剖析我國發(fā)展存儲芯片產(chǎn)業(yè)的困難、現(xiàn)狀和潛力

近來，關(guān)于福建晉華、***聯(lián)華電子與美國美光有關(guān)DRAM專利侵權(quán)的事件成為產(chǎn)業(yè)熱點。從晉華和美光的三次互訴，到美國商務(wù)部對晉華禁售和聯(lián)電暫停與晉華的合作，在中美貿(mào)易戰(zhàn)背景下，這不禁讓人聯(lián)想到中興因美國制裁而運(yùn)營停擺的事件。晉華事件走向如何尚不得而知，本文僅從專利與產(chǎn)業(yè)鏈角度，結(jié)合全球市場格局，解構(gòu)我國發(fā)展存儲芯片產(chǎn)業(yè)的困難、現(xiàn)狀和潛力。雖然存儲芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展道阻且長，但是我們別無選擇。

01

存儲芯片是什么

存儲芯片是半導(dǎo)體元器件中不可或缺的組成部分，幾乎存在于所有的電子設(shè)備中。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其在整個產(chǎn)業(yè)鏈中扮演的角色越來越重要。

存儲芯片的種類很多，按用途可分為主存儲芯片和輔助存儲芯片。前者又稱內(nèi)存儲芯片（內(nèi)存），可以與CPU直接交換數(shù)據(jù)，速度快、容量小、價格高。后者為外存儲芯片（外存），指除內(nèi)存及緩存以外的儲存芯片。此類儲存芯片一般斷電后仍然能保存數(shù)據(jù)，速度慢、容量大、價格低。按照斷電后數(shù)據(jù)是否丟失，可分為易失性存儲芯片和非易失性存儲芯片。易失性存儲芯片常見的有DRAM和SRAM，前者就是這次晉華事件的主角。非易失性存儲芯片常見的是NAND閃存芯片和NOR閃存芯片。

圖1 存儲芯片分類

數(shù)據(jù)來源：華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

相對于CPU，存儲芯片的設(shè)計和制造復(fù)雜度略低。但其技術(shù)含量依然非常高，對于行業(yè)后來者，絕非一朝一夕可以追趕。以此次晉華事件涉及的DRAM芯片為例，主要涉及五大類技術(shù)。

存儲單元設(shè)計包括電容器設(shè)計和電路設(shè)計，是存儲芯片最核心的部分。電容器存儲數(shù)據(jù)，電路負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)的訪問。常見的電容器有平面型電容器、溝槽型電容器和目前流行的堆疊型電容器。早期的存儲單元電路包含3個晶體管和一個電容器（3T1C）構(gòu)成，慢慢演變?yōu)?T1C或1T等多種類型。

陣列架構(gòu)是存儲單元的矩陣排布形式，芯片通過wordlines和bitlines訪問和控制存儲單元。常見的bitlines包括開放式架構(gòu)、折疊式架構(gòu)等。同時陣列設(shè)計上還需要設(shè)計行、列冗余，以適應(yīng)可能出現(xiàn)的壞點等。

錯誤檢測與修正用以解決存儲單元受環(huán)境、宇宙輻射導(dǎo)致的電位自發(fā)反轉(zhuǎn)問題。通常需要設(shè)計冗余存儲單元或額外的電路來檢測和修復(fù)這些錯誤bits。另外，DRAM存儲芯片還包括芯片安全和芯片制造與封裝技術(shù)。

02

專利：集中于韓、日、美企業(yè)

我國存儲芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚。目前，以投入NAND Flash市場的長江存儲、專注于移動存儲芯片的合肥長鑫和致力于普通存儲芯片的福建晉華三大企業(yè)為主。但發(fā)展存儲技術(shù)，國際企業(yè)的專利壁壘是繞不過去的坎。

我們選取2000年1月1日至2018年10月31日的全球存儲專利分析發(fā)現(xiàn)，有效專利和專利申請最多的國家/地區(qū)依次是美國、韓國、日本、中國和中國***，如圖2。從這個數(shù)據(jù)看，我國（主要指大陸）專利并不弱。2002年就已經(jīng)有大量申請，2010后申請大量增加。

