中國會(huì)在存儲(chǔ)器領(lǐng)域取得成功嗎

前言

中國正指望用DRAM和NAND減少貿(mào)易赤字。今年，中國新起步的存儲(chǔ)器制造商預(yù)計(jì)將達(dá)到一個(gè)重要的里程碑，并將進(jìn)入初始量產(chǎn)階段，盡管它們已經(jīng)遇到了各種障礙。

中國國內(nèi)存儲(chǔ)器玩家正在關(guān)注兩個(gè)市場(chǎng)，3D NAND和DRAM。在這兩個(gè)市場(chǎng)中，本地廠商或是技術(shù)落后，或是在努力開發(fā)這些產(chǎn)品，亦或兩者兼而有之。最近有一家供應(yīng)商因涉嫌盜竊商業(yè)機(jī)密被起訴，這再度引發(fā)對(duì)中國缺乏知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的擔(dān)憂。

然而，中國正在全力推進(jìn)存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)，以及IC設(shè)計(jì)，邏輯工藝制造和封裝。憑借數(shù)十億美元的資金支持，中國希望發(fā)展國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，因?yàn)橹袊壳皬耐鈬?yīng)商進(jìn)口了絕大部分芯片。這造成了巨大的貿(mào)易逆差。在邏輯工藝制造上，中國多年來在貿(mào)易逆差方面取得了微小的進(jìn)展。中國最近宣布了幾個(gè)重大項(xiàng)目以縮小這一差距。其中包括：

清華紫光最近宣布了3個(gè)大型存儲(chǔ)器項(xiàng)目，耗資840億美元。目標(biāo)是建造九座晶圓廠，但目前只有一座正在建設(shè)中。它專注于3D NAND，目前已試產(chǎn)32層NAND，64層NAND技術(shù)正在研發(fā)中。

另外兩家中國公司福建晉華集成電路有限公司和睿力集成電路有限公司（Innotron）也將分別在新的300mm晶圓廠增加22nm的DRAM。

目前尚不清楚中國能否在市場(chǎng)上站穩(wěn)腳跟。本地供應(yīng)商擁有一些IP，但基本上都是從零開始。為了推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展，中國曾試圖收購跨國存儲(chǔ)器制造商或組建聯(lián)盟。但由于國家安全和IP問題，大多數(shù)國家對(duì)此猶豫不決。

因此，中國必須獨(dú)立研發(fā)大部分技術(shù)。但在競(jìng)爭(zhēng)激烈的存儲(chǔ)器市場(chǎng)，中國很難追趕上英特爾、美光、三星、SK海力士、東芝和Western Digital等跨國公司。

這不禁讓人質(zhì)疑中國的存儲(chǔ)器制造商能否在長(zhǎng)期內(nèi)取得成功。一些分析師持悲觀態(tài)度，稱中國廠商缺乏核心競(jìng)爭(zhēng)力技術(shù)，另一些人則對(duì)中國在存儲(chǔ)器領(lǐng)域的發(fā)展相對(duì)樂觀。

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)International Business Strategies的首席執(zhí)行官Handel Jones表示：“我們對(duì)NAND的態(tài)度比DRAM更為樂觀，但這需要一些時(shí)間。中國有能力獲得NAND市場(chǎng)的份額，但這仍然需要領(lǐng)先的技術(shù)。對(duì)于一家新的DRAM公司而言，進(jìn)入市場(chǎng)并獲得技術(shù)是非常艱難的?！?/p>

據(jù)多位消息人士透露，中國距離開發(fā)64層3D NAND器件大約需要6到9個(gè)月的時(shí)間，這一技術(shù)可以讓中國名揚(yáng)世界。消息人士稱，大規(guī)模量產(chǎn)仍需一到兩年，因此中國能否制造出可靠的器件還有待觀察。

有些人對(duì)市場(chǎng)有不同的看法。Semico Research公司的制造部總經(jīng)理Joanne Itow在最近的博客中表示：“Semico認(rèn)為，三家中國存儲(chǔ)器公司都取得成功概率較低，但其中某一家公司取得成功則很有可能?！?/p>

