大浪淘沙:一文看懂内存芯片的发展史

原创 鲜枣课堂 2022-10-07 20:00

1958年9月12日,来自德州仪器公司的杰克·基尔比(Jack Kilby),成功地将包括锗晶体管在内的五个元器件集成在一起,制作了世界上第一块锗集成电路


次年7月,美国仙童半导体公司的罗伯特·诺伊斯(Robert Norton Noyce),基于硅平面工艺,成功发明了世界上第一块硅集成电路


杰克·基尔比(左),罗伯特·诺伊斯(右)


正如大家现在所知,这两位大佬的发明,拥有极为重要的意义。集成电路的出现,有力推动了电子器件的微型化,也为芯片时代的全面到来奠定了基础。


DRAM的诞生


进入1960年代后,随着计算机技术的发展,电子行业开始了将集成电路技术用于计算机存储领域的尝试。


当时,半导体存储技术被分为ROM和RAM两个方向。ROM是只读存储器,存储数据不会因为断电而丢失,也称外存。而RAM是随机存取存储器,用于存储运算数据,断电后,数据会丢失,也称内存


今天,我们重点说说RAM这个领域。

1966年,来自IBM Thomas J. Watson研究中心的罗伯特·丹纳德(Robert H. Dennard),率先发明了DRAM存储器(动态随机存取存储器)。


罗伯特·丹纳德


这种存储器基于“MOS型晶体管+电容结构”,具有能耗低、读写速度快且集成度高的特点。直到现在,我们的计算机内存、手机内存、显卡内存等,都是基于DRAM技术。


1968年6月,IBM注册了晶体管DRAM的专利。但是,正当他们准备进行DRAM产业化的时候,美国司法部启动了对他们的反垄断调查。


这些调查拖延了IBM的DRAM产业化进度,从而给其它公司带来了机会。


不久后,1969年,美国加州的Advanced Memory System(先进内存系统)公司捷足先登,成功生产出了世界上第一款DRAM芯片(容量仅有1KB),并将其销售给计算机厂商霍尼韦尔公司(Honeywell)。


霍尼韦尔公司收到这批DRAM芯片后,发现工艺上存在一些问题。于是,他们找到了一家新成立的公司,请求帮助。


这家公司,就是1968年罗伯特·诺伊斯(前文提到的硅集成电路发明人)和戈登·摩尔(摩尔定律的提出者)等人共同创办的英特尔Intel


罗伯特·诺伊斯(左)和戈登·摩尔(右)


英特尔公司成立后,主要业务就是研制晶体管半导体存储器芯片。


当时,半导体工艺主要有两个研究方向,分别是双极型晶体管场效应(MOS)晶体管。英特尔自己也不知道哪个方向正确,于是,成立了两个研究小组,分别跟进两个技术方向。


1969年4月,双极型小组率先有了突破,推出了64bit容量的静态随机存储器(SRAM)芯片——C3101。这个芯片是英特尔的第一款产品,主要客户就是霍尼韦尔。


Intel C3101


场效应管小组也不甘落后,1969年7月,他们推出了256bit容量的静态随机存储器芯片——C1101。这是世界第一个大容量SRAM存储器。


1970年10月,场效应管小组再接再励,成功推出了自己的第一款DRAM芯片(也被认为是世界上第一款成熟商用的DRAM芯片)——C1103


Intel C1103,有18个针脚,容量1Kbit,售价10美元。


C1103推出后,获得极大成功,很快成为全球最畅销的半导体内存,服务于HP、DEC等重要客户。


在C1103的帮助下,英特尔也迅速发展壮大。1972年,英特尔的员工人数超过1000人,年收入超过2300万美元。1974年,英特尔DRAM产品的全球市场份额达到惊人的82.9%。


英特尔的早期团队


就在英特尔在DRAM领域赚得盆满钵满的同时,它的竞争对手也在迅速崛起。


1973年,美国德州仪器(TI)、莫斯泰克(Mostek)等厂商先后进入DRAM市场。


德州仪器在英特尔推出C1103之后,就进行了拆解仿制,通过逆向工程,研究DRAM的架构和工艺。后来,1971年和1973年,他们先后推出了2K和4K DRAM,成为英特尔的强劲对手。



德州仪器,英特尔的老对手


莫斯泰克公司由德州仪器半导体中心的前首席工程师L.J.Sevin创立(1969年),技术实力同样不俗。


1973年,他们推出了16针脚的DRAM产品——MK4096,也对英特尔的市场地位形成了挑战(其它公司都是22针脚,针脚越少,制造成本越低)。


1976年,莫斯泰克公司又推出了MK4116,采用了POLY-II(双层多晶硅栅)工艺,容量达到16K。这款产品获得了巨大成功,一举逆转了市场竞争格局,将自己的DRAM市占率提升到了75%。