但是，從申請主體可以發(fā)現(xiàn)，如圖3，我國的專利申請主要來自國際和中國***的企業(yè)，如三星電子、旺宏電子、臺積電、SK海力士、美光科技、英特爾、華邦科技、IBM等。而申請前十的大陸企業(yè)只有中芯國際和兆易創(chuàng)新，且所申請專利多數(shù)是相對邊緣化的技術(shù)，還有部分前沿技術(shù)。

圖2存儲芯片專利全球主要申請國家/地區(qū)及其申請趨勢

數(shù)據(jù)來源：incoPat，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

圖3 在中國申請專利的主要企業(yè)及其申請趨勢

數(shù)據(jù)來源：incoPat，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

從全球企業(yè)的專利申請趨勢看，如圖4，目前以三星、SK海力士、東芝和美光科技四家企業(yè)占據(jù)絕對優(yōu)勢。其中前三家是老牌專利巨頭，美光科技在2008年后申請逐漸增加，趕超東芝和海力士，直追三星。2007年后，旺宏電子、英飛凌、臺積電和富士通的申請明顯減少，可能來自金融危機(jī)的影響。這也印證了存儲芯片產(chǎn)業(yè)向頭部企業(yè)集中的趨勢，特別是韓、美、日三國的四家企業(yè)。

圖4 全球存儲芯片專利主要申請企業(yè)及其申請趨勢

數(shù)據(jù)來源：incoPat，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

圖5 高引用存儲芯片專利的主要分布企業(yè)

數(shù)據(jù)來源：incoPat，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

如今，我國要發(fā)展存儲芯片產(chǎn)業(yè)，不得不面對來自國際巨頭的專利壁壘，而專利許可可能是相對高效的一個選擇。通過前1000件高引用存儲專利分析發(fā)現(xiàn)，其技術(shù)方向分布相對集中，且美國企業(yè)占據(jù)絕對優(yōu)勢，如美光科技、閃迪、AMD、IBM和英特爾。這也導(dǎo)致目前頭部企業(yè)間專利許可成為普遍做法。

03

產(chǎn)業(yè)鏈：受制于人

無論是長江存儲的NAND Flash還是晉華、長鑫的DRAM，都是IDM項目。分析產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，無論是設(shè)計、EDA軟件，還是材料、裝備，我們普遍都受制于人。尤其在EDA軟件和裝備領(lǐng)域，幾乎無法避開美國的技術(shù)與產(chǎn)品。

1、 設(shè)計環(huán)節(jié)

晉華的技術(shù)主要來自聯(lián)電。美光懷疑其前員工盜取公司技術(shù)，并交給聯(lián)電，聯(lián)電又將技術(shù)分享給了晉華，這才導(dǎo)致美光起訴聯(lián)電和晉華，以及后續(xù)一系列事件。但是，晉華的DRAM技術(shù)到底是否構(gòu)成侵權(quán)，只有產(chǎn)品問世后才可知。

長江存儲主攻NAND閃存芯片。它與美國飛索半導(dǎo)體（Spansion）聯(lián)合開發(fā)了NAND閃存技術(shù)，并與中科院微電子所共同研發(fā)32層3D NAND Flash芯片技術(shù)。從技術(shù)角度看，長江存儲在自主研發(fā)的道路上有一定積累。2018年8月，長江存儲對外發(fā)布其突破性技術(shù)——Xtacking?，該技術(shù)可為3D NAND閃存帶來前所未有的I/O高性能、更高的存儲密度，以及更短的產(chǎn)品上市周期。

無論對于晉華、長江存儲還是長鑫，技術(shù)來源都是首先要解決的問題，無論技術(shù)授權(quán)、合作開發(fā)，還是自主研發(fā)，只有從技術(shù)源頭掌握關(guān)鍵技術(shù)，才能避免被卡脖子。

2、 EDA軟件

全球EDA軟件市場被三巨頭——Synopsys（美）、Cadence（美）、Mentor（德）所壟斷，國內(nèi)IC設(shè)計公司幾乎100%采用國外產(chǎn)品。雖然國內(nèi)EDA軟件開發(fā)龍頭華大九天近期獲得了超過億元的融資，但和三巨頭相比差距巨大，短期內(nèi)難以追趕。就EDA軟件來說，美國輕易就可以通過停止服務(wù)等手段，對國內(nèi)存儲芯片廠商甚至集成電路設(shè)計企業(yè)造成巨大的影響，迫使停止設(shè)計研發(fā)工作。