Semico稱，預(yù)計(jì)到2021年，中國國內(nèi)存儲(chǔ)器供應(yīng)商的產(chǎn)能將從現(xiàn)在的幾乎為零增加到超過300,000wpm（wafer/每月）。雖然這聽起來可能讓人印象深刻，但據(jù)Semico稱，到那時(shí)這只占全球存儲(chǔ)器容量的不到10%。

雄心勃勃的計(jì)劃

多年來，中國推出了多項(xiàng)促進(jìn)國內(nèi)IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的舉措。盡管由于種種原因，每個(gè)計(jì)劃都沒有達(dá)到最初的預(yù)期，但它已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。一方面，中國在IC產(chǎn)工業(yè)現(xiàn)代化方面起步較晚。其次，多年來，美國和其他國家對(duì)中國實(shí)施了嚴(yán)格的出口管制條例，阻止跨國設(shè)備供應(yīng)商將最新的設(shè)備運(yùn)進(jìn)中國。不過，最近許多國家對(duì)中國的出口管制放松了。

盡管如此，中國仍陷入了一種麻煩的失衡——當(dāng)中國成為全球第一的電子產(chǎn)品制造基地時(shí)，只能生產(chǎn)所需芯片中的極少一部分。

據(jù)IC Insights稱，2012年，中國的芯片消費(fèi)為820億美元，占全球的32%。但是，2012年中國的芯片產(chǎn)值為88億美元，僅占全球半導(dǎo)體產(chǎn)量的10.8%。也就是說，中國大約90%的芯片來自于進(jìn)口。

為了扭轉(zhuǎn)這一趨勢(shì)，中國政府于2014年公布了一項(xiàng)新計(jì)劃，稱為《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》。該計(jì)劃旨在加速中國在14nm finFET、高級(jí)封裝和存儲(chǔ)器方面的發(fā)展。

中國還撥出了193億美元的資金，用于投資國內(nèi)的IC公司。地方政府和私募也承諾將為中國的IC產(chǎn)業(yè)投資1000億美元。

然后，2015年，中國發(fā)起了另一項(xiàng)名為“中國制造2025”的計(jì)劃。據(jù)IC Insights稱，在該計(jì)劃中，中國希望將其國內(nèi)集成電路產(chǎn)量從2015年的不足20%提高到2020年的40%，到2025年達(dá)到70%。

圖1：中國IC市場(chǎng)與IC生產(chǎn)趨勢(shì)（來源：IC Insights）

中國的努力取得了喜憂參半的結(jié)果。一些新的晶圓廠已經(jīng)出現(xiàn)，但中國仍然需要進(jìn)口大量芯片。

據(jù)IC Insights稱，2017年，中國的芯片消費(fèi)為1380億美元，占世界的38%。而2017年中國的芯片產(chǎn)量達(dá)到了185億美元，相當(dāng)于全球產(chǎn)量的13.3%。IC Insights總裁Bill McClean表示：“這是讓中國政府瘋狂的數(shù)字。他們關(guān)注這個(gè)指標(biāo)，并表示這個(gè)數(shù)字需要更大?！?/p>

因此，根據(jù)McClean的說法，盡管中國仍在繼續(xù)推進(jìn)其雄心勃勃的計(jì)劃，但是中國可能在2020年和2025年無法實(shí)現(xiàn)芯片自給自足的目標(biāo)。

據(jù)SEMI分析師Dan Tracy和Clark Tseng稱，中國目前正在建設(shè)19座新的晶圓廠，其中10座是300mm晶圓廠。這些數(shù)字包括國內(nèi)和跨國芯片制造商。

目前尚不清楚這些晶圓廠項(xiàng)目是否會(huì)順利進(jìn)行，因?yàn)榫謩?shì)仍在動(dòng)態(tài)變化。無論如何，設(shè)備供應(yīng)商正準(zhǔn)備開始在中國大舉投資，開發(fā)用于晶圓廠的設(shè)備。

圖2：年終設(shè)備預(yù)測(cè) （來源：SEMI）

應(yīng)用材料公司的營銷和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Arthur Sherman表示：“我們預(yù)計(jì)，2018年晶圓廠設(shè)備在中國的投資將比2017年增加約20億美元，從目前的情況來看，我們認(rèn)為，未來幾年的投資將會(huì)逐步增長(zhǎng)?！?/p>

