半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是現(xiàn)代以數(shù)據(jù)為中心社會(huì)的關(guān)鍵戰(zhàn)略市場(chǎng),,并受到重要的大趨勢(shì)的推動(dòng),這些大趨勢(shì)包括移動(dòng)性,,云計(jì)算,,人工智能(AI)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。NAND(非易失性)和DRAM(易失性)是當(dāng)前的主流存儲(chǔ)器,,分別用作智能手機(jī),,固態(tài)硬盤(pán),PC,,服務(wù)器和車(chē)輛等廣泛應(yīng)用和系統(tǒng)的存儲(chǔ)和工作的存儲(chǔ)器,。2019年,,NAND和DRAM占整體獨(dú)立存儲(chǔ)器市場(chǎng)的96%,合并收入為1070億美元,。
中國(guó)是存儲(chǔ)設(shè)備的重要市場(chǎng),,并且由于移動(dòng),汽車(chē)和服務(wù)器市場(chǎng)的需求旺盛,,其需求繼續(xù)保持強(qiáng)勁增長(zhǎng),。值得注意的是,中國(guó)購(gòu)買(mǎi)了全球制造的所有NAND和DRAM芯片的1/3以上(圖1),。
中國(guó)的中央和地方政府與私人企業(yè)合作,,已投資數(shù)十億美元發(fā)展本地半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),以彌合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)與消費(fèi)之間的差距,。早在2015年,,中國(guó)政府就啟動(dòng)了一項(xiàng)大規(guī)模資助計(jì)劃,以將其國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體IC生產(chǎn)從2015年的不到20%提高到2025年的70%,。大約20個(gè)地方政府設(shè)立了指導(dǎo)基金,。達(dá)成總價(jià)值超過(guò)900億美元的總體投資計(jì)劃。中國(guó)一直在努力與這一雄心勃勃的計(jì)劃保持同步,。
但是我們必須認(rèn)識(shí)到,,打造和運(yùn)營(yíng)與市場(chǎng)領(lǐng)先者相同的技術(shù)能力的半導(dǎo)體晶圓廠并不是一個(gè)僅通過(guò)投入資金就能解決的問(wèn)題。特別地,,由于3D NAND和DRAM設(shè)備的高制造復(fù)雜性,,存儲(chǔ)器是一項(xiàng)非常具有競(jìng)爭(zhēng)性和挑戰(zhàn)性的業(yè)務(wù)。應(yīng)考慮的主要挑戰(zhàn)之一是對(duì)高級(jí)技術(shù)IP和工程人才的需求,。美光,,三星和SK hynix等外國(guó)公司不接受前沿存儲(chǔ)器產(chǎn)品的技術(shù)許可或與當(dāng)?shù)毓镜暮献骰锇殛P(guān)系。而且,,收購(gòu)?fù)鈬?guó)實(shí)體的交易通常受到全世界外國(guó)政府的阻止,。
如今,中國(guó)OEM必須從領(lǐng)先的國(guó)際供應(yīng)商那里購(gòu)買(mǎi)其大部分NAND和DRAM芯片,,例如美光,,英特爾和Western Digital(美國(guó)),三星和SK hynix(韓國(guó))以及Kioxia(日本),。這些參與者在技術(shù)開(kāi)發(fā)方面處于領(lǐng)先地位,,并制定了快速而積極的擴(kuò)展計(jì)劃。在2019年,,同時(shí)提供NAND和DRAM產(chǎn)品的制造商(例如三星,,SK hynix和美光)將其存儲(chǔ)芯片生產(chǎn)的30%以上賣(mài)給了位于中國(guó)的公司,以及純NAND廠商(例如Kioxia,,Western Digital和英特爾–平均將其N(xiāo)AND生產(chǎn)的30%銷(xiāo)往中國(guó)(圖2),。
在與西方的貿(mào)易緊張關(guān)系不斷升級(jí)的背景下,,在中國(guó)建立自給自足的半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)程已大大加快。然而,,領(lǐng)先的半導(dǎo)體國(guó)家可以通過(guò)貿(mào)易手段很容易地限制其發(fā)展,。因?yàn)橹袊?guó)半導(dǎo)體制造商仙子啊依靠外國(guó)公司來(lái)提供最新的晶圓廠設(shè)備(WFE),因?yàn)楸镜卦O(shè)備供應(yīng)商無(wú)法提供領(lǐng)先的制造工具,,而且與全球同行的技術(shù)差距太大,,無(wú)法在幾年的時(shí)間里消除差距。