3、 材料

國產(chǎn)集成電路材料已經(jīng)占據(jù)一定市場份額，并逐步在個別細(xì)分領(lǐng)域擠占國際廠商的市場空間。其中，靶材、濕電子化學(xué)品、CMP材料等細(xì)分領(lǐng)域產(chǎn)品已經(jīng)取得較大突破。部分產(chǎn)品技術(shù)水平達(dá)到國際一流水平，本土產(chǎn)線已基本實現(xiàn)大批量供貨。電子氣體、硅片、掩膜版等產(chǎn)品技術(shù)水平達(dá)到國際一流水平，本土產(chǎn)線已實現(xiàn)小批量供貨。只有光刻膠等產(chǎn)品與國際一流水平還有較大差距。

表1 日、美、德企業(yè)在全球集成電路材料市場仍然占主導(dǎo)地位

數(shù)據(jù)來源：SEMI，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

但是，我們也需要認(rèn)識到與國外龍頭廠商相比的巨大差距，日、美、德企業(yè)在全球集成電路材料市場仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。針對美國未來有可能在材料領(lǐng)域的產(chǎn)品管制，除了加大對國內(nèi)供應(yīng)鏈的扶持，降低材料的對外依賴度外，還可以拓展非美系供應(yīng)商，畢竟在材料領(lǐng)域，美系廠商的市場份額和對其依賴度還沒有那么高，如表1。

4、 裝備

集成電路裝備產(chǎn)業(yè)具有極高的技術(shù)壁壘和市場壁壘，是一個高度壟斷的市場。細(xì)分市場TOP3市占率超過90%甚至一家獨大的現(xiàn)象普遍存在。晶圓制造核心裝備***、刻蝕機(jī)、CVD和PVD，都呈現(xiàn)寡頭壟斷局面。如在PVD領(lǐng)域，美國企業(yè)應(yīng)用材料（AMAT）占據(jù)85%市場份額。

圖6 晶圓制造等關(guān)鍵核心設(shè)備仍呈現(xiàn)寡頭壟斷局面

數(shù)據(jù)來源：SEMI，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

目前，國內(nèi)裝備在關(guān)鍵領(lǐng)域初步實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)鏈成套布局——曝光Liho、刻蝕ETCH、薄膜CVD、濕法WET、檢測、熱處理、測試等環(huán)節(jié)，且部分工藝制程能夠滿足國內(nèi)客戶的需求。國內(nèi)廠商有多項產(chǎn)品已經(jīng)批量出貨，其中主要的廠商有北方華創(chuàng)、中微半導(dǎo)體、睿勵科學(xué)儀器和上海盛美半導(dǎo)體等。

從晉華的裝備采購清單看，核心關(guān)鍵裝備還是從美、日、韓等國采購，比如刻蝕工藝機(jī)臺、薄膜沉積工藝機(jī)臺、膜厚檢測機(jī)、晶圓邊緣檢測機(jī)、各類缺陷檢測機(jī)等都需要從美國進(jìn)口。國產(chǎn)裝備采購比例較低，除了中微半導(dǎo)體的刻蝕機(jī)，其余集中在低技術(shù)壁壘的各類清洗裝備。

圖7 晉華部分裝備采購清單

數(shù)據(jù)來源：中國閃存市場

當(dāng)下，任何一座晶圓廠的順利投產(chǎn)，幾乎不可能離開美國產(chǎn)的設(shè)備。正如上表中所列，應(yīng)用材料、科磊（KLA-Tencor）等都是晉華重要的供應(yīng)商。退一步講，由于裝備產(chǎn)品是復(fù)雜而精密的系統(tǒng)級產(chǎn)品，即使采購非美供應(yīng)商裝備，其中關(guān)鍵零部件、核心軟件及操作系統(tǒng)也有可能是美國企業(yè)所供應(yīng)。因此，可以說在裝備領(lǐng)域，國內(nèi)存儲芯片企業(yè)或者制造企業(yè)最容易被美國卡脖子。