存儲(chǔ)器之路

中國國內(nèi)的集成電路代工廠商如今充滿活力，為本國和跨國客戶生產(chǎn)大量的芯片。臺(tái)積電和聯(lián)電在中國也有晶圓廠，GlobalFoundries的晶圓廠也在建造中。

中國的存儲(chǔ)器業(yè)務(wù)被劃分為兩個(gè)類別——跨國公司和國內(nèi)企業(yè)。2006年，SK海力士是最早在中國建立DRAM晶圓廠的跨國公司之一。英特爾和三星在中國生產(chǎn)3D NAND。但如今，這些晶圓廠的總產(chǎn)量?jī)H占中國總需求的一小部分。

圖3：中國的主要IC制造商（來源：IC Insights）

中國對(duì)于國外存儲(chǔ)器的供貨依賴造成了一些供應(yīng)鏈問題。去年，DRAM價(jià)格飆升，給智能手機(jī)OEM（包括那些在中國的OEM）帶來了成本壓力。據(jù)研究公司TrendForce稱，中國政府最近進(jìn)行了干預(yù)，要求三星在2018年第一季度抑制DRAM價(jià)格的快速上漲。

不過，這樣治標(biāo)不治本，這也是為什么中國正試圖讓國內(nèi)的存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)走出困境。KLA-Tencor公司的全球客戶組織執(zhí)行副總裁Brian Trafas表示：“中國半導(dǎo)體市場(chǎng)需求和中國政府重點(diǎn)發(fā)展半導(dǎo)體行業(yè)的戰(zhàn)略，推動(dòng)了中國新興本土企業(yè)的快速增長(zhǎng)?！?/p>

毫無疑問，中國的存儲(chǔ)器廠商面臨著幾個(gè)挑戰(zhàn)。Trafas表示，“新興國內(nèi)廠商需要專注于研發(fā)進(jìn)展，吸引和發(fā)展關(guān)鍵人才，成功增加新晶圓廠的數(shù)量。在中國，一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)是，在地域上分散的客戶群和經(jīng)驗(yàn)豐富人才的短缺?！?/p>

中國在存儲(chǔ)器領(lǐng)域最引人注目的工作始于2006年，那一年，武漢新芯集成電路制造有限公司（XMC）成立了?？偛课挥谖錆h的XMC是一家NOR flash代工廠。此外，作為與Spansion合作的一部分，XMC一直在開發(fā)3D NAND，Spansion目前是賽普拉斯的一部分。

2016年，清華紫光收購了XMC的大部分股份。然后，XMC變更到了一個(gè)名為長(zhǎng)江儲(chǔ)存技術(shù)（YRST）的新組織中。

清華紫光和它的存儲(chǔ)器部門YRST最近在中國宣布了三個(gè)主要的存儲(chǔ)器項(xiàng)目。以下是最新的動(dòng)向：

o2016年12月，YRST在中國中部的湖北省省會(huì)武漢公布了一項(xiàng)耗資240億美元的3D NAND存儲(chǔ)器項(xiàng)目。YRST希望建造三座晶圓廠，每座晶圓廠產(chǎn)能為100,000 wpm。

o2017年2月，清華紫光宣布在中國東部的江蘇省省會(huì)南京市投資一項(xiàng)300億美元的存儲(chǔ)器項(xiàng)目。目標(biāo)是先制作DRAM，隨后是3D NAND。

o2018年1月，清華紫光宣布在中國西南部的四川省省會(huì)成都開始另一項(xiàng)3D NAND項(xiàng)目。目標(biāo)是在未來10年內(nèi)建設(shè)三座晶圓廠，總投資超過300億美元。

據(jù)報(bào)道，清華紫光最近中國重慶投資創(chuàng)辦了一家公司。不過，目前還不清楚該公司是否會(huì)投資存儲(chǔ)器。

在存儲(chǔ)器方面，清華紫光的南京晶圓廠在2017年末破土動(dòng)工，但此后幾乎沒有消息。在成都，該公司尚未公布晶圓廠的日程表。

中國的巨大期許都寄托在YRST在武漢的發(fā)展。一段時(shí)間以來，YRST一直在XMC的晶圓廠中開發(fā)3D NAND。去年，YRST在武漢的一家新工廠破土動(dòng)工，鄰近XMC。據(jù)IC Insights稱，這座晶圓廠幾乎已經(jīng)竣工，計(jì)劃到2018年中期產(chǎn)能達(dá)到5,000 wpm。不過，給YRST公司高管發(fā)送的詢問電子郵件尚未得到回復(fù)。

