内存的正式名字叫做“存储器”,是半导体行业三大支柱之一。2016 年全球半导体市场规模为 3400 亿美金,存储器就占了 768 亿美元。对于你身边的手机、平板、PC、笔记本等所有电子产品来说,存储器就类似于钢铁之于现代工业,是名副其实的电子行业“原材料”。

 

存储器芯片领域,主要分为两类:易失性和非易失性。易失性:断电以后,存储器内的信息就流失了,例如 DRAM,主要用来做 PC 机内存(如 DDR)和手机内存(如 LPDDR),两者各占三成。非易失性:断电以后,存储器内的信息仍然存在,主要是闪存(Nand FLASH 和 NOR FLASH),NOR 主要应用于代码存储介质中,而 NAND 则用于数据存储。

 

 

DRAM、NAND FLASH、NOR FLASH 三大存储器分析

1) DRAM

动态随机存储器(Dynamic RAM),“动态”两字指的是每隔一段时间,要刷新充电一次,否则内部的数据即会消失。这是因为 DRAM 的基本单元是一个晶体管加一个电容,并用电容有无电荷来表示数字信息 0 和 1,电容漏电很快,为防止电容漏电而导致读取信息出错,需要周期性地给 DRAM 的电容充电,故 DRAM 速度比 SRAM 慢。

 

另一方面,这种简单的存储模式也使得 DRAM 的集成度远高于 SRAM,一个 DRAM 存储单元仅需一个晶体管和一个小电容,而每个 SRAM 单元需要四到六个晶体管和其他零件,故 DRAM 在高密度(大容量)以及价格方面均比 SRAM 有优势。SRAM 多用于对性能要求极高的地方(如 CPU 的一级二级缓冲),而 DRAM 则主要用于计算机的内存条等领域。

 

图:DRAM 的器件单元图示及其不同容量的剖面结构图

 

DRAM 每一次制程的更新换代,都需要大量的投入,以制程从 30 nm 更新到 20 nm 为例,后者需要的光刻掩模版数目增加了 30%,非光刻工艺步骤数翻倍,对洁净室厂房面积的要求也随着设备数的上升而增加了 80%以上,此前这些成本都可以通过单晶圆更多的芯片产出和性能带来的溢价所弥补,但随着制程的不断微缩,增加的成本和收入之间的差距逐渐缩小。故各大厂商开始研究 Z 方向的扩展能力,三星率先从封装角度实现 3D DRAM,采用 TSV 封装技术,将多个 DRAM 芯片堆叠起来,从而大幅提升单根内存条容量和性能。

 

图 :DARM 的全球市场规模

 

2)NAND Flash 和 NOR Flash

为更好地讲述 NAND Flash 和 NOR Flash 这两大存储产品,我们首先来认识一下 Flash 技术。 Flash 存储器:又称闪存,它是一种非易失性存储器。闪存的存储单元是场效应晶体管,是一种受电压控制的三端器件,由源极(Source)、漏极(Drain)和栅极(Gate),以及衬底组成,在栅极与硅衬底间有二氧化硅绝缘层,用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。 NAND 的擦和写均是基于隧道效应,电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层,对浮置栅极进行充电(写数据)或放电(擦除数据)。而 NOR 擦除数据仍是基于隧道效应(电流从浮置栅极到硅基层),但在写入数据时则是采用热电子注入方式(电流从浮置栅极到源极)。

 

图:Flash 存储器的结构单元示意图

 

NAND Flash 是目前闪存中最主要的产品,具备非易失,高密度,低成本的优势。在 NAND 闪存中,数据是以位(bit)的方式保存在 Memory Cell 中,一个 Cell 存储一个 bit,这些 Cell 或 8 个或 16 个为单位,连成 bit line,而这些 line 组合起来会构成 Page,而 NAND 闪存就是以页为单位读写数据,以块为单位擦除数据,故其写入和擦除速度虽比 DRAM 大约慢 3-4 个数量级,却也比传统的机械硬盘快 3 个数量级,被广泛用于 eMMC/EMCP,U 盘,SSD 等市场。

 