04

全球千億美金市場：寡頭壟斷

隨著全球信息化浪潮洶涌澎湃，存儲芯片市場保持了高速增長態(tài)勢。根據(jù)WSTS統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2017年全球存儲芯片產(chǎn)業(yè)營收達(dá)1319億美元，占半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)收入30%左右，過去五年復(fù)合增長率高達(dá)37%。其中DRAM和NAND市場規(guī)模達(dá)到730億和550億美元，分別占存儲芯片市場的56%和40%。

圖8 存儲產(chǎn)業(yè)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)占比逐步提升

數(shù)據(jù)來源：WSTS，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

圖9 DRAM和NAND市場規(guī)模

數(shù)據(jù)來源：WSTS，J. P. Morgan，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

全球存儲產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的源動力主要來自PC、智能手機(jī)、平板、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器對存儲的需求，以下是DRAM和NAND按應(yīng)用的需求占比以及變化情況。

圖10. DRAM和NAND需求分析與增長情況（按應(yīng)用分）

數(shù)據(jù)來源：Gartner，Bloomberg，J. P. Morgan，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

隨著智能手機(jī)出貨量放緩，5G等新應(yīng)用尚未形成大規(guī)模需求，DRAM及NAND產(chǎn)品需求與價格均進(jìn)入下行通道。WSTS預(yù)測，2018-2020年存儲產(chǎn)業(yè)年復(fù)合收入增速將維持在8%上下。

圖11 DRAM和NAND現(xiàn)貨價格走勢

數(shù)據(jù)來源：Wind，DRAM Exchange，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

存儲芯片產(chǎn)業(yè)的競爭格局，歷經(jīng)多年整合，呈現(xiàn)寡頭壟斷局面。據(jù)IDC統(tǒng)計，2018年一季度DRAM實現(xiàn)營業(yè)收入232億美元，三星、SK海力士、美光三家分別擁有46%，27%，23%的市場份額，合計市占率超95%。2018年一季度NAND實現(xiàn)營業(yè)收入136億美元，三星、西部數(shù)據(jù)/東芝、SK海力士、美光分別擁有42%，29%，13%及12%的市場份額，合計市占率超96%。

圖12 DRAM和NAND競爭格局分析

數(shù)據(jù)來源：IDC，IHS，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2017年中國進(jìn)口存儲芯片889億美元，比2016年增長39.6%。DRAM、NAND的寡頭壟斷造成下游客戶毫無議價能力。2017財年，三星、SK海力士、美光三家存儲巨頭的半導(dǎo)體業(yè)務(wù)在中國的營收分別為104、254、89億美金，合計達(dá)到447億美金，超過中國存儲芯片進(jìn)口額度的半數(shù)。

因此，無論從經(jīng)濟(jì)安全，還是信息安全角度，我國都亟待發(fā)展存儲芯片產(chǎn)業(yè)。

05

我國存儲芯片市場：短期格局難變

作為全球最大的存儲芯片消費(fèi)市場之一，面對產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，自給率極低的窘境，在政府引導(dǎo)和支持下，產(chǎn)業(yè)界全力以赴追趕超越，加快發(fā)展。目前，國內(nèi)有三大存儲項目：紫光集團(tuán)與武漢、南京及成都合作展開的NAND與DRAM項目，兆易創(chuàng)新與合肥合作的DRAM項目（合肥長鑫），聯(lián)電與福建省合作的DRAM項目（福建晉華）。

表2 主要存儲芯片企業(yè)分析

數(shù)據(jù)來源：光大證券研究所，CICC，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院（2018.05）

▲紫光集團(tuán)（長江存儲+紫光南京+紫光成都）

紫光集團(tuán)在南京、成都各有一座半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基地，又與武漢新芯合作成立長江存儲國家存儲芯片基地。南京半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基地主要生產(chǎn)DRAM以及NAND芯片，成都基地和長江存儲將專注于3D NAND閃存芯片。

長江存儲2016年7月成立，由紫光集團(tuán)、國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金、湖北集成電路基金、湖北科投聯(lián)合投資240億美元。

