DRAM、NOR FLASH、NAND FLASH三大存儲(chǔ)器分析
內(nèi)存的正式名字叫做“存儲(chǔ)器”，是半導(dǎo)體行業(yè)三大支柱之一。2016年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模為3400億美金，存儲(chǔ)器就占了768億美元。對(duì)于你身邊的手機(jī)、平板、PC、筆記本、安防等所有電子產(chǎn)品來說，存儲(chǔ)器就類似于鋼鐵之于現(xiàn)代工業(yè)，是名副其實(shí)的電子行業(yè)“原材料”。
存儲(chǔ)器芯片領(lǐng)域，主要分為兩類：易失性和非易失性。
易失性：斷電以后，存儲(chǔ)器內(nèi)的信息就流失了，例如 DRAM，主要用來做PC機(jī)內(nèi)存(如DDR)和手機(jī)內(nèi)存(如LPDDR)，兩者各占三成。非易失性：斷電以后，存儲(chǔ)器內(nèi)的信息仍然存在，主要是閃存（Nand FLASH 和 NOR FLASH），NOR 主要應(yīng)用于代碼存儲(chǔ)介質(zhì)中，而 NAND 則用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
依2017年初計(jì)，DRAM方面，三星月產(chǎn)能12英寸40萬片，海力士 30萬片及美光33萬片，而NAND閃存，三星為40萬片，海力士為21萬片，美光與intel為27萬片，及東芝與西數(shù)(原閃廸)為49萬片，總計(jì)全球存儲(chǔ)器的月產(chǎn)能約為12英寸硅片240萬片。臺(tái)灣華邦電子的產(chǎn)量也不錯(cuò)，穎特新為winbond代理商。
三星的平澤廠取名Fab18, 2017 Q2量產(chǎn)，生產(chǎn)第四代64層3D NAND 閃存，第一階段月產(chǎn)能為40,000-50,000片，占生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)產(chǎn)能200,000片的1/4，投資金額為27.2-31.7億美元。
目前三星的西安廠量產(chǎn)64層3D NAND閃存，每個(gè)12英寸硅片約有780 個(gè)256GB的管芯，當(dāng)平均成品率達(dá)85%時(shí)，成本估計(jì)每個(gè)是3美元，相當(dāng)于主流 2D NAND 工藝16Gb容量的價(jià)格。
而20納米的 DDR4 8Gb，每個(gè)12英寸硅片約950-1100個(gè)管芯，成品率也為85%時(shí)，每個(gè)12英寸晶園成本為1450美元，計(jì)及封裝與測(cè)試成本后，每個(gè)管芯的成本為1.79-2.24美元。
所以，未來無論是3D NAND，或者是DRAM，比拼的是每顆管芯的成本，顯然成本的壓力很大。
DRAM、NAND FLASH、NOR FLASH三大存儲(chǔ)器分析
1） DRAM
動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Dynamic RAM），“動(dòng)態(tài)”兩字指的是每隔一段時(shí)間，要刷新充電一次，否則內(nèi)部的數(shù)據(jù)即會(huì)消失。這是因?yàn)镈RAM的基本單元是一個(gè)晶體管加一個(gè)電容，并用電容有無電荷來表示數(shù)字信息0和1，電容漏電很快，為防止電容漏電而導(dǎo)致讀取信息出錯(cuò)，需要周期性地給DRAM的電容充電，故DRAM速度比SRAM慢。
另一方面，這種簡單的存儲(chǔ)模式也使得DRAM的集成度遠(yuǎn)高于SRAM，一個(gè)DRAM存儲(chǔ)單元僅需一個(gè)晶體管和一個(gè)小電容，而每個(gè)SRAM單元需要四到六個(gè)晶體管和其他零件，故DRAM在高密度（大容量）以及價(jià)格方面均比SRAM有優(yōu)勢(shì)。SRAM多用于對(duì)性能要求極高的地方（如CPU的一級(jí)二級(jí)緩沖），而DRAM則主要用于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存條等領(lǐng)域。
DRAM每一次制程的更新?lián)Q代，都需要大量的投入，以制程從30 nm更新到20 nm為例，后者需要的光刻掩模版數(shù)目增加了30%，非光刻工藝步驟數(shù)翻倍，對(duì)潔凈室廠房面積的要求也隨著設(shè)備數(shù)的上升而增加了80%以上，此前這些成本都可以通過單晶圓更多的芯片產(chǎn)出和性能帶來的溢價(jià)所彌補(bǔ)，但隨著制程的不斷微縮，增加的成本和收入之間的差距逐漸縮小。故各大廠商開始研究Z方向的擴(kuò)展能力，三星率先從封裝角度實(shí)現(xiàn)3D DRAM，采用TSV封裝技術(shù)，將多個(gè)DRAM芯片堆疊起來，從而大幅提升單根內(nèi)存條容量和性能。
