大浪淘沙：一文看懂内存芯片的发展史

大千世界 2022年10月08日 16:24 130 0

　　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和场效应(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、东芯半导体、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商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。

　　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;