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Aug 21, 2020 11:59 AM

内存芯片低调破冰 追赶国外路有多长?In Depth: China Creates New Memory Chip Champ, but Will Customers Come?

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尝试内存芯片产业化30年之后,中国首款自主研发的DRAM芯片终于投入市场。2020年5月以来,多款搭载长鑫存储10纳米级双倍数据速率(DDR4)芯片的内存条低调上市,下游合作厂商包括江波龙、光威等。

10纳米级工艺经历两次技术迭代,最初为1X纳米工艺,介于16至19纳米之间;1Y纳米工艺在14至16纳米之间,最新的1Z纳米工艺在12至14纳米之间。2019年3月,三星宣布开发1Z纳米工艺的8Gb DDR4产品。长鑫存储这款刚投产半年多的DRAM芯片则采用19纳米工艺。

尽管工艺上与国外企业仍有差距,但这款产品填补了国产DRAM芯片的空白。此前,中国在DRAM设计环节有一定积累,却缺乏生产经验。长鑫存储不仅自主研发出DRAM芯片,更重要的是打通了从设计到生产制造的全流程。

DRAM即动态随机存取存储芯片,属于内存芯片,较闪存芯片技术门槛高。内存支持计算体系运转,闪存负责在系统断电后保存数据,以手机配置“8GB+64GB”为例,前者指内存容量,后者指闪存容量。

当前,中国存储器高度依赖进口。根据中国海关数据,2019年中国进口价值3040亿美元的集成电路,超过三分之一为存储器。在DRAM领域,韩国三星、SK海力士及美国美光三家企业把控了全球主要市场份额。据市场研究机构集邦咨询数据,2020年一季度,在DRAM市场,三星、海力士、美光的份额分别为44.1%、29.3%、20.8%,合计达到94.2%,中国台湾三家厂商南亚、华邦电子、力晶合计份额为4.5%。

一名半导体业内资深人士认为,受益于长鑫存储DRAM芯片推出,中国存储器可以实现中低端领域的部分替代,对国际DRAM存储巨头的市场策略也有一定的平衡作用。

现在,该款芯片主要在零售渠道推广,未来仍需在企业级市场突围。作为后来者,长鑫存储极易招致市场主导者的价格战或者专利狙击。此外,芯片投资动辄数百亿美元,也异常考验资本耐心。一名专注于研究半导体行业的教授直言,“现在迈出了第一步,后面还有99步,每一步可能都是深渊”。

从0到1

“在DRAM领域,韩国和美国厂商经过多年的沉淀才做到20纳米以下的工艺,长鑫一上来就要做19纳米,我们都很难相信。”一名接近长鑫存储的技术人士向财新记者回忆。

他进一步解释,打造DRAM门槛极高,生产环节尤为困难,涉及上千道工序,两个最重要的参数——套准精度和关键尺寸都是几纳米级,稍有偏差就会造成晶圆上所有芯片作废,只有经验丰富的人在拿到成品时才能快速分析出,上千道工序到底哪里出了问题,缺乏经验的团队几乎无从下手。

长鑫项目几乎是平地起高楼。2016年5月,长鑫项目在素有“IC之都”之称的安徽合肥启动,初期十分低调。2017年10月,芯片设计公司兆易创新( 603986.SH )一纸公告揭开长鑫面纱:兆易创新与合肥产投集团签订协议,双方将共同出资建设工艺制程为19纳米的12寸晶圆存储器项目。两个月后,合肥产投集团官网公布,该项目总投资80亿美元,分三期建设,一期投资约180亿元,设计产能为12.5万片。

项目公司为合肥长鑫集成电路有限责任公司,注册资本金20亿元。目前合肥产投集团持股99.75%,合肥产投新兴战略产业发展合伙企业(有限合伙)持有剩下的0.25%。合肥产投集团由合肥市国资委100%持股。

项目早期的实际牵头人是中芯国际前总裁兼CEO王宁国。王宁国在华人半导体圈子里号召力颇强,被誉为“应用材料专利之王”,此前曾在美国应用材料公司、华虹集团担任高管。

王宁国从台积电、联华电子等中国台湾芯片企业招募人员,搭建了早期的核心团队。“早期员工大多奔着王宁国的名号去,管理层以中国台湾人为主,氛围也是台企风格。”上述接近长鑫存储的技术人士介绍,长鑫还从韩国招募工程师,以设计、研发为主。韩国是DRAM领域的头号强国,培养了大量存储器人才。