NOR Flash 的特点是芯片内执行(XIP,Execute In Place),即应用程序不必再把代码读到系统 RAM 中,而是可以直接在 Flash 闪存内运行。NOR 的传输效率很高,读取速度也比 NAND 快很多,在 1~4MB 的小容量时具有很高的成本效益,然而其擦除是以 64-128KB 的块为单位进行的,执行一个写入 / 擦除操作的时间为 5s,而 NAND 器件的擦除则是以 8-32KB 的块为单位进行,执行相同的操作最多只需要 4ms,故其很低的写入和擦除速度大大影响到它的性能。此外,NOR 的单元尺寸几乎是 NAND flash 的两倍,故在成本上也不具备优势,这使得 NOR 的使用范围受到了更大的限制,不少曾属于 NOR 的市场也慢慢被其他存储器所夺取,但 NOR flash 厂商也并没有坐以待毙,而是积极开拓汽车电子等物联网市场。近年来 NOR flash 市场规模持续萎缩。


半导体存储器市场被三星、海力士、美光等寡头垄断

半导体存储器是一个高度垄断的市场,其三大主流产品 DRAM,NAND Flash,NOR Flash 更是如此,尤其是前两者,全球市场基本被前三大公司占据,且近年来垄断程度逐步加剧。以 DRAM 和 NAND 两种主要存储芯片为例,DRAM 市场由韩国三星、海力士和美国美光科技三家占据,而 NAND Flash 市场几乎全部被三星、海力士、东芝、闪迪、美光和英特尔等六家瓜分。其中三星居垄断地位,2017 年它的 DRAM 占全球的 45.8%及 NAND 占 37%。

 

DRAM 市场发展史

DRAM 领域经过几十年的周期循环,玩家从 80 年代的 40~50 家,逐渐减少到了 08 年金融危机之前的五家,分别是:三星(韩)、SK 海力士(韩)、奇梦达(德)、镁光(美)和尔必达(日),五家公司基本控制了全球 DRAM 供给,终端产品厂商如金士顿,几乎没有 DRAM 生产能力,都要向它们采购原材料。按照常理来说,格局已经趋稳,价格战理应偃旗息鼓,可惜的是,韩国人并不答应,尤其是三星。

 

三星充分利用了存储器行业的强周期特点,依靠政府的输血,在价格下跌、生产过剩、其他企业削减投资的时候,逆势疯狂扩产,通过大规模生产进一步下杀产品价格,从而逼竞争对手退出市场甚至直接破产,世人称之为“反周期定律”。在存储器这个领域,三星一共祭出过三次“反周期定律”,前两次分别发生在 80 年代中期和 90 年代初,让三星从零开始,做到了存储器老大的位置。但三星显然觉得玩的还不够大,于是在 2008 年金融危机前后,第三次举起了“反周期”屠刀。

 

2007 年初,微软推出了狂吃内存的 Vista 操作系统,DRAM 厂商判断内存需求会大增,于是纷纷上产能,结果 Vista 销量不及预期,DRAM 供过于求价格狂跌,加上 08 年金融危机的雪上加霜,DRAM 颗粒价格从 2.25 美金雪崩至 0.31 美金。就在此时,三星做出令人瞠目结舌的动作:将 2007 年三星电子总利润的 118%投入 DRAM 扩张业务,故意加剧行业亏损,给艰难度日的对手们,加上最后一根稻草。

 

效果是显著的。DRAM 价格一路飞流直下,08 年中跌破了现金成本,08 年底更是跌破了材料成本。2009 年初,第三名德系厂商奇梦达首先撑不住,宣布破产,欧洲大陆的内存玩家就此消失。2012 年初,第五名尔必达宣布破产,曾经占据 DRAM 市场 50%以上份额的日本,也输掉了最后一张牌。在尔必达宣布破产当晚,京畿道的三星总部彻夜通明,次日股价大涨,全世界都知道韩国人这次又赢了。

 

至此,DRAM 领域最终只剩三个玩家:三星、海力士和镁光。尔必达破产后的烂摊子,在 2013 年被换了新 CEO 的镁光以 20 多亿美金的价格打包收走。20 亿美金实在是个跳楼价,5 年之后,镁光市值从不到 100 亿美元涨到 460 亿,20 亿美元差不多是它市值一天的振幅。