因此,,對(duì)于美國(guó)(應(yīng)用材料,,Lam Research,KLA Tencor)以及歐洲(ASML,,EVG)和日本(Canon和Tokyo Electron)的巨型半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)商來(lái)說(shuō),,預(yù)計(jì)中國(guó)仍將是其未來(lái)多年的主要市場(chǎng),美國(guó)政府對(duì)芯片制造技術(shù)的貿(mào)易限制將極大地限制此類(lèi)WFE玩家的可服務(wù)市場(chǎng),,并將對(duì)中國(guó)的存儲(chǔ)器制造能力產(chǎn)生重大影響,。
除此以外,如果美國(guó)存儲(chǔ)器制造商被禁止向中國(guó)出售產(chǎn)品,,他們將不得不尋找新客戶來(lái)購(gòu)買(mǎi)他們的產(chǎn)品,,而韓國(guó)或日本的其他存儲(chǔ)器制造商將看到中國(guó)的需求激增。隨著可以從中購(gòu)買(mǎi)的公司數(shù)量減少,,中國(guó)公司可能會(huì)看到內(nèi)存價(jià)格上漲的趨勢(shì),。
中國(guó)存儲(chǔ)公司概述
中國(guó)有幾個(gè)正在進(jìn)行的半導(dǎo)體存儲(chǔ)項(xiàng)目,當(dāng)中涉及國(guó)內(nèi)外參與者(圖3),。SK hynix,,三星和英特爾(最近出售給SK海力士)是主要的外國(guó)芯片制造商,在中國(guó)擁有大量的NAND和DRAM生產(chǎn),。SK hynix的無(wú)錫DRAM晶圓廠每月的裝機(jī)容量為200,000個(gè)晶圓(WPM),,而三星和英特爾的3D NAND晶圓廠可分別生產(chǎn)120,000 WPM(西安)和65,000 WPM(大連)。
兩家最具競(jìng)爭(zhēng)力的本地公司是長(zhǎng)江存儲(chǔ)(YMTC)和長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)(CXMT),。在NAND業(yè)務(wù)中,,長(zhǎng)江存儲(chǔ)在中國(guó)處于領(lǐng)先地位。目前,,該公司正在國(guó)內(nèi)小批量運(yùn)送64L NAND(包括SSD),,預(yù)計(jì)在2021年將有128L產(chǎn)品投入生產(chǎn)和出貨。至于DRAM,,CXMT是中國(guó)最先進(jìn)的DRAM公司,已憑借基于10G1制程的8Gb DDR4產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng),。2019年,,YMTC和CXMT均在半導(dǎo)體制造設(shè)備上花費(fèi)了巨額資金,,為全球WFE供應(yīng)商提供了不少收入。
在DRAM業(yè)務(wù)中,,還有兩家值得一提的公司:福建晉華集成電路有限公司(JHICC)和清華紫光集團(tuán),。JHICC一直在與臺(tái)灣聯(lián)華電子合作開(kāi)發(fā)DRAM,但在2018年10月因?yàn)槊绹?guó)的起訴,,而遭受了重大挫折,。
清華紫光集團(tuán)是著名的國(guó)有控股工業(yè)集團(tuán)和投資集團(tuán),在政府中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的框架內(nèi)運(yùn)作推廣策略,。它擁有對(duì)多家公司的控制權(quán),,其中包括YMTC,西安UniIC半導(dǎo)體,,UNIC內(nèi)存技術(shù)(最近已轉(zhuǎn)移到其他子公司)以及Unimos Microelectronics(以前稱(chēng)為ChipMos,,上海)。
盡管中國(guó)開(kāi)始發(fā)展其N(xiāo)AND和DRAM產(chǎn)業(yè),,但由于當(dāng)?shù)毓?yīng)鏈的完善發(fā)展以及本地主要無(wú)晶圓制造商GigaDevice Semiconductor的推動(dòng),,中國(guó)已成為NOR閃存業(yè)務(wù)的領(lǐng)先國(guó)家之一。在2019年,,GIGADEVICE的SPI NOR業(yè)務(wù)排名全球第三,,而在全球的Nor Flash業(yè)務(wù)中,GD排在華邦,,旺宏電子和賽普拉斯之后,,位居全球第四。
中國(guó)還啟動(dòng)了一些新項(xiàng)目,,以推動(dòng)新型非易失性存儲(chǔ)器(NVM)技術(shù)的商業(yè)化,,例如自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩磁阻RAM(STT-MRAM),相變存儲(chǔ)器(PCM)和電阻性RAM(ReRAM),。圖3中列出了一些新興的NVM公司,。