除了招募海外人才,长鑫也从大陆吸收了一批资深工程师和应届毕业生。上述技术人员介绍,工程师主要来自武汉新芯、中芯国际、华虹宏力以及位于无锡的海力士工厂,“要有晶圆厂经验,懂得车间的环境和流程,才能尽快上手”;应届毕业生则来自物理、化学材料、电路设计等专业,因为集成电路专业学生供应不足,“这些相关学科更容易培训”。财新记者了解,目前,长鑫存储约3000人,技术人员达到80%,海外与本土员工比例约为3 :7。

随着合肥产投与兆易创新合作深入,王宁国逐渐淡出。2018年7月,朱一明辞去兆易创新总经理一职,赴长鑫存储担任CEO。朱一明毕业于清华大学,技术出身,从美国留学回国后创立兆易创新,专注于NORFlash(代码型闪存芯片)。 一名长鑫内部员工评价,朱一明为人低调务实,出差坐经济舱,常在公司内提及“埋头苦干,保证交付”。

按照2017年10月兆易创新与合肥产投的约定,长鑫要在2018年底之前研发出芯片,产品良率(测试电性良好的晶片占整个晶圆的比例)不低于10%。如果按期完成,兆易创新在之后五年内收购合肥产投的股权。如果未能按时完成目标,双方按照1 :4的比例共担项目损益;如果合肥产投决定退出但兆易创新仍希望继续运营,兆易创新需要收购合肥产投在项目中享有的清算或处置收益。兆易创新可以引入双方认可的第三方进行回购。

兆易创新是2005年成立的一家民营的特定芯片设计公司,在NORFlash领域目前已经做到全球前五。2016年,兆易创新登陆上交所,目前市值超过1000亿元。不过2019年其营业收入只有32亿元,净利润6亿元。针对长鑫项目回购的这一设计,类似“京东方模式”:地方政府承担初始资金压力,最终项目还是交由企业市场化运营。

“2018年7月,长鑫就已经成功了一颗。”上述技术人员回忆,当时已经验证了设计没有大问题,“如果设计大改几次,会耗费大量人力、财力”,之后的任务就是不断优化参数,提高良率。他介绍,当时长鑫试生产,一片晶圆的产量约为700至800颗,正式生产中可以达到约1700颗。

2019年9月,朱一明宣布DDR4产品投产。据长鑫存储的数据,其产能在2019年年底达到每月2万片,2020年中达到4万片。这一节奏基本符合最初设计的时间表。

从研发、设计到投产,合肥产投为长鑫存储拉来了最主要的资金。2017年,合肥产投与兆易创新约定共同出资180亿元支持一期建设,截至2018年年底,兆易创新需要承担的36亿元一直未到账。2019年4月,兆易创新宣布以可转债方式向项目投资3亿元,到2019年底实际出资仅2亿元。

在2019年5月召开的GSA峰会上,朱一明介绍,当前长鑫存储已花费25亿美元(约177亿元人民币)用于研发和资本支出。彼时,朱一明接受《中国证券报》采访时表示,人才费用、设备折旧、研发投入持续成为公司的压力,“希望尽快投产,让现金流滚动起来”。

一名接近长鑫存储管理层的人士对财新记者称,产品商用只能说是缓解了资金压力,毕竟芯片项目投资巨大,不可能在短时间内收回成本。但她同时也表示,半导体项目需要的资金、人才、技术等要素中,最容易解决的就是钱,“这个项目如果折到钱上不现实”。

据合肥产投官网,2019年8月,国开行牵头给予长鑫存储160亿元银团贷款。一名熟悉长鑫融资情况的人士向财新记者表示,国家集成电路产业投资基金二期一直在对长鑫存储做尽调,大概率会投资。

市场如何突围?

2019年9月,长鑫存储宣布投产,于2019年底正式交付。整个中国半导体业界为之侧目。之后,长鑫存储迟迟未公布客户名单,业内质疑声起:“它说自己量产了,客户在哪里?”

实际上,长鑫存储已经低调开启商用。2020年5月以来,多款搭载长鑫存储DRAM芯片的内存条上市。这些内存条产品均采用长鑫存储的双倍数据速率(DDR4)内存芯片,频率以2666Mhz为主,容量为8GB和16GB。模组厂商江波龙于5月15日宣布,长鑫存储的颗粒已通过其EVT完整的颗粒级测试,并已推出三款搭载长鑫存储颗粒的内存产品。

从性能上来看,长鑫存储的颗粒和一线芯片原厂还有差距。“有模组厂商愿意用,说明产品可以满足基本使用需求,只是在更严苛的条件下它不一定达标,要牺牲一些其他特性,但不影响使用。”一名资深行业人士告诉财新记者,例如,长鑫颗粒跑到3000Mhz以上频率会明显发烫,而三星的同类产品则不会。频率是衡量内存芯片性能的主要指标之一,一般而言,用户希望频率越高越好。他认为,在相对低端的PC市场,普通消费者可以买回家用起来,但电竞这种高端市场暂时还不会使用这类内存条。

