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中国存储器产业亟待破局
即使最强大的华为,到2013年发布了P6,才算是第一部真正卖出影响力的智能手机,如今已经四年了,全球智能手机销售额也不到三星的30%,比苹果差的更远.所以,中国要在存储领域追上世界最先进水平,不能指望短时间内做到,要做好五年、十年的长期竞争准备.
文 / 宁南山
存储器不仅是我国进口集成电路的大头,而且在全球半导体市场占有举足轻重的地位.以2016年为例,全球半导体的销售额之和为3389.31亿美元,其中集成电路为2766.98亿美元,占82%（注意集成电路是半导体的一部分）.单看存储器的话,市场为780?800亿美元左右,占全球半导体市场的23%,是仅次于逻辑电路的第二大产品.
在存储器这个领域,韩国人是毫无疑问的全球霸主,在DRAM领域（即手机里的1G、2G、4G内存）,韩国拥有压倒性优势,三星+海力士占了全球份额80%；在NAND FLASH领域（即,手机里的32G、64G、128G内存）,三星+海力士也占了全球份额50%?60%.韩国的三星和海力士,也凭借着在存储器领域的出色表现,成功把韩国送进了世界半导体强国的行列.
巨头盘踞,国产品牌生存维艰
以2016年全球半导体20强的营收为例,前20强中美国公司营收总和遥遥领先1197亿美元,世界第一；2016年韩国三星+海力士两家营业收入为587亿美元,仅次于美国位居世界第二；世界第三是我国台湾,台积电+联发科+联电为423.89亿美元；世界第四是欧洲,有三家NXP+英飞凌+ST为243.5亿美元.整个欧洲还没有韩国的一半,是韩国的41.5%.世界第五是日本,索尼+瑞萨+东芝三家加起来是213.74亿美元,只有韩国的36.4%.
是否有种出人意料的感觉？单从营收来看,韩国竟然是世界第二半导体强国,比欧洲和日本加起来还要多.实际上,由于存储器在2017年的疯狂增长,韩国成为全球半导体领域增长最快的国家.根据ICinsight 2017年10月的预计,2017年NAND闪存市场强势增长44%,DRAM市场更是逆天增长74%,两相加持之下,带动2017年IC市场将实现强劲增长22%.
也就是说,2017年存储器占世界半导体的份额不是23%了,而是30%.这直接使得三星和海力士今年大赚特赚.
韩国芯片厂商SK海力士发布了第三季度财报.报告显示,SK海力士Q3净利润同比增长411%至30560亿韩元（约合27亿美元）.这个季度净利润是华为一年净利润的50%,比索尼和松下一年的净利润都多.如果海力士继续保持这样的季度净利润,也将成为惊人的百亿美元利润公司.
三星2017年第三季度净利润更是高达98.7亿美元,增长145%,季度净利直逼苹果,成为世界最赚钱的两家公司,比全球所有银行、保险、石油公司都要赚钱.
那么三星的净利润和业绩为什么增长这么快呢？以2017年上半年为例,上半年三星半导体收入293亿美元,增长49%；OLED屏幕收入132亿美元,增长25%；手机收入453亿美元,增长0.4%；家电收入187亿美元,下降0.1%.
再看营业利润率,半导体43.1%,手机21.5%,屏幕20.1%,家电仅为3.3%.看营业利润的话,2017年上半年三星半导体营业利润126.3亿美元,而手机是52亿美元,OLED屏幕为26.5亿美元,家电为6.2亿美元.
半导体已经是三星第一大利润来源,超过了三星电子其他三项主营业务手机+OLED屏幕+家电之和,三星今年的增长,主要就是靠存储器,其次是屏幕.
实际上,三星已经超过了英特尔,成为世界第一大半导体公司,2016年第一季度,三星半导体对英特尔的收入是93.4亿美元和131亿美元,到了2017年第二季度,已经变成了149亿美元对144亿美元.三星半导体超越了英特尔.