長(zhǎng)江存儲(chǔ)成立于2016年,資金總額為240億美元,。該公司總部位于武漢,,在中國(guó)經(jīng)營(yíng)著最先進(jìn)的3D NAND晶圓廠,并計(jì)劃將長(zhǎng)期生產(chǎn)目標(biāo)定為30萬(wàn)WPM,。YMTC擁有約4,000名員工,,由清華紫光集團(tuán)控制,清華紫光集團(tuán)持有該公司51%的股份,。成立后不久,,YMTC收購(gòu)了武漢新芯半導(dǎo)體制造有限公司(XMC)代工廠,以利用其300mm晶圓廠。XMC是中國(guó)第一家基于TSV技術(shù)的圖像傳感器制造商,,并一直與Spansion(后來(lái)與Cypress合并)合作開(kāi)發(fā)和制造32L NAND器件,。
YMTC的一個(gè)重要里程碑是2018年推出了Xtacking 技術(shù),自2012年以來(lái),,XMC就一直在使用硅片間堆疊技術(shù),。在Xtacking 方法中,首先在兩個(gè)不同的die上制造3D NAND存儲(chǔ)器陣列和CMOS邏輯電路,,然后進(jìn)行混合鍵合工藝用于將兩個(gè)部分放在一起,。Xtacking 聲稱(chēng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的I / O速度,更大的每個(gè)die位密度,,更短的開(kāi)發(fā)時(shí)間和更快的制造周期,。
2019年9月,YMTC宣布量產(chǎn)中國(guó)首款基于Xtacking 的64L 3D NAND ,。從那時(shí)起,,YMTC計(jì)劃跳過(guò)96L技術(shù),轉(zhuǎn)而使用128L技術(shù),,以趕上即將增加第一代1xxL 3D NAND產(chǎn)量的國(guó)際NAND廠商(見(jiàn)圖4),。值得注意的是,YMTC已開(kāi)始開(kāi)發(fā)128L NAND,,其128L 1.33Tb QLC 3D NAND已通過(guò)多個(gè)控制器合作伙伴的樣品驗(yàn)證,。
總體而言,2020年1月爆發(fā)的COVID-19大流行似乎并未對(duì)YMTC的路線圖產(chǎn)生重大影響,。
2020年5月,,Phison宣布其控制器支持YMTC的3D NAND,從而為基于中國(guó)NAND的SSD進(jìn)入市場(chǎng)鋪平了道路,。YMTC也可能很快推出基于64L 3D NAND芯片的自有品牌SSD,,最初瞄準(zhǔn)中國(guó)的PC OEM。到目前為止,,這些芯片已被兩家中國(guó)公司采用:Longsys Electronics用于其Lexar品牌的固態(tài)硬盤(pán)和Power Electronic Technology用于其Gloway品牌的固態(tài)硬盤(pán),。
在當(dāng)前激烈的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)中,YMTC進(jìn)入NAND市場(chǎng)被認(rèn)為是新一輪市場(chǎng)整合的可能觸發(fā)因素,。不論其3D NAND芯片的質(zhì)量水平如何,,YMTC都能獲得中國(guó)品牌廠商的購(gòu)買(mǎi)支持。同時(shí),,作為中國(guó)的“冠軍”,,它將獲得中國(guó)當(dāng)?shù)貜?qiáng)有力的支持。
長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)于2017年在安徽省合肥市成立,。該公司隸屬于政府所有的合肥工業(yè)投資集團(tuán)(HIIG),。早在2017年,,CXMT宣布以72億美元的價(jià)格收購(gòu)300mm DRAM晶圓廠,目標(biāo)產(chǎn)能為120,000 WPM,。CXMT在2019年第三季度完成了第一階段設(shè)施(Fab 1)的建設(shè),,并引進(jìn)了用于生產(chǎn)40,000 WPM的設(shè)備。它擁有大約3,000名員工,,其中超過(guò)75%是從事與研發(fā)相關(guān)項(xiàng)目的工程師。CXMT已獲得了奇夢(mèng)達(dá)最初設(shè)計(jì)的IP許可,。CXMT可以訪問(wèn)1000萬(wàn)份文檔,,涉及模型,設(shè)計(jì),,制造,,控制,質(zhì)量系統(tǒng),,OPC,,測(cè)試模式,包裝等,。2020年4月,,CXMT還與Rambus簽署了許可協(xié)議。
CXMT的最初目標(biāo)是解決一些國(guó)內(nèi)DRAM需求,。除Longsys和Gloway外,,第二大內(nèi)存模塊供應(yīng)商ADATA Technology也已將CXMT的8Gb DDR4芯片用于面向中國(guó)臺(tái)式機(jī)/筆記本電腦市場(chǎng)的DIMM產(chǎn)品。