按用途来分,DDR4内存芯片可应用在服务器、个人电脑(PC)、汽车和工业等领域。按销售渠道划分,DDR4内存芯片可供给模组厂,做成电脑内存条零售;也可供给电脑、服务器厂商直接应用在设备中。目前长鑫合作的光威、江波龙等厂商属于零售渠道,即将颗粒做成内存条直接销售。如果芯片原厂想向服务器或者PC厂商供货,还需要通过一系列测试,满足更高的性能要求。

在企业级市场,长鑫存储正奋力寻求突破。上述接近长鑫存储管理层的人士向财新记者介绍,长鑫已向多家厂商送样,“但厂商最终选择长鑫不会只因为国产,还要保证其产品性能、安全。”她强调,开发企业级市场需要时间,一些企业的测试要求连续多月甚至长达一年,全方位测试芯片的性能。“如果一开始不达标没关系,我们可以继续调整。”

在企业级市场,三星、海力士、美光占据绝对优势,后来者进入压力大。上述接近长鑫存储管理层的人士透露,一些企业客户想尝试使用长鑫产品,会遭到主流厂商施压,潜台词是“如果用长鑫,那我就不供给你了”。

“内存不能出错,一出错电脑就死机,笔记本厂商对内存要求更严,而进入服务器供应链则是最难的。”中国闪存市场分析师戴晓瑜向财新记者分析,“如果长鑫能够进PC厂商(的供应链),就基本不用担心市场问题了,接下来再去做服务器。”据调研机构集邦咨询数据,2019年全球内存需求中,PC、服务器的市场份额分别为14%和32%。

此外,市场对长鑫存储进入政府采购预期颇高。一名北京的半导体行业人士表示,政府采购市场有理由扶持国产产业,而且近年随着智能城市的兴起,政府对服务器需求也很大。不过,长期来看,长鑫存储要站稳脚跟,必须直面市场竞争。

以2020年每月4万片的产能来看,长鑫存储占据全球投片量的约4%。集邦咨询分析师吴雅婷认为,由于今年长鑫的投片规模不算大,海外品牌现阶段不会做出任何调整;预计到明年,长鑫将有机会在国内市场具备一定影响力。

在长鑫存储积蓄力量之际,市场担忧主流厂商启动价格战。在DRAM市场,竞争一直很激烈,在关键时刻,主流厂商甚至愿意承受亏损,用价格战逼退竞争对手。

长鑫存储显然在成本上没有优势。内存芯片的成本主要取决于工艺和良率。一般而言,工艺越先进,晶圆上产出的芯片数越多;良率越高,产出芯片中能用的量就越大。目前,长鑫存储的DDR4颗粒采用19纳米制程,而三星、美光早已采用14至16纳米制程;良率提升则需要时间,即使是主流厂商也需要一到两年才能将新工艺的良率提升至90%,而长鑫存储2019年9月才正式投产。上述半导体行业资深人士表示,即使不考虑良率,以同样的一片12寸晶圆来看,长鑫存储的产出不及三星的一半。

不过,上述接近长鑫存储管理层的人士认为,价格战不会致命。内存芯片的销售周期较长,长鑫存储完全可以暂缓资金回流速度,等到价格见好再卖。更关键的是,客户也希望看到更多竞争。“下游厂商很聪明,知道如果陪它们玩,把长鑫杀死了,它们马上就会涨价。没有人愿意养虎为患,最后出现一家独大。”

吴雅婷向财新记者表示,长鑫的定价策略尚未明确,不过初期其出厂定价略低于其他供应商产品。另一家调研机构也向财新记者表示,长鑫颗粒的定价低于三星,不过差距较小。

脆弱的中国“芯”

尽管长鑫存储已经走进市场,但从整个中国存储产业来看,技术、人才、供应链等极度缺失,生态仍然脆弱。

2015年,受国家政策拉动,加上中兴被美国制裁、芯片断供的刺激,国产芯片替代呼声日隆,各地芯片项目应运而生。2016年,福建晋华、合肥长鑫和紫光集团旗下的长江存储相继成立,被视为中国建立存储芯片产业的“三驾马车”。

晋华成立不到两年,尚未推出产品,便遭遇美国专利和监管双重狙击。2017年12月,美国存储巨头美光将联电及晋华告上加州法庭,称其涉嫌窃取商业机密。2018年10月,美国商务部又将晋华列入出口管制实体名单,理由是晋华已接近达到大规模量产DRAM的水平。由于该技术“很有可能”来自美国,这些产能会威胁到美国同类企业,影响美国军队的供应链,从而对美国的国家安全或外交利益产生影响。受美国制裁影响,晋华业务基本停滞。