韩国的人口只占全球的0.7%,在半导体领域,不只是存储器,如果再算上三星的手机处理器的话,他们拿下了全球半导体市场的20%左右,超过了日本、欧洲和中国,可以说半导体产业是韩国人20多年前赌对了国运.
不过从另外一个角度来讲,如果当年韩国人半导体这条路走错了,那么今天韩国的人均GDP就不是2.7万美元了,而是更低,这也是小国家抗风险能力弱的结果.
存储器主要分为DRAM和FLASH,在2016年,市场容量DARM为大约414亿美元,NAND FLASH大约为346亿美元,还有个市场份额比较小的NOR Flash（代码型闪存芯片）市场,2016年市场空间大约33亿美元左右.
2017年,DRAM市场将达到720亿美元的规模,DRAM预计将成为2017年半导体行业最大的单一产品类别,超出NAND闪存市场（498亿美元）222亿美元.
中国目前只有在NOR Flash这个小市场有存在感,NOR Flash即代码型闪存芯片,主要用来存储代码及部分数据.广泛应用于PC主板、安防监控产品、智能家电产品、汽车等.
夹缝求生,聚焦小市场
根据Trend force 2017年6月的数据,2016年全球市场份额,美国Cypress第一,25%；台湾旺宏第二,24%；美国美光第三,18%；台湾华邦第四,17%.在四强之外,就是兆易创新了,市场份额7%,这可以说是国内唯一一家自主的存储器厂商.
当然这个7%只是2016年的平均值,实际上由于兆易创新增速很快,2016年第四季度的份额已经超过7%了,而且2017年以来Cypress和美光在中低端领域的不断退出,现在兆易创新的全球市场份额已经超过10%.
兆易创新的技术水平如何呢？最高端NOR Flash产品多由美光、Cypress供应,供应容量为64Mb、128Mb,华邦、旺宏则以NOR Flash中端产品供应为主,多供应16Mb、32Mb、64Mb产品,而兆易创新提供的多为低端产品,32Mb或者16Mb以下居多.事实上,兆易创新已经可以提供从512Kb至512Mb的系列产品,涵盖了NOR Flash的大部分容量类型,但是这和量产到达高良率还是有差距.
目前兆易创新的NOR Flash工艺现已由0.13μm（微米）升级至65nm（纳米）实现量产,更先进的45nm产品预计2019年才能实现量产.可以看出,NOR Flash并不需要先进的制程,中芯国际完全就可以搞定.事实上,兆易创新主要就是让中芯国际提供代工制造服务,目前60%左右的产品都是在中芯国际生产的,另外还有些是在长江存储旗下的武汉新芯公司生产.
很多人都知道,兆易创新2017年也大幅度的赚钱了,在NOR Flash产品上,为维持产品高毛利、开拓更广阔的市场,赛普拉斯（Cypress）、美光科技、三星电子等全球闪存芯片巨头已将产品重点转入市场容量更大的NAND FLASH和DRAM芯片领域,尤其美光释放信息希望出售NOR Flash业务.随着全球闪存芯片巨头逐步淡出NOR Flash芯片市场,给兆易创新带来了非常大的机遇.
兆易创新是一家技术型公司,创始人朱一明是清华的硕士,硅谷海归,国家千人计划技术专家,他领导兆易创新开创了中国存储器产业的商业化.
除了NOR Flash以外,兆易创新还做低容量尤其是SLC（single level cell）的NAND FLASH产品,SLC可以理解成一个存储单元只能存储一位数据,也就是0或者1,产品容量从1Gb至8Gb,这些小容量产品整体市场规模较小,并不能发挥国际主要大厂工艺节点先进的特长,适合兆易创新的发挥.换句话说就是别人看不上的小市场.
目前主要国际大厂三星,东芝,海力士等都是做MLC（Multilevel cell）和TLC（trinarylevel cell）比较多,分别是一个存储单元可以存放两位数据和三位数据,例如我们手机里面的32GB、64GB、128GB、256GB等等,基本是MLC或者TLC.这样的好处是成本低,同样一个存储单元可以存放更多数据,体现就是更大的GB容量.