無論如何，YRST都將面臨著一條陡峭的學(xué)習(xí)曲線，因?yàn)橹圃?D NAND要比之前想象的要困難得多。甚至跨國供應(yīng)商也在3D NAND上苦苦掙扎，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)要求晶圓廠擁有一些新的、困難的制造步驟。

NAND flash本身用于固態(tài)存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器和智能手機(jī)。直到最近，planar NAND還是主流技術(shù)。planar NAND仍然可行，但它已經(jīng)達(dá)到了當(dāng)前1xnm節(jié)點(diǎn)的物理極限。

3D NAND是planar NAND的后繼技術(shù)。與2D結(jié)構(gòu)的planar NAND不同，3D NAND類似于摩天大樓，其水平層被堆疊，然后使用微小的垂直通道連接。

圖4：2D NAND結(jié)構(gòu) （來源：Western Digital）

圖5：3D NAND結(jié)構(gòu) （來源：Western Digital）

3D NAND由多層組成。三星最新的3D NAND是一款64層、3bit-per-cell 的器件。因此，該器件有64層彼此堆疊在一起，實(shí)現(xiàn)256Gb的產(chǎn)品。bit密度隨著層數(shù)的增加而增加。

YRST正在對(duì)32層3D NAND進(jìn)行樣品設(shè)計(jì)，但論price-per-bit（單位比特價(jià)格），32層或48層器件不再有競(jìng)爭(zhēng)力。因此，YRST的目標(biāo)是加速64層技術(shù)的研發(fā)。64層的產(chǎn)品在武漢新工廠生產(chǎn)，但這條生產(chǎn)線可以從32層芯片開始。消息人士說，由于良率問題，64層技術(shù)還沒有準(zhǔn)備就緒。

對(duì)于中國而言，64層器件至關(guān)重要。64層的3D NAND器件具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，并且在一段時(shí)間內(nèi)仍將是最佳選擇。IBS的Jones表示：“64層技術(shù)將是3D NAND的一個(gè)長(zhǎng)期技術(shù)節(jié)點(diǎn)，這和邏輯芯片的28nm是一樣的?！?/p>

在中國，遷移到下一代96層的3D NAND技術(shù)并不非常緊迫。此時(shí)，cost-per-bit的成本效益并不非常引人注目。Jones 表示：“到96層時(shí)，成本降低可能是10%到15%。到128層時(shí)，可能還有5%?！?/p>

盡管如此，正在開發(fā)64層器件的跨國供應(yīng)商也在開發(fā)96層的3D NAND器件?？梢钥隙ǖ氖?，跨國公司擁有推進(jìn)3D NAND的專門技術(shù)。

YRST擁有一些專門技術(shù)和IP，但它面臨從32層遷移到64層的一些挑戰(zhàn)。Jones 表示：“64層技術(shù)非常困難，但我們認(rèn)為他們會(huì)掌握這項(xiàng)技術(shù)?！?/p>

3D NAND很困難，因?yàn)樗蕾囉诟鞣N新的沉積和蝕刻步驟。供應(yīng)商可以在公開市場(chǎng)上購買設(shè)備，但3D NAND的開發(fā)需要專門技術(shù)。Jones 表示：“從Applied 和Lam那里得到的工具非常好，但是你仍然需要調(diào)試這些設(shè)備來開發(fā)器件結(jié)構(gòu)?！?/p>

例如，在3D NAND流程中，使用沉積將交替膜堆疊在基板上。這個(gè)過程重復(fù)了好幾次。但是，隨著更多的層被添加，我們的挑戰(zhàn)是，將層均勻地堆疊在一起并且沒有缺陷。

圖6：薄膜疊加沉積的挑戰(zhàn)。（來源：Lam Research）

在接下來的步驟中，等離子蝕刻機(jī)將微小的圓形孔洞或通道從器件頂部蝕刻到底部基板上。每個(gè)通道必須是均勻的。否則，可能會(huì)出現(xiàn)關(guān)鍵尺寸變化。

