半导体存储器是现代以数据为中心社会的关键战略市场, 并受到重要的大趋势的推动, 这些大趋势包括移动性, 云计算, 人工智能 (AI) 和物联网 (IoT).NAND(非易失性) 和 DRAM(易失性)是当前的主流存储器, 分别用作智能手机, 固态硬盘, PC, 服务器和车辆等广泛应用和系统的存储和工作的存储器. 2019 年, NAND 和 DRAM 占整体独立存储器市场的 96%, 合并收入为 1070 亿美元.
中国是存储设备的重要市场, 并且由于移动, 汽车和服务器市场的需求旺盛, 其需求继续保持强劲增长. 值得注意的是, 中国购买了全球制造的所有 NAND 和 DRAM 芯片的 1/3 以上(图 1).
中国的中央和地方政府与私人企业合作, 已投资数十亿美元发展本地半导体产业, 以弥合国内生产与消费之间的差距. 早在 2015 年, 中国政府就启动了一项大规模资助计划, 以将其国内半导体 IC 生产从 2015 年的不到 20%提高到 2025 年的 70%. 大约 20 个地方政府设立了指导基金. 达成总价值超过 900 亿美元的总体投资计划. 中国一直在努力与这一雄心勃勃的计划保持同步.
但是我们必须认识到, 打造和运营与市场领先者相同的技术能力的半导体晶圆厂并不是一个仅通过投入资金就能解决的问题. 特别地, 由于 3D NAND 和 DRAM 设备的高制造复杂性, 存储器是一项非常具有竞争性和挑战性的业务. 应考虑的主要挑战之一是对高级技术 IP 和工程人才的需求. 美光, 三星和 SK hynix 等外国公司不接受前沿存储器产品的技术许可或与当地公司的合作伙伴关系. 而且, 收购外国实体的交易通常受到全世界外国政府的阻止.
如今, 中国 OEM 必须从领先的国际供应商那里购买其大部分 NAND 和 DRAM 芯片, 例如美光, 英特尔和 Western Digital(美国), 三星和 SK hynix(韩国)以及 Kioxia(日本). 这些参与者在技术开发方面处于领先地位, 并制定了快速而积极的扩展计划. 在 2019 年, 同时提供 NAND 和 DRAM 产品的制造商 (例如三星, SK hynix 和美光) 将其存储芯片生产的 30%以上卖给了位于中国的公司, 以及纯 NAND 厂商(例如 Kioxia,Western Digital 和英特尔 - 平均将其 NAND 生产的 30%销往中国(图 2).
在与西方的贸易紧张关系不断升级的背景下, 在中国建立自给自足的半导体生态系统的进程已大大加快. 然而, 领先的半导体国家可以通过贸易手段很容易地限制其发展. 因为中国半导体制造商仙子啊依靠外国公司来提供最新的晶圆厂设备(WFE), 因为本地设备供应商无法提供领先的制造工具, 而且与全球同行的技术差距太大, 无法在几年的时间里消除差距.
因此, 对于美国 (应用材料, Lam Research,KLA Tencor) 以及欧洲 (ASML,EVG) 和日本 (Canon 和 Tokyo Electron) 的巨型半导体设备生产商来说, 预计中国仍将是其未来多年的主要市场, 美国政府对芯片制造技术的贸易限制将极大地限制此类 WFE 玩家的可服务市场, 并将对中国的存储器制造能力产生重大影响.
除此以外, 如果美国存储器制造商被禁止向中国出售产品, 他们将不得不寻找新客户来购买他们的产品, 而韩国或日本的其他存储器制造商将看到中国的需求激增. 随着可以从中购买的公司数量减少, 中国公司可能会看到内存价格上涨的趋势.
中国存储公司概述
中国有几个正在进行的半导体存储项目, 当中涉及国内外参与者 (图 3).SK hynix, 三星和英特尔(最近出售给 SK 海力士) 是主要的外国芯片制造商, 在中国拥有大量的 NAND 和 DRAM 生产. SK hynix 的无锡 DRAM 晶圆厂每月的装机容量为 200,000 个晶圆 (WPM), 而三星和英特尔的 3D NAND 晶圆厂可分别生产 120,000 WPM(西安) 和 65,000 WPM(大连).