2）NAND Flash和NOR Flash
為更好地講述NAND Flash和NOR Flash這兩大存儲(chǔ)產(chǎn)品，我們首先來認(rèn)識(shí)一下Flash技術(shù)。 Flash存儲(chǔ)器：又稱閃存，它是一種非易失性存儲(chǔ)器。閃存的存儲(chǔ)單元是場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種受電壓控制的三端器件，由源極（Source）、漏極（Drain）和柵極（Gate），以及襯底組成，在柵極與硅襯底間有二氧化硅絕緣層，用來保護(hù)浮置柵極中的電荷不會(huì)泄漏。 NAND的擦和寫均是基于隧道效應(yīng)，電流穿過浮置柵極與硅基層之間的絕緣層，對(duì)浮置柵極進(jìn)行充電（寫數(shù)據(jù)）或放電（擦除數(shù)據(jù)）。而NOR擦除數(shù)據(jù)仍是基于隧道效應(yīng)（電流從浮置柵極到硅基層），但在寫入數(shù)據(jù)時(shí)則是采用熱電子注入方式（電流從浮置柵極到源極）。
**NAND Flash:**NAND是目前閃存中最主要的產(chǎn)品，具備非易失，高密度，低成本的優(yōu)勢(shì)。在NAND閃存中，數(shù)據(jù)是以位（bit）的方式保存在Memory Cell中，一個(gè)Cell存儲(chǔ)一個(gè)bit，這些Cell或8個(gè)或16個(gè)為單位，連成bit line，而這些line組合起來會(huì)構(gòu)成Page，而NAND閃存就是以頁為單位讀寫數(shù)據(jù)，以塊為單位擦除數(shù)據(jù)，故其寫入和擦除速度雖比DRAM大約慢3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，卻也比傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤快3個(gè)數(shù)量級(jí)，被廣泛用于 eMMC/EMCP，U盤，SSD等市場(chǎng)。
**NOR Flash:**NOR Flash 的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP，Execute In Place），即應(yīng)用程序不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中，而是可以直接在Flash閃存內(nèi)運(yùn)行。NOR 的傳輸效率很高，讀取速度也比NAND快很多，在1~4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，然而其擦除是以64-128KB的塊為單位進(jìn)行的，執(zhí)行一個(gè)寫入/擦除操作的時(shí)間為5s，而NAND器件的擦除則是以8-32KB的塊為單位進(jìn)行，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms，故其很低的寫入和擦除速度大大影響到它的性能。此外，NOR的單元尺寸幾乎是NAND flash的兩倍，故在成本上也不具備優(yōu)勢(shì)，這使得NOR的使用范圍受到了更大的限制，不少曾屬于NOR的市場(chǎng)也慢慢被其他存儲(chǔ)器所奪取，但NOR flash廠商也并沒有坐以待斃，而是積極開拓汽車電子等物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。近年來NOR flash市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)萎縮。
半導(dǎo)體存儲(chǔ)器市場(chǎng)被三星、海力士、美光等寡頭壟斷
半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是一個(gè)高度壟斷的市場(chǎng)，其三大主流產(chǎn)品DRAM，NAND Flash，NOR Flash更是如此，尤其是前兩者，全球市場(chǎng)基本被前三大公司占據(jù)，且近年來壟斷程度逐步加劇。以DRAM和NAND兩種主要存儲(chǔ)芯片為例，DRAM市場(chǎng)由韓國三星、海力士和美國美光科技三家占據(jù)，而NAND Flash市場(chǎng)幾乎全部被三星、海力士、東芝、閃迪、美光和英特爾等六家瓜分。其中三星居壟斷地位，2017年它的DRAM 占全球的45.8%及NAND占37%。