MK4116


可惜,没过多久,因为遭遇来自资本市场的恶意收购,莫斯泰克公司的股权结构大幅变动,管理层剧烈动荡,技术人员迅速流失,公司很快走入低谷。


1979年,该公司被美国联合技术公司(UTC)收购。后来,又转卖给了意法半导体。


1978年10月,四个莫斯泰克公司的技术人员离职,在爱达荷州一家牙科诊所的地下室,共同创立了一家新的存储技术公司。


这家公司,也就是后来的存储业巨头——镁光(Micron)


镁光的创始人团队


日本半导体的成与败


除了国内竞争对手之外,英特尔面临的更大威胁来自国外。更具体来说,是来自——日本


1970年代,日本经济高速崛起。为了在全球科技产业链占据有利位置,他们在半导体技领域进行了精心布局。


1976年,日本通过举国体制,成立了VLSI联合研发体(VLSI:THE VERY LARGE SCALE INTEGRATED,超大规模集成)。


联合研发体一共设有6个实验室,专门进行高精度加工技术、硅结晶技术、工艺处理技术、监测评价技术、装置设计技术等领域的研究。


不久后,这个联合研发体就成功攻克了电子束光刻机、干式蚀刻装置等半导体核心加工设备,以及领先的制程工艺和半导体设计能力,为日本半导体行业的腾飞奠定了基础。


1977年,在VLSI项目的帮助下,日本成功研制出了64K DRAM,追平了美国公司的研发进度。


到了1980年代,日本厂商(富士通、日立、三菱、 NEC、东芝等)继续发力,凭借质量和价格优势,开始反超美国公司。


1986年,日本存储器产品的全球市场占有率上升至65%,而美国则降低至30%。


在惨烈的市场竞争下,美国英特尔公司直接宣布放弃了DRAM市场(1985年)。而唯一能够在日系厂商夹缝中生存的,只剩下摩托罗拉(Motorola)。


全球半导体企业排名(1987年)


螳螂捕蝉,黄雀在后。就在日本半导体厂商眼看就要一统江湖的时候,外部政治环境开始发生了微妙的变化。


1985年,美苏冷战气氛不断减弱,日美贸易摩擦不断增加。在巨大的财政赤字压力下,美国里根政府开始将注意力转移到打压日本经济上。


这一年,美国主导了著名的《广场协议》,逼迫日元升值。与此同时,美国半导体协会也发起了对日本半导体等产品的反倾销诉讼。后来,两国达成了对日本半导体产品的价格监督协议。


在接二连三的打击下,日本半导体产品的市场份额一落千丈,很快丧失了主导权。


韩系半导体的崛起


那么,日本厂商让出来的市场份额,是不是被美国厂商拿走了呢?


并没有。


正所谓“螳螂捕蝉,黄雀在后”,日本厂商快速失势的同时,美国的另一个竞争对手又杀了出来,那就是——韩国


早在日本启动VLSI项目的时候,韩国政府也没闲着。他们在庆尚北道的龟尾产业区建立了韩国电子技术研究所(KIET),高薪笼络美国的半导体人才,集中研发集成电路关键技术。



除了KIET之外,韩国三星、LG、现代和大宇等财阀,也看中了半导体技术的市场前景,通过购买、引进技术专利及加工设备,对其进行消化吸收,积蓄技术力量。


1984年,三星半导体建成了自己的第一个存储器工厂,批量生产64K DRAM。谁也没有想到,这个名不见经传的韩国企业,会变成日后的行业“巨无霸


话说,从1980年代至今,DRAM产业经历了将近四十年的发展。如果用一个词来形容这四十年,那就是——“腥风血雨”


原因很简单,DRAM半导体产业,最大的特点就是其周期性规律。行业人士曾经总结:DRAM半导体存储,每赚钱一年,就要亏钱两年,所谓“赚一亏二”


在这种强烈的周期性规律下,想要长期生存下去,是一件非常困难的事情。DRAM厂商需要有强大的现金流和融资能力,能够维持高强度的研发支出,保持团队的稳定。


在亏损周期,DRAM厂商需要更多的钱,才能够活下去。在繁荣周期,也不能大意。厂商在选择扩充产能时机时,需要非常谨慎。不然,就可能导致供大于求,盈利变亏损。


四十年前,全球大概有40-50家DRAM厂商。如今,只剩下三家,竞争之残酷,由此可见一斑。


这四十年里,有一家企业不仅坚持活了下来,还干掉无数对手,长期占据霸主地位。这家企业,就是前面提到的三星(Samsung)