目前兆易创新NAND FLASH实现38nm工艺技术产品成功量产,24nm产品研发验证进度稳步进行,加快产品量产并推出更大到32Gb的产品.这个和国际主流的差距是巨大的,三星,海力士等早已进步到14nm.
除了随着制程工艺的不断推进,在平面上总会遭遇极限,由于闪存本身的物理特性,当工艺逐渐提高后,物理性能提升并非线性,因为每个存储单元存储的数据电荷会互相干扰.因此还要朝堆叠的方向发展,这样对制程工艺的要求反而没有那么高.
兆易创新也需要开发类似于三星的32层,64层堆栈3D NAND FLASH,才能满足高容量和先进制程的要求,不过短期内不要指望兆易创新能做出来,因为连2D NAND FLASH的24nm制程都还没有量产.国际大厂都是因为2D的制程做到了16nm,14nm,甚至10nm,逐渐遭遇了极限,才转向3D寻求更高性能和容量.
另外兆易创新还做MCU产品,目前海外大厂瑞萨、NXP、TI、ST等厂商占据主导地位,但公司在部分细分领域已经取得不错的进展,兆易创新的 MCU产品,主要应用是在物联网和车联网领域.
实际上,看2016年兆易创新上市时候的资金筹集,NOR Flash研发和产品改造1.6亿元,NAND Flash研发和产业化投入2亿元,MCU产品研发和产业化投入1.2亿元,另外3280万元建立研发中心.这家公司是典型的技术型公司.
2017年前三季度,兆易创新公司实现营业收入15.17亿元,同比增长44.69%；归属于上市公司股东的净利润3.39亿元,同比增长134.74%.预计2017年能够首次突破20亿人民币,但是仍然是一家只有3亿美元的小公司.
强强联合,开展技术攻坚
由于兆易创新良好的发展态势,也被合肥的自主化集成电路项目合肥长鑫看上了,合肥长鑫是安徽合肥政府控股的国有公司,成立于2016年6月.在2016年底投资494亿元人民币开始建设DRAM存储器基地（实际消息在2017年5月才正式公布）,预计2018年底开始量产,两年时间量产,简直是大跃进.
2017年8月,合肥日报一篇文章写道：“现在,在合肥经开区,合肥长鑫高端通用存储晶圆制造项目正在施工,该项目拟建成业界先辈工艺制程的12英寸存储器晶圆研发项目,计划2017年厂房建成,2018年上半年完成设备安装和调试,预计下半年产品研发成功.”
其技术来源是哪里呢？合肥长鑫核心的经营合作伙伴是合肥睿力集成公司,这家公司的法人是王宁国,是大名鼎鼎的全球第一大半导体生产设备公司美国应用材料公司的前全球执行副总裁,应用材料公司还有一个中国人尹志尧,也曾经做到副总裁的位子,他后来回国创建了现在国内最好的半导体设备制造企业中微半导体.王宁国也是前中芯国际的CEO,在2011年的那场中芯国际控制权争夺战中,他离开了中芯.
所以合肥市政府是依靠王宁国的睿力集成公司来组建集成电路发展平台,大举挖角海力士,尔必达,华亚科等的员工组成研发队伍,华亚科前资深副总刘大维也成为了合肥长鑫的员工.
除了以王宁国主导开展公司经营和发展以外,合肥政府还找来了兆易创新作为合作伙伴,实际上在合肥长鑫刚刚成立的2016年,兆易创新在全国的高校,展开一连串招募活动的时候,在招募简章上就揭示了兆易创新与合肥的共建项目,要打造集设计、制造、加工于一体的芯片公司,项目共三期计划,第一期规划兴建一座12寸晶圆厂,落户合肥空港经济示范区,估计2017年7月动工,而目前团队逾50位员工,到2017年估计要达千人规模、2018年上看2千人,这个项目实际上就是合肥长鑫DRAM项目.