DRAM市場(chǎng)發(fā)展史
DRAM領(lǐng)域經(jīng)過幾十年的周期循環(huán)，玩家從80年代的40~50家，逐漸減少到了08年金融危機(jī)之前的五家，分別是：三星(韓)、SK海力士(韓)、奇夢(mèng)達(dá)(德)、鎂光(美)和爾必達(dá)(日)，五家公司基本控制了全球DRAM供給，終端產(chǎn)品廠商如金士頓，幾乎沒有DRAM生產(chǎn)能力，都要向它們采購原材料。按照常理來說，格局已經(jīng)趨穩(wěn)，價(jià)格戰(zhàn)理應(yīng)偃旗息鼓，可惜的是，韓國人并不答應(yīng)，尤其是三星。
三星充分利用了存儲(chǔ)器行業(yè)的強(qiáng)周期特點(diǎn)，依靠政府的輸血，在價(jià)格下跌、生產(chǎn)過剩、其他企業(yè)削減投資的時(shí)候，逆勢(shì)瘋狂擴(kuò)產(chǎn)，通過大規(guī)模生產(chǎn)進(jìn)一步下殺產(chǎn)品價(jià)格，從而逼競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手退出市場(chǎng)甚至直接破產(chǎn)，世人稱之為“反周期定律”。在存儲(chǔ)器這個(gè)領(lǐng)域，三星一共祭出過三次“反周期定律”，前兩次分別發(fā)生在80年代中期和90年代初，讓三星從零開始，做到了存儲(chǔ)器老大的位置。但三星顯然覺得玩的還不夠大，于是在2008年金融危機(jī)前后，第三次舉起了“反周期”屠刀。
2007 年初，微軟推出了狂吃內(nèi)存的Vista操作系統(tǒng)，DRAM廠商判斷內(nèi)存需求會(huì)大增，于是紛紛上產(chǎn)能，結(jié)果Vista 銷量不及預(yù)期，DRAM 供過于求價(jià)格狂跌，加上08 年金融危機(jī)的雪上加霜，DRAM 顆粒價(jià)格從2.25 美金雪崩至0.31 美金。就在此時(shí)，三星做出令人瞠目結(jié)舌的動(dòng)作：將2007 年三星電子總利潤的118%投入DRAM 擴(kuò)張業(yè)務(wù)，故意加劇行業(yè)虧損，給艱難度日的對(duì)手們，加上最后一根稻草。
效果是顯著的。DRAM價(jià)格一路飛流直下，08年中跌破了現(xiàn)金成本，08年底更是跌破了材料成本。2009年初，第三名德系廠商奇夢(mèng)達(dá)首先撐不住，宣布破產(chǎn)，歐洲大陸的內(nèi)存玩家就此消失。2012年初，第五名爾必達(dá)宣布破產(chǎn)，曾經(jīng)占據(jù)DRAM市場(chǎng)50%以上份額的日本，也輸?shù)袅俗詈笠粡埮。在爾必達(dá)宣布破產(chǎn)當(dāng)晚，京畿道的三星總部徹夜通明，次日股價(jià)大漲，全世界都知道韓國人這次又贏了。
至此，DRAM領(lǐng)域最終只剩三個(gè)玩家：三星、海力士和鎂光。爾必達(dá)破產(chǎn)后的爛攤子，在2013年被換了新CEO的鎂光以20多億美金的價(jià)格打包收走。20億美金實(shí)在是個(gè)跳樓價(jià)，5年之后，鎂光市值從不到100億美元漲到460億，20億美元差不多是它市值一天的振幅。
中國存儲(chǔ)器三大陣營成形：福建晉華、合肥長鑫與紫光集團(tuán)扛起大旗
中囯己有三家企業(yè)向存儲(chǔ)器芯片制造發(fā)起沖鋒，分別是武漢長江存儲(chǔ)的32層3D NAND閃存；福建晉華的是32納米的DRAM利基型產(chǎn)品；以及合肥長鑫(睿力)的19納米 DRAM。而且三家都聲稱2018年底前將實(shí)現(xiàn)試產(chǎn)，開通生產(chǎn)線。
如果再計(jì)及紫光分別在南京和成都剛宣布再建兩個(gè)存儲(chǔ)器基地，總計(jì)己有五家企業(yè)。
中國半導(dǎo)體業(yè)要上馬存儲(chǔ)器芯片制造，當(dāng)時(shí)大多數(shù)人持謹(jǐn)慎態(tài)度，不是看輕自己，而是存儲(chǔ)器業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)太激烈。
存儲(chǔ)器業(yè)究竟難在那里？可能有如下幾個(gè)主要方面：
1、未見有“新進(jìn)者”
自上世紀(jì)90年代之后，全球存儲(chǔ)器制造廠商未見有一家“新進(jìn)者”，其間奇夢(mèng)達(dá)倒閉，及美光兼并了爾必達(dá)，導(dǎo)致在DRAM領(lǐng)域全球僅存三家，包括三星、海力士與美光（中國臺(tái)灣地區(qū)的多家加起來占5%，可以忽略不計(jì)）以及NAND閃存僅存四個(gè)聯(lián)合體，包括三星、東芝與西數(shù)、海力士及美光與英特爾，其中三星居壟斷地位，2017年它的DRAM 占全球的45.8%及NAND占37%。