三星电子


三星的故事,有些同学可能听说过。他们采取了一个被无数商学院写入教材的“杀手锏”战略——反周期投入


简单来说,反周期投入,就是利用行业周期性发展的特点,在行业进入低谷时,在竞争对手都收缩规模时,反其道而行之,加大投入,扩大产能,进一步打压价格,从而让对手加剧亏损,甚至倒闭。


换言之,就是大家玉石俱焚,但是我更有钱,把你焚死了,我再继续活。


三星这家公司,就是靠着韩国的举国之力,接二连三地采用“反周期投入”策略,干掉了无数对手,成为了半导体存储领域的老大。


接下来,我们就详细看看,这几十年到底发生了什么。


  • 第一次“反周期投入”


三星的第一次“反周期投入”,就发生在前文所说的1980年代中期。


当时,日美激战正酣,DRAM市场普遍不景气,价格大跌。DRAM芯片的价格从每片4美元(1984年),跌到了每片0.3美元(1985年)。


三星建厂推出64K DRAM时,生产成本是1.3美元/片。面对行业寒冬,三星不仅没有收缩投资,反而开始逆向投资,扩大产能。

到1986年底,三星半导体累积亏损3亿美元,股权资本完全亏空,接近破产。

关键时期,韩国政府出手“救市”,总共投入近3.5亿美金,并且以政府名义背书,给三星拉来了20亿美元的个体募资。

后来,日本半导体被美国干翻,加上PC电脑进入热销期带来的行业繁荣,使得三星顺利翻盘,迎来业绩增长。

不久后,以三星为代表的韩系DRAM厂商,逐渐蚕食了日本半导体企业让出的市场份额,占据了市场的主导地位。


  • 第二次“反周期投入”


1992年,日本住友树脂厂发生爆炸,导致原材料供应紧张,内存价格暴涨这一年,三星率先推出世界上第一个64M DRAM。


1993年,全球半导体市场又开始转弱。这时,三星故技重施,采取了第二次“反周期投入”。他们投资兴建8英寸硅片生产线,用于生产DRAM。


1995年,微软公司Windows95视窗操作系统发布,极大地刺激了内存的需求,带动内存价格大幅上扬,三星的投资获得回报。全球各大厂商后知后觉,纷纷投资扩大产能。


好景不长,到了1995年的年底,各厂商8英寸晶圆厂投产后,导致产能急剧增加,反而使得DRAM变成供大于求。于是,卖方市场又变成了买方市场,价格又开始下跌。


在此情况下,厂商们被迫削减产量,减小投资规模。


三星继续扩大投资。1996年,三星推出世界上第一个1GB DRAM,奠定了自己的行业领军地位。


1996-1998年,DRAM持续处于下行周期。


1999年,DRAM价格下跌的趋势有所缓解。因为互联网泡沫的出现,DRAM行业进入了短暂的繁荣阶段。


这一年,在激烈的竞争环境下,内存行业发生了若干个重大变化


韩系方面,韩国现代内存与LG半导体合并,成立现代半导体,后来,又从现代集团拆分(2001年),改名海力士(Hynix)


美系方面,镁光收购德州仪器内存部门。


日系方面,日立、NEC、三菱电机的DRAM业务整合,抱团成立了尔必达(ELPIDA)


欧系方面,西门子集团的半导体部门独立,成立了亿恒科技。几年后,2002年,改名为英飞凌(Infineon)。再后来,2006年,英飞凌科技存储器事业部拆分独立,变成了奇梦达(Qimonda)


2000年,全球DRAM市场份额的前五名之中,有两家是韩系厂商,分别是排名第一的三星(23.00%),还有排名第三的现代(19.36%)。


不久后,互联网泡沫破碎,全球经济危机爆发。PC市场遭受重创,DRAM的市场需求也急速下降,价格又迎来了跳水。


2001年,DRAM市场规模从288亿美元腰斩至110亿美元。


2002-2006年,DRAM市场逐渐从低谷中恢复,整体增长形势良好。


2006年,三星开发出世界上第一个50nm工艺的1GB DRAM。海力士则开发出当时世界上最高速的200MHz 512MB Mobile DRAM。


那一时期,DRAM市场逐渐形成了五强格局,分别是:三星(韩)、SK海力士(韩)、奇梦达(德)、镁光(美)和尔必达(日)。


  • 第三次“反周期投入”


