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Aug 24, 2020 10:36 AM

特稿 | 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? (Chinese)

China made a major breakthrough in its quest to become more self-reliant in the semiconductor industry when ChangXin’s DRAM chips reached the market. Photo: IC Photo
China made a major breakthrough in its quest to become more self-reliant in the semiconductor industry when ChangXin’s DRAM chips reached the market. Photo: IC Photo

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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。

The Chinese version of this article was published in Caixin Weekly on Jul. 20, 2020, and is only available for Caixin Global’s app users. To unlock more bilingual articles, download the Caixin app.

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