2、周期起伏
存儲(chǔ)器業(yè)基本上的“規(guī)律”是盈利一年，虧損兩年，而三星是個(gè)例外，它獨(dú)霸天下，善于作逆向投資。如依Gartner數(shù)據(jù)，2017年全球存儲(chǔ)器增長64.3%，達(dá)約1200億美元，而2018年增長13.7%，及2019年下降12.9%，2020年再下降10.2%。
3、投資大，拼的是產(chǎn)能與成本
由于存儲(chǔ)器產(chǎn)品的特殊性，它的設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，因此產(chǎn)品的線寬、產(chǎn)能、成品率與折舊，成為成本的最大項(xiàng)目。任何新進(jìn)者，由于產(chǎn)能爬坡，折舊等因素幾乎無法與三星等相匹敵，所以即便舍得投入巨資，恐怕也難以取勝，其中還有專利等問題。
中國半導(dǎo)體業(yè)面臨艱難的抉擇，現(xiàn)實(shí)的方案是可能在處理器(CPU)與存儲(chǔ)器兩者之中選一，眾所周知，處理器己經(jīng)投入近20年，龍芯的結(jié)果是有成績，但是難予推廣應(yīng)用。所以只能選擇存儲(chǔ)器是眾望所歸，僅是感覺難度太大，多數(shù)人在開始時(shí)表示猶豫而己。如今“木己成舟”，只能齊心協(xié)力，努力拼搏向前。
從存儲(chǔ)器產(chǎn)品中的DRAM產(chǎn)業(yè)來看，中國在發(fā)展策略上已有逐步收斂之勢(shì)，并非雜亂無章。以技術(shù)布局的角度觀察，中國DRAM領(lǐng)域中除了繪圖用內(nèi)存未有廠商布局，其他都有廠商按照計(jì)劃發(fā)展中。
中國DRAM產(chǎn)業(yè)目前已有福建晉華、合肥長鑫兩大陣營。福建晉華專注利基型內(nèi)存的開發(fā)，主攻消費(fèi)型電子市場(chǎng)，有望憑借著中國本有的龐大內(nèi)需市場(chǎng)壯大自身產(chǎn)能，甚至在補(bǔ)貼政策下，預(yù)估最快2018年底可能將影響國際大廠在中國市場(chǎng)的銷售策略，并且有機(jī)會(huì)取得技術(shù)IP走向國際市場(chǎng)。
相較于福建晉華避開國際大廠的主力產(chǎn)品，合肥長鑫直搗國際大廠最核心的行動(dòng)式內(nèi)存產(chǎn)品。行動(dòng)式內(nèi)存已是內(nèi)存類別中占比最高的產(chǎn)品，其省電技術(shù)要求極高，開發(fā)難度相當(dāng)高。然而，中國品牌手機(jī)出貨已占全球逾四成，倘若LPDDR4能順利量產(chǎn)并配合補(bǔ)貼政策，中國政府進(jìn)口取代的策略即可完成部分階段性任務(wù)。
觀察中國在NAND Flash領(lǐng)域的發(fā)展，以紫光集團(tuán)旗下的長江存儲(chǔ)為中國最快成軍的開發(fā)廠商，初期也將以中國內(nèi)需市場(chǎng)的布局為主。由于長江存儲(chǔ)開發(fā)早期技術(shù)力不足，難以與一線大廠相抗衡，預(yù)估其初期產(chǎn)品會(huì)以卡碟類為大宗。隨著長江存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展來到64/96層才有機(jī)會(huì)進(jìn)軍SSD市場(chǎng)，但此市場(chǎng)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)激烈，沒有中國政府的支持，短期會(huì)難以在成本上取得優(yōu)勢(shì)，利用中國內(nèi)需市場(chǎng)壯大自己將是紫光集團(tuán)未來可行的策略。
而武漢新芯隨著長江存儲(chǔ)的成立后，將專注于NOR Flash的開發(fā)，雖然長江存儲(chǔ)的NAND Flash試產(chǎn)線暫放在武漢新芯，但隨著長江存儲(chǔ)于武漢未來城基地建構(gòu)完成后，未來也將各自獨(dú)立。
以目前現(xiàn)況來看，中國發(fā)展存儲(chǔ)器的策略能否成功，未來的3~5年將是極其重要的關(guān)鍵期，特別是強(qiáng)化IP的布局，中國政府以及廠商未來必須憑借內(nèi)需市場(chǎng)、優(yōu)秀的開發(fā)能力，以及具國際水平的產(chǎn)能，取得與國際廠商最有利的談判籌碼，才有機(jī)會(huì)立足全球并占有一席之地。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2019-07-09