2007年,微软推出Vista系统。该系统对内存消耗较大,DRAM厂商预期内存需求大增,于是纷纷增加产能。


但实际上,Vista销量很差,没有带动内存市场,导致产能再次过剩。


更悲催的是,2008年,金融危机爆发,导致DRAM市场雪上加霜。内存价格一路下跌,甚至跌破材料成本。


在这个关键时期, 三星第三次祭出“反周期投入”的杀招,进一步扩大产能,加剧了行业亏损。


2009年春天,排名第三的德系厂商奇梦达宣布破产倒闭,欧洲厂商正式退出了DRAM市场。


奇梦达


2011年,DRAM供应量再次超过实际需求,价格暴跌。这一次,尔必达没能熬过去,宣布破产,标志着日本厂商全面退出了DRAM产业。


尔必达芯片


于是,五强变三强,DRAM领域只剩下三星(韩)、镁光(美)、海力士(韩)。三家公司的市占率加起来,超过了93%。


█ DRAM技术的现状


2011年之后,DRAM内存的市场格局没有发生什么重大变化。但是,DRAM的用户需求和市场环境,变化很大。


除传统PC之外,随着移动互联网和物联网的高速发展,智能手机、可穿戴设备、物联网设备(摄像头等)迅速崛起,极大地带动了对DRAM的需求。


云计算、大数据和AI人工智能的发展,又推动了数据中心的数量增加,从而带来了服务器和网络设备的急剧增加,也刺激了DRAM的销量增长。


这些需求,逐渐使得DRAM细分为标准型DRAM、移动型DRAM、绘图型DRAM、利基型DRAM等类别。


标准DRAM主要应用于PC、服务器等。移动型DRAM主要为LPDDR,应用于智能手机、平板电脑等场景。绘图型DDR用于显卡的显存(GDDR)。利基型DRAM,主要应用于液晶电视、数字机顶盒、网络播放器等产品。


LPDDR


多产品场景的旺盛需求,推动了DRAM价格的上扬。2018年左右,比特币等数字货币的需求爆发,更是让DRAM市场迎来了难得的“黄金时期”。


2019年之后,由于前期产能扩张和去库存因素,内存价格下跌较多。加密货币市场价格崩塌、智能手机市场进入成熟期,使得市场需求疲软,DRAM再次进入低谷期。


根据相关机构发布的数据,从2020年下半年开始,到2022年5月,都属于DRAM市场的好转期。


今年6月开始,DRAM行情暴跌。6月份销量下降了36%,7月份又下降了21%,可以说是全面崩盘,惨不忍睹。根据机构预测,四季度跌幅将进一步扩大。


DRAM行情暴跌


接下来,我们再从技术的角度,看看这些年DRAM的发展。


一直以来,DRAM芯片都是以微缩制程的方式,来提高存储密度。


DRAM每一次制程的更新换代,都需要大量的投入。


以30nm更新到20nm为例,后者需要的光刻掩模版数目增加了30%,非光刻工艺步骤数翻倍。对洁净室厂房面积的要求,也随着设备数的上升而增加了80%以上。


以前,这些成本都可以通过单晶圆更多的芯片产出,以及性能带来的溢价,进行弥补。但是,随着工艺制程的不断微缩,增加的成本和收入之间的差距逐渐缩小。


2013年左右,当制程工艺进入20nm之后,制造难度大幅提升。18/16nm之后,继续在二维方向缩减尺寸,已不再具备成本和性能方面的优势。


于是,DRAM芯片厂商开始另辟蹊径,开始研究Z方向的扩展能力。也就是说,开始推进3D封装。


作为行业龙头,三星率先从封装角度实现了3D DRAM。他们采用TSV封装技术,将多个DRAM芯片堆叠起来,从而大幅提升单根内存条容量和性能。后来,各个厂商纷纷跟进,3D DRAM成为主流。


在产品标准方面,行业一般采用由固态技术协会(JEDEC)制定的产品标准,也就是大家熟悉的DDR1-DDR5。


图片来源:全球半导体观察


DRAM三巨头,都具备了DDR5/LPDDR5的量产能力。三星正在捣鼓DDR6,据说2024年完成设计。


在芯片工艺制程上,DRAM目前的表述和以前有所不同。以前,都是直接40nm、20nm这么叫。现在,因为电路结构是三维的,所以线性的衡量方式不再适用,出现了1X、1Y、1Z、1α、1β、1γ之类的术语表达制程。


业界认为,10nm~20nm系列制程至少包括六代,1X大约等同于19nm,1Y约等同于18nm,1Z大约为16-17nm,1α、1β、1γ则对应12—14nm(15nm以下)。