芯谋研究首席分析师顾文军曾向财新记者表示,因为DRAM更加成熟、高度集中和更加“标准”的产业特性,做DRAM的难度要远超闪存,任何新进入者都面临着技术来源、团队、专业化运营和成本的几大难题。福建晋华被禁,是一个警示。外界普遍认为,在DRAM领域,要突破三星、海力士、美光三家企业的专利封锁非常困难,中国企业尤其需要注意。

长鑫存储希望借奇梦达专利筑起护城河。朱一明在2019年9月的世界制造大会上介绍,通过与奇梦达的合作,长鑫存储获得1000多万份有关DRAM的技术文件及2.8TB数据,成为最初的技术来源之一,公司在此基础上开发出独有的技术体系。之后长鑫又分别收购英飞凌和美国半导体公司蓝铂世(Rambus Inc.)部分DRAM专利和实施许可。

长鑫存储还聘请了两名奇梦达资深技术人才库斯特(Karl Heinz Kuester)、濮必得(Peter Poechmueller)出任公司顾问。库斯特在奇梦达工作了24年,一路做到技术及预研副总裁,负责新技术研发;濮必得在西安成立了奇梦达DRAM研发中心,并担任总经理。

奇梦达前身是欧洲DRAM龙头英飞凌(Infineon)。2006年,英飞凌剥离了亏损严重的DRAM业务,成立奇梦达。受2008年全球金融危机和市场竞争的不利影响,成立不到三年的奇梦达在2009年破产,留下了相当数量的DRAM专利和技术文件。

“奇梦达的技术路线跟美光不一样,长鑫拿到更多的技术授权和专利有防御作用。”一名北京的半导体行业人士对财新记者称,当竞争对手发起专利战,一些基础的专利可以用来“打仗”。

接近长鑫存储的人士也向财新记者透露,长鑫尤其注重对know-how(关键技术)的处理,公司会详细记录技术路线图,以备在遭遇诉讼时拿出证据,还会要求从其他公司过来的员工一律不得携带文件。

除了专利挑战,基础研究、人才、资金等亦是掣肘。上述专注于研究半导体行业的教授介绍,1990年,中国开展首次内存芯片产业化,原来的电子工业部启动“908工程”,由无锡华晶建立6英寸DRAM产线。该项目历经七年才量产,当产品终于问世时,技术已经远远落后于韩国厂商。“为什么刚量产就落后了?因为做产品开发的时候没有做科研,等你的产品出来,别人新研发的技术又出来了。”

该教授强调,在芯片的研发端,科研人员负责底层技术突破,产品开发人员进行实践,两者缺一不可,在追赶产品的时候也要将资源向底层技术倾斜。

据波士顿咨询(BCG)今年3月发布的报告,美国半导体行业成功因素之一是巨额研发投入。过去十年,美国芯片行业投入高达3120亿美元,科研投入占总收入比例接近20%,大大高出海外企业的7%至14%。

要做好研发,中国半导体人才缺口巨大。据《中国集成电路产业人才白皮书》,到2021年,中国半导体行业总共需要72万人,缺口为26万。上述专注研究半导体行业的教授介绍,中国每年集成电路相关专业毕业生约为2万人,其中不少人会进入政府、互联网行业等,最终留在本行业内的不超过三分之一。

值得庆幸的是,技术迭代速度开始减缓。清华大学微电子研究所所长魏少军认为,技术不会永远高歌猛进,比如DRAM可能走到十几纳米就将停滞下来,“在别人发展放缓的时间窗口里,我们可以一步步追赶”。同时他强调,在原有的技术之外,新技术会不断涌现,就像盖房子,你可以用砖,也可以用木头、竹子、钢材,关键在于技术上能否找到合适的路径去做这件事。“现在市场已经开始涌现许多新型存储器,譬如英特尔的X-Point等,中国的存储器企业或许可以从新技术上切入。”

中国存储产业刚刚起步,业界呼吁集中资源,避免内耗。2016年,紫光和武汉新芯合流,成立长江存储主攻闪存,就是因为在探索中形成共识:做存储器不可能四面开花,一定是集中资源、人力、财力去做。在更为艰难的DRAM领域,除了长鑫存储,紫光集团2019年亦在重庆布局12英寸存储芯片,计划2021年建成投产。市场担忧,两家公司能否借鉴韩国两大存储巨头三星、海力士的经验,避免内讧最终寻求共同成功。同时,这还将取决于资本是否有足够的耐心支持中国国产存储走下去。

注:本文2020年7月20日在财新周刊刊发中文版,给Caixin Global的App用户专享阅读。

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