圖7：通道蝕刻的挑戰(zhàn)。（來源：Lam Research）

這里還包括其他一些步驟，但關(guān)鍵問題是產(chǎn)量。KLA-Tencor公司的Trafas表示：“由于產(chǎn)量是這些中國半導(dǎo)體公司成功的關(guān)鍵因素，因此過程控制在中國得到了極大的重視。”

DRAM成功有望

同時(shí)，中國也想成為一個(gè)DRAM競(jìng)爭(zhēng)者，但這是一個(gè)成熟的競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)。在高端市場(chǎng)，三星正在研發(fā)18nm的DRAM。

不過，作為起點(diǎn)，中國的DRAM制造商正在開發(fā)22nm器件。IC Insights公司的McClean表示：“這項(xiàng)技術(shù)不會(huì)接近行業(yè)前沿。它有市場(chǎng)，但很小?！?/p>

中國可以在DRAM上獲得一些助推。政府可以強(qiáng)制要求中國的OEM必須在其系統(tǒng)中采用一定比例的國產(chǎn)DRAM。但McClean表示：“如果你讓中國的電子系統(tǒng)生產(chǎn)商使用不具備競(jìng)爭(zhēng)力的存儲(chǔ)技術(shù)，那么就會(huì)讓它們?cè)谑袌?chǎng)中處于不利地位?！?/p>

中國的Innotron公司迎難而上，正準(zhǔn)備推出首款產(chǎn)品——22nm移動(dòng)DRAM。Innotron位于中國東部的安徽省省會(huì)合肥市，是由兆易創(chuàng)新和合肥市政府組建的合資企業(yè)。

據(jù)IC Insights稱，Innotron將在2018年第一季度將設(shè)備移動(dòng)到一座新的300mm晶圓廠。總投資將達(dá)到72億美元，總產(chǎn)能為125,000 wpm。

許多人期待著Innotron能夠從兆易創(chuàng)新那里獲得一些技術(shù)，兆易創(chuàng)新是一家flash存儲(chǔ)器無晶圓供應(yīng)商。一段時(shí)間之前，兆易創(chuàng)新宣布收購專業(yè)DRAM制造商芯成半導(dǎo)體有限公司（ISSI）的計(jì)劃，ISSI由中國的一個(gè)投資財(cái)團(tuán)Uphill Investment所擁有。

但據(jù)兆易創(chuàng)新的一位發(fā)言人說，兆易創(chuàng)新和ISSI的交易終止了。這轉(zhuǎn)而引發(fā)了Innotron從哪里獲得技術(shù)的問題。兆易創(chuàng)新的發(fā)言人拒絕就Innotron的進(jìn)展發(fā)表評(píng)論。

與此同時(shí)，在2016年，福建晉華集成電路有限公司（JHICC）在中國南部的福建省晉江市的一座300mm晶圓廠破土動(dòng)工，耗資56.5億美元。JHICC的投資者包括包括福建電子信息公司和晉江能源投資公司。

第三季度，JHICC計(jì)劃投產(chǎn)22nm專業(yè)DRAM。它從與聯(lián)電的授權(quán)/研發(fā)聯(lián)盟中獲得技術(shù)。而聯(lián)電不參與JHICC的運(yùn)營。

不過，JHICC遇到了一些法律問題。據(jù)起訴書說，去年12月，美光公司對(duì)JHICC和聯(lián)電提起了訴訟，指控其竊取了美光的技術(shù)。然后，在1月份，聯(lián)電向美光提出了反訴，聲稱美光侵犯了聯(lián)電的專利。目前，訴訟仍在進(jìn)行中。

IP問題只是其中一個(gè)挑戰(zhàn)。在一個(gè)艱難的市場(chǎng)中，中國的存儲(chǔ)器制造商也面臨著激烈的競(jìng)爭(zhēng)。IC Insights公司的McClean表示：“我認(rèn)為這可能和中國在代工行業(yè)的做法差不多，他們有10%的市場(chǎng)份額?；蛟S中國將獲得10%的存儲(chǔ)器市場(chǎng)，我不認(rèn)為會(huì)是零。但我認(rèn)為三星、美光和海力士短期內(nèi)不會(huì)損失大量的市場(chǎng)份額?！?/p>