2016年12月，以長江存儲為主體的國家存儲芯片基地正式開工，建設(shè)3座全球單座面積最大的3D NAND Flash廠。項目一期2018年建成投產(chǎn)，實現(xiàn)零的突破，成功進(jìn)入市場，預(yù)計2019年毛利轉(zhuǎn)正，2020年月產(chǎn)能30萬片，2023年月產(chǎn)能100萬片，年產(chǎn)值達(dá)1000 億人民幣。

圖13 長江存儲項目重要時間節(jié)點

數(shù)據(jù)來源：長江存儲，企名片，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

紫光南京/成都半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基地均由紫光集團(tuán)投資建設(shè)，目前處于建設(shè)期，未來產(chǎn)能均為30萬片/月。

▲合肥長鑫

合肥長鑫存儲由兆易創(chuàng)新與合肥市產(chǎn)業(yè)投資控股合作，建設(shè)19nm、12寸晶圓DRAM芯片項目，預(yù)算金額180億元。

合肥長鑫2018年一季度已完成設(shè)備安裝，一期計劃產(chǎn)能12.5萬片/月，三期全部滿產(chǎn)產(chǎn)能為37.5萬片/月。第一階段主要生產(chǎn)基于19nm平臺的8GB LPDDR4產(chǎn)品，用于智能手機(jī)。目前已開始投產(chǎn)，預(yù)計2018年底良率可達(dá)10%，2019年底良率可達(dá)80%左右，實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

圖14 合肥長鑫項目重要時間節(jié)點

數(shù)據(jù)來源：合肥長鑫，光大證券研究所，企名片，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

▲福建晉華

由福建省電子信息集團(tuán)、晉江能源投資集團(tuán)有限公司等共同出資，與***聯(lián)電展開技術(shù)合作，總投資56.5億美元，建設(shè)12寸內(nèi)存晶圓廠生產(chǎn)線，從事利基型DRAM的研發(fā)和生產(chǎn)銷售，產(chǎn)品主要應(yīng)用于PC及數(shù)據(jù)中心，未來瞄準(zhǔn)消費(fèi)電子產(chǎn)品。雖然消費(fèi)電子的存儲需求步入存量博弈階段，但市場規(guī)模依舊龐大。

該項目共4期，每期設(shè)計產(chǎn)能6萬片/月，總計24萬片/月。預(yù)計4期滿產(chǎn)總產(chǎn)值500億人民幣。規(guī)劃第一階段提供25nm 4GB DDR4/DDR3產(chǎn)品，爭取2018年研發(fā)成功，后續(xù)繼續(xù)研發(fā)1xnm產(chǎn)品。此次美國禁售，原計劃很大可能將會推遲。

圖15 福建晉華項目重要時間節(jié)點

數(shù)據(jù)來源：福建晉華，光大證券研究所，CICC，企名片，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

圖16 中國大陸主要半導(dǎo)體制造產(chǎn)線分布圖

數(shù)據(jù)來源：CICC，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

從上述規(guī)劃看，我國廠商仍處于起步階段，存儲芯片研發(fā)、良品率、成本控制等能否達(dá)到預(yù)期，還有一定的不確定性，產(chǎn)能釋放將是一個緩慢的過程。從產(chǎn)能規(guī)劃看，國產(chǎn)存儲芯片市占率短期內(nèi)將維持較低水平，2-3年內(nèi)難以超過1%，2020年后有望得到較大提升。

從存儲芯片產(chǎn)業(yè)的專利分布、申請趨勢以及產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的深入分析看，我們清晰的看到自身技術(shù)積累的薄弱，在人才儲備、產(chǎn)能規(guī)模、企業(yè)體量與國際巨頭還有顯著的差距。雖然晉華事件走向何方還不明朗，但我國發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)的決心只會更加堅定。面臨挑戰(zhàn)，我們必須著眼于產(chǎn)業(yè)生態(tài)打造，進(jìn)一步整合資源，完善產(chǎn)業(yè)鏈布局，同時加大力度布局前瞻性技術(shù)研發(fā)，尋找技術(shù)變革帶來的新發(fā)展機(jī)遇?？上驳氖?，10月26日，中國存儲芯片產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在武漢成立，行業(yè)抱團(tuán)取暖，團(tuán)結(jié)就是力量。雖然產(chǎn)業(yè)發(fā)展道阻且長，但是我們別無選擇。