图片来源:全球半导体观察

三星、SK海力士和镁光已在2016~2017年期间进入1Xnm阶段,2018~2019年进入1Ynm阶段,2020年后进入1Znm阶段。

目前,各大厂家继续向10nm逼近。最新的1αnm,仍处于10+nm阶段。



█ 中国DRAM产业的过去和现在


最后,我们再来看看国内的DRAM产业发展情况。


中国是全球半导体存储器的重要市场之一,也是全球半导体存储厂商的“必争之地”。


但是,实事求是来说,我们自己的DRAM产业发展,远远落后于竞争对手


国内DRAM产业的起步,可以追溯到1990年代。


当时,日本NEC在中国大陆成立了两家合资公司,从事DRAM的生产。


第一家,是1991年NEC和首钢合资成立的首钢NEC


首钢NEC从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)。后来,1997年DRAM全球大跌价,首钢NEC遭受重创,从此一蹶不振。后来,首钢NEC沦为NEC在海外的一个代工基地,退出了DRAM产业。


第二家,是1997年NEC和华虹集团合资成立的华虹NEC


华虹NEC从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。2001年后,随着NEC退出DRAM市场,华虹也退出了DRAM产业。


2004年,中国又开始了DRAM产业的第二次尝试。这次有所行动的,是中芯国际


当时,中芯国际在北京投资建设了中国大陆第一座12英寸晶圆厂(Fab4),2006年大规模量产80nm工艺,为奇梦达、尔必达代工生产DRAM。


好景不长,2008年,由于中芯国际业务调整,退出了DRAM业务。第二次尝试,宣告失败。


2015年,中国DRAM采购金额约为120亿美元,占全球DRAM供货量的21.6%。严重依赖进口的现状,促使国内开始了针对DRAM业务的第三次尝试。


这次尝试,最具代表性的,就是武汉、合肥和厦门三大存储器基地。这些基地借助国家和地方层面的产业政策,投入了大量资本(超过2500亿人民币),发展半导体存储技术,培养人才。


目前,国内在DRAM领域比较有代表性的企业是合肥长鑫、福建晋华、紫光国芯、兆易创新、北京矽成、芯半导体、南亚科技(中国台湾)、华邦电子(中国台湾)、力积电中国台湾等。


合肥长鑫,是国内DRAM存储芯片的龙头企业。他们的DRAM技术主要来自于已破产的德系DRAM厂商奇梦达,以及日系厂商尔必达。


2019年9月20日,合肥长鑫宣布中国大陆第一座12英寸DRAM工厂投产,并发布了首个19nm工艺制造的8G DDR4,属于历史性突破。


根据机构预计,合肥长鑫的产能2022年到2023年将有望达到12.5万片。


福建晋华,大家应该会有所耳闻。前几年,他们被美国政府制裁,新闻闹得很大。


2016年5月,福建晋华与联电合作,进行利基型DRAM的生产。2017年12月,镁光指控福建晋华和联电盗用了自己的内存芯片技术。2018年1月,福建晋华也就专利侵犯向镁光提起诉讼。2018年10月,福建晋华被列入出口管制实体清单。2018年11月,美国司法部又以窃取镁光业机密为由起诉联电和福建晋华。


一番折腾之后,联电扛不住了。2019年1月底,联电宣布撤出福建晋华DRAM项目。2021年11月,联电和镁光达成和解。目前,福建晋华方面审查还没有完整的最终结果。



█ 结语


好了,洋洋洒洒写了那么多,看到这里的都是真爱。


总之,DRAM存储器是计算机、手机等产品的重要组成部分,也是数字基础设施不可或缺的“零件”。


目前,国内DRAM存储器已经基本解决了有无的问题。下一步,要解决就是良品率提升的问题,以及产能爬坡问题。在融资能力、产业链配套及人才梯队等方面,我们还需要不断加强,谨慎前行。


期待我们能够早日打破“三强”格局,在DRAM领域占据更重要的地位。



谢谢大家的耐心观看!下期,小枣君和大家聊聊FLASH存储的发展史,敬请期待!



参考资料:

1、《这场DRAM技术困局谁来破?》,王凯琪,全球半导体观察;

2、《DRAM江湖之美国演义》,芯光社;

3、《存储技术发展历程》,谢长生;

4、《DRAM芯片国产化替代进程曲折、前途光明》,湘财证券,王攀、王文瑞;

5、《存储大厂又一次豪赌》,半导体行业观察;

6、《存储芯片行业研究报告》,国信证券;

7、《国产存储等待一场革命》,付斌,果壳;

8、《关于半导体存储,没有比这篇更全的了》,芯师爷;

9、《科技简章035-半导体存储之闪存》,悟弥津,知乎;
10、百度百科、维基百科相关词条。


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