中国DRAM该如何突围？
2019-09-19
14:00:07
来源: 半导体行业观察
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
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