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。
 
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。
 

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。
 
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。


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。