两家最具竞争力的本地公司是长江存储 (YMTC) 和长鑫存储(CXMT). 在 NAND 业务中, 长江存储在中国处于领先地位. 目前, 该公司正在国内小批量运送 64L NAND(包括 SSD), 预计在 2021 年将有 128L 产品投入生产和出货. 至于 DRAM,CXMT 是中国最先进的 DRAM 公司, 已凭借基于 10G1 制程的 8Gb DDR4 产品进入市场. 2019 年, YMTC 和 CXMT 均在半导体制造设备上花费了巨额资金, 为全球 WFE 供应商提供了不少收入.
在 DRAM 业务中, 还有两家值得一提的公司: 福建晋华集成电路有限公司 (JHICC) 和清华紫光集团. JHICC 一直在与台湾联华电子合作开发 DRAM, 但在 2018 年 10 月因为美国的起诉, 而遭受了重大挫折.
清华紫光集团是著名的国有控股工业集团和投资集团, 在政府中国集成电路产业的框架内运作推广策略. 它拥有对多家公司的控制权, 其中包括 YMTC, 西安 UniIC 半导体, UNIC 内存技术 (最近已转移到其他子公司) 以及 Unimos Microelectronics(以前称为 ChipMos, 上海).
尽管中国开始发展其 NAND 和 DRAM 产业, 但由于当地供应链的完善发展以及本地主要无晶圆制造商 GigaDevice Semiconductor 的推动, 中国已成为 NOR 闪存业务的领先国家之一. 在 2019 年, GIGADEVICE 的 SPI NOR 业务排名全球第三, 而在全球的 Nor Flash 业务中, GD 排在华邦, 旺宏电子和赛普拉斯之后, 位居全球第四.
中国还启动了一些新项目, 以推动新型非易失性存储器 (NVM) 技术的商业化, 例如自旋转移转矩磁阻 RAM(STT-MRAM), 相变存储器 (PCM) 和电阻性 RAM(ReRAM). 图 3 中列出了一些新兴的 NVM 公司.
长江存储成立于 2016 年, 资金总额为 240 亿美元. 该公司总部位于武汉, 在中国经营着最先进的 3D NAND 晶圆厂, 并计划将长期生产目标定为 30 万 WPM.YMTC 拥有约 4,000 名员工, 由清华紫光集团控制, 清华紫光集团持有该公司 51%的股份. 成立后不久, YMTC 收购了武汉新芯半导体制造有限公司 (XMC) 代工厂, 以利用其 300mm 晶圆厂. XMC 是中国第一家基于 TSV 技术的图像传感器制造商, 并一直与 Spansion(后来与 Cypress 合并)合作开发和制造 32L NAND 器件.
YMTC 的一个重要里程碑是 2018 年推出了 Xtacking 技术, 自 2012 年以来, XMC 就一直在使用硅片间堆叠技术. 在 Xtacking 方法中, 首先在两个不同的 die 上制造 3D NAND 存储器阵列和 CMOS 逻辑电路, 然后进行混合键合工艺用于将两个部分放在一起. Xtacking 声称能够实现更高的 I / O 速度, 更大的每个 die 位密度, 更短的开发时间和更快的制造周期.
2019 年 9 月, YMTC 宣布量产中国首款基于 Xtacking 的 64L 3D NAND . 从那时起, YMTC 计划跳过 96L 技术, 转而使用 128L 技术, 以赶上即将增加第一代 1xxL 3D NAND 产量的国际 NAND 厂商(见图 4). 值得注意的是, YMTC 已开始开发 128L NAND, 其 128L 1.33Tb QLC 3D NAND 已通过多个控制器合作伙伴的样品验证.
总体而言, 2020 年 1 月爆发的 COVID-19 大流行似乎并未对 YMTC 的路线图产生重大影响.
2020 年 5 月, Phison 宣布其控制器支持 YMTC 的 3D NAND, 从而为基于中国 NAND 的 SSD 进入市场铺平了道路. YMTC 也可能很快推出基于 64L 3D NAND 芯片的自有品牌 SSD, 最初瞄准中国的 PC OEM. 到目前为止, 这些芯片已被两家中国公司采用: Longsys Electronics 用于其 Lexar 品牌的固态硬盘和 Power Electronic Technology 用于其 Gloway 品牌的固态硬盘.
在当前激烈的价格竞争中, YMTC 进入 NAND 市场被认为是新一轮市场整合的可能触发因素. 不论其 3D NAND 芯片的质量水平如何, YMTC 都能获得中国品牌厂商的购买支持. 同时, 作为中国的 "冠军", 它将获得中国当地强有力的支持.