 

三大 DRAM 厂面临中国反垄断调查,或开出天价罚金

 


5 月 31 日,有多家媒体报道称中国反垄断机构派出多个工作小组,分别对三星电子、SK 海力士以及美光三家企业位于北京、上海、深圳的办公室展开调查和现场取证。事实上,从去年发改委价检局约谈三星开始,有关中国反垄断机构即将立案调查三星、美光及海力士三家企业 DRAM(动态随机存取存储器)垄断的传闻便不绝于耳。此次中国反垄断机构进入三地办公室调查,也意味着针对三家公司的反垄断调查正式启动。

 

数据显示,在全球 DRAM 市场上,三家企业共占据了 90%以上的市场份额。而中国作为全球最大的电子产品制造基地及最主要的存储芯片消费国,受存储芯片涨价影响,近两年进口存储芯片价格不断上涨,此前反垄断部门便就持续涨价问题约谈过相关企业。有消息指出三家企业的有碍公平竞争行为及部分企业的举报是推动此次中国反垄断机构发起调查的重要原因。

 

这并非事件的发端,此次突袭调查半年前,2017 年 12 月底,有中国手机厂商因存储器价格上涨和供应不畅,向发改委检举了三星电子。随后,发改委开启了调查。

 

2017 年底发改委先召见了三星电子中国地区市场负责人了解情况,彼时 DRAM 正经历破纪录的七季连涨,无论是给下游企业还是消费者都带来巨大的压力。发改委方面当时表示,已注意到 DRAM 行业价格的飙升,将会更多关注未来可能由行业“价格操纵”行为引发的问题,可能存在多家公司协同行动,推高芯片价格,谋求获利最大化的行为。

 

今年 5 月,中国反垄断机构约谈了全球第三大存储厂商美光,主要就三星电子、SK 海力士、美国美光等是否联合操纵 DRAM 价格展开调查。同时,美光涉嫌限制设备商供货给福建晋华,滥用市场支配地位,妨碍公平竞争。

 

行业分析人士指出,由于 DRAM 生产周期长达八周以上,从投入资本支出后,到新增产能、颗粒产出更长达至少一年,DRAM 厂商最容易在反垄断条文中“限制商品中销售数量”被调查。

 

记者了解,去年,三星电子、SK 海力士、美国美光三家芯片企业占全球 DRAM 市场的份额总和的 96%,2017 财年,三家公司半导体业务在中国营收依次分别为 253.86 亿美元、89.08 亿美元、103.88 亿美元,总计 446.8 亿美元,同比 2016 财年的 321 亿美元增长 39.16%。

而更早前的 2016 年下半年,DRAM 价格便开启了持续上涨模式,今年 4、5 月份,一起美国消费者起诉三星电子、SK 海力士、美国美光等厂商人为操控零售价格的诉讼发起,诉讼人表示,上述三家公司的行动导致 4G 内存价格,在 2016 年 7 月 1 日至 2018 年 2 月 1 日内,DRAM 芯片价格上涨了 130%。

 

 

数据显示,2016 年 6 月 1 日到 2018 年 2 月 1 日,4GB 的 DRAM 内存价格上涨了 130%。仅在 2017 年,DRAM 内存价格就上涨了 47%,创下近 30 年来最大涨幅。

 

在整个中国市场手机出货量不断下降的背景下,2017 年,中国进口存储芯片 889.21 亿美元,同比 2016 年的 637.14 亿美元增长 39.56%。中国反垄断机构的此次调查,是在中美贸易战的关口,三星电子和 SK 海力士都是韩国企业,而美光则是美国企业,中国此举的用意非常巧妙。

 

与此同时,值得关注的是,如果存在价格垄断行为,国内来说,根据《反垄断法》、《反价格垄断规定》,如果考虑经营者从 2016 年至今的市场行为,以 2016-2017 年度销售额进行处罚,三家公司将面临 8-80 亿美金的罚金。

 

中国存储器三大阵营成形:长江存储、福建晋华、合肥长鑫扛起大旗

2018 年第一季三星、海力士、美光在 DRAM 产业的市占率合计共占 95.4%的市场份额,而中国存储厂商在该市场的份额依然为零。目前,我国存储领域已形成包括发展 NAND Flash 的长江存储,专注移动式内存的合肥长鑫以及致力于利基型内存的福建晋华三大阵营。值得注意的是,今年将是中国存储产业发展的关键节点,那么三家厂商目前的进度如何?

