同年次月又推出了第二代128层4D NAND,当时研发出的176层NAND Flash是第三代4D NAND产品。

 

三星则在2021年量产了第七代V-NAND,使用“双堆栈”技术,该公司在128层工艺节点,采用的是“单堆栈”技术生产3D NAND Flash。三星也强调,采用“双堆栈”技术,不仅更具技术竞争力,3D NAND Flash堆叠层数也有望达到256,但并不一定意味着三星第七代NAND将具有这种配置。

 

除了三巨头,铠侠和西部数据,以及英特尔都在开发高堆叠层数的闪存。不过,英特尔已于去年放弃了NAND Flash业务。

 

目前,冲在高堆叠层数最前沿的依然是美光,就在今年5月,该公司宣布推出业界首款232层3D NAND Flash。该公司计划在2022年底开始增加此类芯片的产量。据悉,该公司的232 层3D NAND Flash采用3D TLC架构,原始容量为1Tb。该芯片基于美光的CuA架构,CuA设计加上232层NAND Flash可大大减小1Tb 3D TLC NAND Flash的芯片尺寸,有望降低生产成本。

 

国际大厂纷纷争夺高堆叠层数的3D NAND Flash市场,作为中国本土NAND Flash的旗帜,长江存储这些年一直在加紧追赶国际大厂的步伐。

 

2018年,长江存储的32层3D NAND Flash实现量产,当时,有业界人士透露,长江存储Xtacking架构的64层NAND样品已经送至合作伙伴进行测试,读写质量大致稳定,预计最快将在2019年第3季投产,长江存储计划在2020年跳过96层3D NAND,直接进入128层堆叠。

 

而实际情况与上述预测基本吻合,2019年9月,长江存储宣布量产基于Xtacking架构的64层256 Gb TLC 3D NAND Flash,这是中国本土首款64层3D NAND Flash。2020上半年,该公司发布了128层QLC 3D NAND Flash(型号X2-6070),以及128层512Gb TLC 3D NAND Flash(型号X2-9060),以满足不同应用场景的需求。

 

2021年初,有媒体报道称,长江存储将于2021下半年试产第一批192层3D NAND Flash芯片,成为首个试产该堆叠层数产品的中国本土厂商。

 

近期,又有消息传出,长江存储计划跳过192层,直接切入232层3D NAND Flash。到目前为止,这一消息还没有得到官方证实。

 

不过,从过去几年长江存储的“跳跃式”发展轨迹来看,直接上232层堆叠的3D NAND Flash,可能性很大,毕竟经过这些年的潜心研发,该公司的Xtacking堆叠技术越来越成熟,在国产替代的大背景下,加快国产存储芯片的前进脚步,是受到国内各方期许的。2021年,长江存储已取得大约4%的市场份额,业界预期它今年有望将市占率提升至7%,超过英特尔,成为全球第六大NAND Flash芯片企业。

 

内存,中国缩小差距

 

在DRAM(内存)方面,国际三巨头依然强势,特别是在先进制程工艺方面,三家的竞争愈加激烈。

 

近些年,DRAM与CPU一样,面临制程节点微缩的挑战,使用EUV光刻技术,可减少多重曝光过程,提供更细微的制程精度与良率。为此,DRAM三巨头都在争夺ASML的EUV光刻机,用于10nm级DRAM的生产。

 

为了提升本土DRAM的供货能力,作为中国DRAM芯片IDM的代表,合肥长鑫(CXMT)和福建晋华正在暗中发力。

 

合肥长鑫和兆易创新共同研发DRAM技术,虽然取得了技术突破,但与国际三巨头相比,还是有明显差距的,例如在PC用DRAM方面,合肥长鑫演进到DDR4,而国际大厂的DDR5产品已经量产多年,正在向DDR6演进。不过,就国内市场而言,能够稳定量产DDR4产品已是很难得的进步了。在产能拓展和规划方面,合肥长鑫于去年开始筹建二期项目,且扩张脚步比长江存储还快,有业内人士表示,预计合肥长鑫二期项目最快在明年投产,到那时,该公司的DRAM芯片产能将从当前的月产4万片增加至12.5万片。

 

相对于合肥长鑫,福建晋华更加低调,相对来说,该公司更倾向于引进技术、合作发展的策略,无论是研发,还是人才,其与联电都有着紧密的合作关系。这样的合作关系是一把双刃剑,有利也有弊,利是能够节省时间,通过引进技术和人才,在尽量短的时间内吸收、消化,逐步转化为自己的技术储备,提升竞争力;弊端就是主动权不能完全掌握在自己手里,发展进程容易受突发事件影响。

 

过去几年,晋华卷入知识产权法律纠纷,虽然已基本解决,但其负面影响难以避免。这段经历,有点像1960年前后的中苏关系,本来是引进了大批前苏联专家以及相关技术,搞两弹一星的研发,但随着当时两国政治关系的变化,苏联专家和相关资源全都撤走了,我们不得不从零开始,自己去摸索,经过几年的艰苦奋斗,自己搞出了核弹。虽然所处时代和领域不同,但情形却很相似,而且都是高科技领域的研发工作。

 

其实,关于引进技术、合作研发,与完全独立自主发展一直是业界争论的焦点话题,在我们看来,很难分出绝对的对错。我们的目的自然是要独立自主,但很多时候,技术引进是一个躲不开的话题和过程。就像60年前的中国,当时我们在各个领域都很强调独立自主,但面对巨大的技术落差,还是得引进吸收,但这种策略所附带的风险又是挥之不去的,最终又回到了自主研发这条路上来。

 

还有一点很重要,那就是找到一个好的合作伙伴,可以起到事半功倍的效果,反之,则大概率会事倍功半。

 

风雨过后见彩虹,相信卧薪尝胆的晋华,能在不久的将来带给本土产业惊喜。

 

在以合肥长鑫和福建晋华为代表的本土存储芯片厂商的努力下,中国DRAM产业取得了一定的进步。韩国研究机构OERI的报告显示,估计韩企和中国厂商在DRAM领域的技术差距已缩短至5年。具体来看,三星和SK海力士计划在年底前投产第五代10nm级(1b或12nm)DRAM,合肥长鑫今年的目标则是第二代10nm(1y或16/17nm)产品。一般而言,DRAM每一代的演进时间在两年半左右。

 

结语

 

存储芯片,是最能考验一个国家半导体产业基本功的品类,半个世纪前的英特尔,就是以存储器起家的,在奠定相应的设计和制造基础后,才有条件向CPU转型。日本也是如此,上世纪80年代的鼎盛时期,全球半导体厂商营收排名前10当中,有6家日本企业,其中多数都擅长存储芯片的研发和生产。韩国更是如此,作为后起之秀,三星凭借在存储芯片领域的投资和策略,一举超过了日本厂商,再加上SK海力士,使韩国占据了当今全球存储芯片市场的半壁江山。

 

而且,无论是从历史,还是现实角度看,有行业影响力的存储芯片厂商大都是IDM模式,晶圆代工厂的存储芯片业务市占率很小。这一特点似乎更加符合中国擅长集中力量办大事的国情,使得我们发展存储芯片具备先天优势。相信在本土三大存储芯片IDM的引领下,中国的DRAM和NAND Flash产业能够稳扎稳打,不断总结经验、吸取教训,把工艺技术、产能和良率推向新高。