據(jù)報(bào)道CXMT計(jì)劃在2021年之前完成其17 nm制程技術(shù)的開(kāi)發(fā),。該公司還概述了未來(lái)的制程:在中期,,它將使用HKMG和氣隙位線(air-gap bit lin
)技術(shù),,而從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,,它將使用柱狀電容器,柵極全能晶體管以及(EUV)光刻,。但是,,長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)未來(lái)的挑戰(zhàn)依然巨大。
兆易創(chuàng)新成立于2005年,,總部位于北京,,采用無(wú)晶圓廠模式運(yùn)作,與代工伙伴以及組裝測(cè)試廠保持著牢固的關(guān)系,。GigaDevice及其代工合作伙伴半導(dǎo)體制造國(guó)際有限公司(SMIC)正在以至少25,000 WPM的產(chǎn)能為中國(guó)NOR市場(chǎng)提供動(dòng)力,。當(dāng)前的產(chǎn)品組合包括NOR(512Kb – 512Mb,現(xiàn)在有1-2Gb采樣),,SLC NAND(1-8Gb)存儲(chǔ)器和微控制器(MCU),。GigaDevice還與Rambus建立了一家名為Reliance Memory的合資公司,,專(zhuān)注于新興的存儲(chǔ)器,主要是電阻RAM(ReRAM),。最近,,它從Rambus和Reliance Memory獲得了180多項(xiàng)與ReRAM技術(shù)相關(guān)的專(zhuān)利和應(yīng)用程序的許可證。
GigaDevice經(jīng)歷了強(qiáng)勁的增長(zhǎng),,2019年的收入增長(zhǎng)了46%左右,。計(jì)劃投資4.6億美元,并計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)大業(yè)務(wù),。早在2017年,,它就與合肥工業(yè)投資集團(tuán)(HIIG)和CXMT達(dá)成了一項(xiàng)為期5年的協(xié)議,開(kāi)發(fā)總投資額為27億美元(19%的HIIG和20%的GigaDevice)的19nm DRAM技術(shù),。對(duì)DRAM技術(shù)的訪問(wèn),,再加上其現(xiàn)有的NOR閃存和SLC NAND業(yè)務(wù),可能會(huì)使GigaDevice成為中國(guó)存儲(chǔ)器行業(yè)的一支新力量,。
中國(guó)準(zhǔn)備從3D NAND開(kāi)始改變內(nèi)存市場(chǎng)格局
中國(guó)廠商開(kāi)始逐漸成為存儲(chǔ)市場(chǎng)的新興力量,,并可能引發(fā)存儲(chǔ)器業(yè)務(wù)的深刻變化。得益于政府投資基金的大量資金支持以及研發(fā)和制造的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),,YMTC在所有宣布的中國(guó)記憶體生產(chǎn)商中最早取得成功,。Yole預(yù)計(jì)YMTC的大量NAND產(chǎn)量(?4%)可能會(huì)在2021年進(jìn)入市場(chǎng),,而DRAM需要更長(zhǎng)的時(shí)間,。因?yàn)橹圃霥RAM晶圓非常困難,而且中國(guó)要想與其他行業(yè)保持競(jìng)爭(zhēng)力,,就可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間,。作為中國(guó)最先進(jìn)的DRAM制造商,CXMT將在2020年提高19nm工藝(10G1)的產(chǎn)量,。
如今,,顯然已經(jīng)將主流內(nèi)存放在優(yōu)先位置,這些內(nèi)存對(duì)于不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)中心和移動(dòng)業(yè)務(wù)至關(guān)重要,。3D NAND和DRAM項(xiàng)目已占據(jù)了大部分資源,,而其他內(nèi)存技術(shù)的投資要么相當(dāng)有限,要么主要集中在最有前途的公司,。
但是,,中國(guó)并沒(méi)有忽視所有新興的NVM業(yè)務(wù),并啟動(dòng)了許多旨在獲取新的內(nèi)存專(zhuān)業(yè)知識(shí)和IP并開(kāi)發(fā)新技術(shù)工藝和產(chǎn)品的項(xiàng)目,,為整個(gè)半導(dǎo)體內(nèi)存業(yè)務(wù)的下一步發(fā)展做好準(zhǔn)備,。
同時(shí),由于發(fā)達(dá)的本地供應(yīng)鏈和GigaDevice的活動(dòng),,獨(dú)立的NOR閃存將仍然是中國(guó)最堅(jiān)固的存儲(chǔ)器業(yè)務(wù),。