 

长江存储

长江存储于 2016 年 7 月 26 日在武汉新芯集成电路制造有限公司的基础上正式成立,公司主要股东包括大基金和紫光集团、湖北省科投以及湖北国芯产业投资基金等,目前为清华紫光集团的子公司。作为国家级存储项目基地,长江存储总投资金额达 240 亿美元。预计项目一期建成后总产能将达到 30 万片 / 月,年产值将超过 100 亿美元。

 

目前,长江存储首批 400 万美元的精密仪器已于 4 月 5 日抵达武汉,未来两年内将从全球多地进口近 3 万吨精密仪器至汉。4 月 11 日,长江存储武汉基地芯片生产机台正式进场安装,这标志着国家存储器基地从厂房建设阶段进入量产准备阶段。据了解,设备搬入、调试将耗费 3 个月左右的时间,然后开始小规模试产,如顺利,今年四季度,中国首批拥有完全自主知识产权的 32 层三维 NAND 闪存芯片有望在光谷实现量产。

 

值得一提的是,当天搬入的设备只是第一台,随后要陆续从世界各地搬入各类高精密的芯片生产机台进行调试,数量达 2000 多台。设备调试完成后,才可以规模量化生产芯片。

 

此外,5 月 19 日长江存储的首台光刻机已运抵武汉天河机场,设备相关的海关、商检及边防口岸的相关手续办理完成后,即可运至长江存储的工厂。这台光刻机为 ASML 的 193nm 浸润式光刻机,售价 7200 万美元,用于 14nm~20nm 工艺。这也从侧面透露了长江存储 3D NAND 闪存芯片的工艺制程。这是长江存储的第一台光刻机,陆续还会有多台运抵。

 

同时,紫光集团董事长兼长江存储董事长赵伟国强调,在生产厂房于去年 9 月提前一个月封顶、32 层三维 NAND 闪存芯片自主研发取得重大突破的基础上,现在我们又提前 20 天实现了芯片生产机台搬入。未来十年,紫光计划至少将投资 1000 亿美元,相当于平均每年投入 100 亿美元。

 

紫光集团全球执行副总裁暨长江存储执行董事长高启全透露,长江存储的 3D NAND 闪存已经获得第一笔订单,总计 10776 颗芯片,将用于 8GB USD 存储卡产品。

 

今年底,基地就将实现国产 3D 闪存的小规模量产,用不了多久就能看到基于国产闪存的智能手机、SSD 固态硬盘。明年,长江存储还将开始 64 层堆叠闪存,单颗容量 128Gb(16GB)。

 

据某存储器储存研究 (DRAMeXchange) 指出,从中国厂商 NAND Flash 的发展进程来看,2016 年 12 月底,由长江存储主导的国家存储器基地正式动土,官方预期分 3 阶段,共建立 3 座 3D NAND Flash 厂房。第一阶段厂房已于 2017 年 9 月完成兴建,预定 2018 年第 3 季开始移入机台,并于第 4 季进行试产,初期投片不超过 1 万片,用于生产 32 层 3D NAND Flash 产品,并预计于自家 64 层技术成熟后,再视情况拟定第 2、3 期生产计划。

 

当然,在人才方面,长江存储也十分重视。前电子信息司副司长彭红兵已经出任大基金副总裁兼长江存储监事会主席。

 

除此之外,据日经中文网报道,在日本川崎市有一家新成立的企业名为 JYM 技术株式会社,而实际上就是长江存储科技(YMTC)。相关人士透露,川崎市基地的面积可供 100 人工作,刚刚在日本启动了招聘活动。同时,长江存储科技 2016 年秋在美国硅谷开设了研发基地,从存储器巨头美国美光科技等处挖来技术人员,以 40 人的规模启动研发工作。