经过一年多的筹备,兆易创新与合肥产投（合肥市产业投资控股（集团）有限公,唯一股东及实际控制人为合肥市人民政府国有资产监督管理委员会）于2017年10月26日签署了《关于存储器研发项目之合作协议》,约定双方合作开展工艺制程19nm 12英寸晶圆存储器（含DRAM等）研发项目,预算约为180亿元人民币.项目目标在2018年12月31日前研发成功,实现产品良率不低于10%.
2018年12月31日离现在也就是一年多一点,如果顺利完成的话,那么合肥长鑫将成为中国第一家自主化大规模DRAM工厂,领先长江存储.虽然到时候良率只有10%,但是也将是突破性的进步.
为什么是突破性的呢,因为将是世界第四家突破20nm以下DRAM生产技术的公司,按照目前规划的产能（月产12.5万片晶圆）来看,如果全部顺利实现,虽然到时候仍然比不上三星和海力士,但是可以和美光比较下,也在全球第四位.
但现在的疑问是,兆易创新这么多年虽然一直在搞自主研发,但是只有NOR Flash, SLC NAND FLASH和MCU的量产经验,缺乏DRAM领域的量产技术,另外王宁国虽然是产业大牛,但是他从多家厂家挖角技术人员过来,那么谁才是核心技术主导？这些都不得而知,但是合肥长鑫以兆易创新+睿力集成的形式开展DRAM试产技术攻关,让人拭目以待结果.
前景不明,自主研发多磨难
在存储器领域,除了已经有了多年自主化经验兆易创新以外,就是国家队长江存储公司了.说长江存储,还得从武汉新芯说起.武汉新芯是武汉的集成电路制造企业,成立于2006年.
这家企业成立还是政府背景,是湖北省和武汉市下决心进军集成电路制造领域的产物,但是湖北省和武汉市政府并没有管理集成电路制造工厂的经验和技术,所以最开始采取的对策是交给中芯国际来管理,但是中芯国际在当时,本身也处在艰难发展之中,尤其是技术上被台积电诉讼侵权,实际上无暇顾及武汉新芯的发展.
武汉新芯成立之初本来是想做DRAM,没错,中国早在11年前就开始试图进军DRAM领域了,但是成立之初就遇到了DRAM的低谷周期,不得不放弃DRAM的生产,民族工业的发展总是会遇到困难.
武汉新芯2008年9月开始为美国Spansion（飞索半导体）生产NAND FLASH闪存,那个时候武汉新芯的技术水平还在65nm这个阶段.然而好景不长,飞索半导体遭遇经济危机之后业绩一路下滑,到2010年武汉新芯订单数量急剧下降.不得不寻求出售,台湾台积电,美国美光,豪威都成为潜在的合资对象,
但是由于国内业界的呼吁,以及武汉市政府坚持自主的原则,最终放弃了合资计划.这个时候武汉新芯已经成立四年了,可见中国集成电路制造企业的艰难.
当然合资未果也带来了一些机会,那就是美国豪威的图像传感器（豪威,索尼和三星是手机摄像头的图像传感器芯片的高端三巨头）开始找武汉新芯生产制造,但是新芯公司仍然处于艰难地步.
2011年,在武汉政府安排下,中芯国际最终作为武汉新芯的合资对象,中芯国际投资10亿美元,把新芯变成中芯国际的控股子公司,但是中芯国际2011年的营收只有13.2亿美元,比上一年大幅下滑15.14%,净利润为大幅亏损2.47亿美元,比上一年大幅下滑19.8倍.
因此合理估计,中芯国际的10亿美元注资计划实际上最后没有完成,2013年中芯国际退出了武汉新芯业务.武汉新芯2013年之后导入了兆易创新的NOR Flash业务,为兆易创新提供制造服务,两家国产设计和制造公司终于联合起来了.事实上,2017年以来兆易创新的业绩飙升,也带动了武汉新芯的收入上涨,遗憾的是由于2017年上游的12英寸硅片被日本公司卡脖子,导致武汉新芯拿不到硅片产能,所以找中芯国际签协议买硅片,当然实际上中芯国际也是找日本人买,曲线救国而已.