长鑫存储于 2017 年在安徽省合肥市成立. 该公司隶属于政府所有的合肥工业投资集团 (HIIG). 早在 2017 年, CXMT 宣布以 72 亿美元的价格收购 300mm DRAM 晶圆厂, 目标产能为 120,000 WPM.CXMT 在 2019 年第三季度完成了第一阶段设施(Fab 1) 的建设, 并引进了用于生产 40,000 WPM 的设备. 它拥有大约 3,000 名员工, 其中超过 75%是从事与研发相关项目的工程师. CXMT 已获得了奇梦达最初设计的 IP 许可. CXMT 可以访问 1000 万份文档, 涉及模型, 设计, 制造, 控制, 质量系统, OPC, 测试模式, 包装等. 2020 年 4 月, CXMT 还与 Rambus 签署了许可协议.
CXMT 的最初目标是解决一些国内 DRAM 需求. 除 Longsys 和 Gloway 外, 第二大内存模块供应商 ADATA Technology 也已将 CXMT 的 8Gb DDR4 芯片用于面向中国台式机 / 笔记本电脑市场的 DIMM 产品.
据报道 CXMT 计划在 2021 年之前完成其 17 nm 制程技术的开发. 该公司还概述了未来的制程: 在中期, 它将使用 HKMG 和气隙位线(air-gap bit lin
)技术, 而从长远来看, 它将使用柱状电容器, 栅极全能晶体管以及 (EUV) 光刻. 但是, 长鑫存储未来的挑战依然巨大.
兆易创新成立于 2005 年, 总部位于北京, 采用无晶圆厂模式运作, 与代工伙伴以及组装测试厂保持着牢固的关系. GigaDevice 及其代工合作伙伴半导体制造国际有限公司 (SMIC) 正在以至少 25,000 WPM 的产能为中国 NOR 市场提供动力. 当前的产品组合包括 NOR(512Kb - 512Mb, 现在有 1-2Gb 采样),SLC NAND(1-8Gb)存储器和微控制器(MCU).GigaDevice 还与 Rambus 建立了一家名为 Reliance Memory 的合资公司, 专注于新兴的存储器, 主要是电阻 RAM(ReRAM). 最近, 它从 Rambus 和 Reliance Memory 获得了 180 多项与 ReRAM 技术相关的专利和应用程序的许可证.
GigaDevice 经历了强劲的增长, 2019 年的收入增长了 46%左右. 计划投资 4.6 亿美元, 并计划进一步扩大业务. 早在 2017 年, 它就与合肥工业投资集团 (HIIG) 和 CXMT 达成了一项为期 5 年的协议, 开发总投资额为 27 亿美元 (19%的 HIIG 和 20%的 GigaDevice) 的 19nm DRAM 技术. 对 DRAM 技术的访问, 再加上其现有的 NOR 闪存和 SLC NAND 业务, 可能会使 GigaDevice 成为中国存储器行业的一支新力量.
中国准备从 3D NAND 开始改变内存市场格局
中国厂商开始逐渐成为存储市场的新兴力量, 并可能引发存储器业务的深刻变化. 得益于政府投资基金的大量资金支持以及研发和制造的领先优势, YMTC 在所有宣布的中国记忆体生产商中最早取得成功. Yole 预计 YMTC 的大量 NAND 产量 (4%) 可能会在 2021 年进入市场, 而 DRAM 需要更长的时间. 因为制造 DRAM 晶圆非常困难, 而且中国要想与其他行业保持竞争力, 就可能需要更长的时间. 作为中国最先进的 DRAM 制造商, CXMT 将在 2020 年提高 19nm 工艺 (10G1) 的产量.
如今, 显然已经将主流内存放在优先位置, 这些内存对于不断增长的数据中心和移动业务至关重要. 3D NAND 和 DRAM 项目已占据了大部分资源, 而其他内存技术的投资要么相当有限, 要么主要集中在最有前途的公司.
但是, 中国并没有忽视所有新兴的 NVM 业务, 并启动了许多旨在获取新的内存专业知识和 IP 并开发新技术工艺和产品的项目, 为整个半导体内存业务的下一步发展做好准备.
同时, 由于发达的本地供应链和 GigaDevice 的活动, 独立的 NOR 闪存将仍然是中国最坚固的存储器业务.
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