 

福建晋华

福建省晋华集成电路有限公司(简称晋华集成电路,JHICC)是由福建省电子信息集团、及泉州、晋江两级政府共同出资设立,被纳入我国“十三五”集成电路重大生产力布局规划。

 

按计划,6 月工程建设竣工,9 月正式投产,预计投产后的一期项目可实现月产 6 万片 12 英寸晶圆的产能。

 

晋华项目进展:

 

 

晋华项目宣传片指出,晋华以三星海力士等行业巨头为标杆,力争通过自主研发实现对行业领先制造工艺的赶超。对比国内同类项目晋华项目建设进度优势明显,有望成为国内首家拥有自主技术的内存龙头企业。

 

据悉,晋华集成电路在人才团队方面,采取海内外人才招聘与人才培训相结合的方式。按计划,2018 年人才队伍将达 1200 人,目前已招募人员 800 多人。

 

由于晋江集成电路产业基础较薄弱,晋江市以晋华项目为龙头,构建“三园一区”产业发展空间载体,打造设计、制造、封装测试、装备与材料、终端应用的集成电路全产业链生态圈,其目标是到 2025 年可形成 1000 亿产业规模。据悉,台湾矽品、台湾芝奇、美国空气化工等 20 多个产业链项目已落地晋江,总投资近 600 亿元,产业链生态圈正逐步形成。

 

正在建设的台湾矽品位于晋华集成电路对面,将以 DRAM 封测业务为主。

 

合肥长鑫

睿力集成电路有限公司由北京兆易创新与合肥市产业投资控股集团合资,兆易创新出资 20%,公司主要研发 19 纳米制程的 12 英寸晶圆 DRAM,目标 2018 年 12 月底研发成功。

 

当前,合肥长鑫 12 英寸存储器晶圆制造基地项目正处在加快建设的阶段,该项目一旦正式投产,预计将在全球 DRAM 市场占得约 8%的市场份额,从而填补国产 DRAM 存储器在本国市场的空白。

 

 

值得一提的是,在今年 4 月的一次公开活动上,长鑫存储技术有限公司董事长、睿力集成电路有限公司首席执行官王宁国首次高调亮相并介绍了合肥长鑫存储器项目的 5 年规划:2018 年 1 月一厂厂房建设完成,并开始设备安装;2018 年底量产 8Gb DDR4 工程样品;2019 年 3 季度量产 8Gb LPDDR4;2019 年底实现产能 2 万片 / 月;2020 年开始规划二厂建设;2021 年完成 17 纳米技术研发。

 

王宁国表示,希望 2018 年底第一个中国自主研发的 DRAM 芯片能够在合肥诞生。同时,王宁国透露,长鑫睿力已经与北方华创签约,未来还会与更多的国内设备和材料厂商签约合作。

 

据台媒 Digitimes 报道,合肥长鑫 12 英寸存储器晶圆制造基地所需的 300 台研发设备已基本全部到位,待装机完成之后,从 2018 年下半年开始便全力投入试生产的环节。

 

同时,据 TrendForce 存储器储存研究 (DRAMeXchange) 指出,合肥长鑫的厂房已于 2017 年 6 月封顶完工,并且于第 3 季开始移入测试用机台。由于合肥长鑫直攻三大 DRAM 厂最重要产品之一的 LPDDR4 8Gb,尔后面临专利争议的可能性也较高,为了避免此一状况,除了积极累积的专利权外,初期可能将锁定于中国销售。

 

除此之外,5 月 9 日消息显示,美国半导体技术供应商 Rambus 与兆易创新成立合资公司合肥睿科微电子有限公司,并同时完成由清控银杏联合领投的 A 轮融资。这家新的合资企业致力于电阻式随机存取存储器(RRAM)技术的商业化,将把下一代内存技术推向市场,同时,在这一合作中中资将占据主导地位,知情人士表示,公司总投资额为五千万美元。

 

虽然兆易创新与 Rambus 目前仅签署了协议,合资公司尚未成立。至于成立的具体时间,由于合资公司需要经过美国方面的审批,公司注册及具体成立时间需要等到批准之后才能确定。