武汉新芯的命运转机还是来自于2014年11月成立的国家集成电路大基金,这个基金推动中国先进集成电路产业发展.
2016年3月武汉新芯宣布,将投资240亿美元在武汉打造一个世界级的半导体存储企业,集中精力研究生产NAND FLASH和DRAM.
分三个阶段部署,第一家工厂专注NAND闪存生产,第二家工厂专注DRAM芯片生产,第三个阶段的设施将专为供应商服务.
注意,第一家工厂是做NAND FLASH的,也就是长江存储是优先量产NAND FLASH产品.由于一直和飞索半导体（Spansion）合作制造NAND FLASH产品,所以武汉新芯还是选择和Spansion合作研发新一代的32层3D NAND FLASH.
240亿美元,武汉新芯哪里来这么多钱呢？背后是国家集成电路产业投资基金股份有限公司、湖北省集成电路产业投资基金股份有限公司、国开发展基金有限公司、湖北省科技投资集团有限公司共同出资作为股东.
四个月之后的2016年7月,在国家大基金的推动下,紫光集团参与进来,共同在武汉新芯公司的基础上成立了长江存储公司,武汉新芯成为长江存储的全资子公司,长江存储由紫光集团控股子公司紫光国芯,国家集成电路产业投资基金股份有限公司、湖北国芯产业投资基金合伙企业和湖北省科技投资集团有限公司共同出资.其中紫光国芯出资197亿元人民币,占51.04%,从而对长江存储形成控股.
湖北和武汉政府多年对武汉新芯的坚持,让中国的存储器制造有了发展的基础,或者说是火种.
合作研发,迈出产业化关键步
2017年1月,紫光集团进一步宣布投资300亿美元（约2000亿人民币）,在江苏南京投资建设半导体存储基地,一期投资100亿美元,建成月产能10万片,主要生产3D NAND FLASH（闪存）、DRAM存储芯片.
武汉工厂 240亿美元+南京工厂 300亿美元,光是长江存储项目,中国就砸了540亿美元,那么长江存储的前景如何？
首先武汉新芯公司之前一直在为美国飞索半导体生产NANDFLASH,同时目前也是兆易创新NOR Flash产品的供应商,因此是有制造经验的.
长江存储面临的是和中芯国际一样的问题,就是先进技术决定着未来.
长江存储自身的技术实力肯定是不足的,为了获取技术,长江存储的前身武汉新芯就是在和飞索半导体进行联合研发NAND FLASH,要知道飞索半导体现在已经被美国Cypress公司收购,这是全球NOR FLASH领域的领头公司.
但是不管是飞索半导体,还是Cypress,都不是NAND FLASH领域的先进厂家,这个市场是被三星,海力士,美光,东芝四巨头把持的.
所以飞索半导体自身的NAND FLASH技术实力,也是无法和国际四大厂相比的.
长江存储也深知飞索半导体的技术实力也是不够的,为了推动技术研发的进步,长江存储除了和飞索半导体合作,主要是找来了国家队的中科院微电子研究所搞共同研发,事实上,从中科院的网站上也可以看出,他们深度的和长江存储一起研发新工艺.
2017年2月,中科院微电子所的网页上发布了这样一条消息,国产32层3D NAND FLASH芯片取得突破性进展,通过电学特性等各项测试.
新闻中明确的提到“该款存储器芯片由长江存储与微电子所三维存储器研发中心联合开发,在微电子所三维存储器研发中心主任、长江存储NAND技术研发部项目资深技术总监霍宗亮的带领下,成功实现了工艺器件和电路设计的整套技术验证,向产业化道路迈出具有标志性意义的关键一步”.
很有意思,中科院微电子所的主任同时兼任长江存储的技术总监.
除了两个外部力量,美国飞索半导体和中科院微电子所合作以外,长江存储也在加强自己的研发力量,挖来了晨星创办人和前总经理,技术大牛杨伟毅出任长江存储公司CTO,晨星当年在台湾和联发科是芯片领域的大小M（英文名字都以M开头）,只不过后来晨星被联发科收购了.
同时紫光还延揽了台湾第二大晶圆代工厂联电前CEO孙世伟,担任全球执行副总裁一职.不过孙世伟主要负责紫光在成都的12寸晶圆厂业务,并非是负责存储芯片.杨伟毅和孙世伟这两位都是台湾半导体业界鼎鼎有名的大佬级人物,
紫光集团还有另一位全球执行副总裁高启全,他是紫光集团董事长赵伟国2015年10月亲自从台湾挖过来的重量级人物,高启全是台湾NOR Flash公司旺宏的创始人,同时也是台湾第一,世界第四大DRAM公司南亚科的总经理.同时还是南亚科和英飞凌的合资公司华亚科的董事长（华亚科目前已经被美国美光并购）,是台湾半导体产业的重量级人物.目前高启全在长江存储担任的是执行董事长的角色,同时也从台湾带来了一些有经验的工程师.
市场多变,抗韩之路漫漫
高启全在2017年接受记者采访时表示,3D NAND和DRAM技术绝对在大陆自主开发,技术不成熟时不会冒然投产,另外除了3D NAND闪存之外,还组建了500人的研发团队,其中大约50人来自台湾,攻关DRAM内存制造技术.
目前长江存储的重心放在3D NAND FLASH的开发上面,同时也在推进20/18nm的DRAM开发.NAND Flash肯定是长江存储最先量产的产品,因为传统2D转3D NAND技术后,半导体机台设备几乎都要换新,所以这时候投入是对的,每一个存储器阵营都站在同一个出发点.
而DRAM技术,每转进新一程技术仅增加20%的半导体机台设备,意思是,既存的半导体大厂的多数机台设备都已经折旧光了,新加入DRAM技术的人去买新设备来生产,成本非常贵,竞争力会很差.
20/18nm工艺的DRAM—如果是真的,那么这个技术水平确实很先进了,虽然三星2015年前就量产20nm工艺了,不过美光、SK Hynix公司都在2017年才会完成制程转换到20nm,而18nm目前就只有三星一家大规模量产,其他两家还在准备中.
而合肥长鑫的19nm,最快也要到2018年底才能达到10%的良率,按照长江存储的说法,DRAM进度慢于NAND FLASH,那么DRAM量产最快也就是在2020年,差距还是有三年.
长江存储现在的进度,根据长江存储CEO杨士宁介绍,2017年底将提供32层样片,继续向64层3D NAND发展,乐观估计2019年量产64层技术.
目前韩国三星已经在2017年量产64层 NAND,可以看出中国和韩国的技术差距在2年,2年看似很短,其实在竞争激烈瞬息万变的市场,已经是极大的差距了.抗韩将是长期的进程.
总结一下,2016年是中国存储器产业大发展的元年,长江存储和合肥长鑫公司都是在这一年成立,按照计划,合肥长鑫是2018年底开始DRAM试产,2019年规模量产；长江存储是在2019年开始64层 3D NAND FLASH 规模量产,DRAM的进度慢于NAND FLASH,那么就是2020年.
也就是说,大约2年后的2019年就是最关键的年份,中国存储器量产与否就看那个时候了,事实上就算一切顺利,到时候的量产的良率也还达不到国际水平,在技术上也落后主流两三年,所以在市场上不可能用于高端的旗舰机型.
2019年会解决有无的问题,也就是在2019年才开始上场比赛,要想真正的实现超越,还早的很,即使最强大的华为,到2013年发布了P6,才算是第一部真正卖出影响力的华为品牌智能手机,到今天已经四年了,全球智能手机销售额也不到三星的30%,比苹果差的更远.
所以,中国要在这个领域追上世界最先进水平,不能指望短时间内做到,要做好五年、十年的长期竞争准备.
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