2019战斗开始----奋力行军的中国存储器产业

传感器技术2019-03-14 16:35:09

今天我们来聊聊存储器,存储器不仅是我国进口集成电路的大头,而且在全球半导体市场占有举足轻重的地位。


2016年为例,全球半导体的销售额之和为3389.31亿美元,其中集成电路为2766.98亿美元,占82%(注意集成电路是半导体的一部分)。但看存储器的话,市场为780-800亿美元左右,占全球半导体市场的23%,是仅次于逻辑电路的第二大产品。资料来源:Wind


 

在存储器这个领域,韩国人是毫无疑问的全球霸主,

DRAM领域(也即是手机里的1G2G4G….内存),韩国拥有压倒性优势,三星+海力士占了全球份额80%

NAND FLASH领域(也就是手机里的32G,64G,128G…..内存),三星+海力士也占了全球份额50%-60%

韩国的三星和海力士,也凭借着在存储器领域的出色表现,成功把韩国送进了世界半导体强国的行列。

 

 

这直接使得三星和海力士今年大赚特赚,

韩国芯片厂商SK海力士发布了第三季度财报。报告显示,SK海力士Q3净利润同比增长411%30560亿韩元(约合27亿美元)。这个季度净利润是华为一年净利润的50%,比索尼和松下一年的净利润都多。如果海力士继续保持这样的季度净利润,也将成为惊人的百亿美元利润公司。

三星今年第三季度净利润更是高达98.7亿美元,增长145%,季度净利直逼苹果,成为世界最赚钱的两家公司,比全球所有银行,保险,石油公司都要赚钱。

 

那么三星的净利润和业绩为什么增长这么快呢?我们以2017年上半年为例,看看三星究竟是从哪里赚了钱,

上半年三星半导体收入293亿美元,增长49%

OLED屏幕收入132亿美元,增长25%

手机收入453亿美元,增长0.4%,家电收入187亿美元,下降0.1%

 

再看营业利润率,半导体43.1%,手机21.5%,屏幕20.1%,家电仅为3.3%

看营业利润的话,

2017年上半年三星半导体营业利润126.3亿美元,而手机是52亿美元,OLED屏幕为26.5亿美元,家电为6.2亿美元。

半导体已经是三星第一大利润来源,超过了三星电子其他三项主营业务手机+OLED屏幕+家电之和,三星今年的增长,主要就是靠存储器,其次是屏幕。

 

实际上,三星已经超过了英特尔,成为世界第一大半导体公司,2016年第一季度,三星半导体对英特尔的收入是93.4亿美元和131亿美元,到了2017年第二季度,已经变成了149亿美元对144亿美元。三星半导体超越了英特尔。

 

韩国的人口只占全球的0.7%,在半导体领域,不只是存储器,如果再算上三星的手机处理器的话,他们拿下了全球半导体市场的20%左右,超过了日本,欧洲和中国,可以说半导体产业是韩国人20多年前赌对了国运。

不过从另外一个角度来讲,如果当年韩国人半导体这条路走错了,那么今天韩国的人均GDP就不是2.7万美元了,而是更低,这也是小国家抗风险能力弱的结果。

 

存储器主要分为DRAMFLASH,在2016年,市场容量DARM为大约414亿美元, NAND FLASH 大约为346亿美元,还有个市场份额比较小的Nor Flash市场,2016年市场空间大约33亿美元左右。

2017年,DRAM市场将达到720亿美元的规模,DRAM预计将成为2017年半导体行业最大的单一产品类别,超出NAND闪存市场(498亿美元)222亿美元


 


当然这个7%只是去年的平均值,实际上由于兆易创新增速很快,去年第四季度的份额已经超过7%了,而且今年以来Cypress和美光在中低端领域的不断退出,现在兆易创新的全球市场份额已经超过10%了。

 


 

兆易创新是一家技术型公司,创始人朱一明是清华的硕士,硅谷海归,国家千人计划技术专家,他领导兆易创新开创了中国存储器产业的商业化。下图为朱一明

 

除了Nor Flash以外,兆易创新还做低容量尤其是SLCsingle level cell)的NAND FLASH产品,SLC可以理解成一个存储单元只能存储一位数据,也就是0或者1,产品容量从1Gb8Gb这些小容量产品整体市场规模较小,并不能发挥国际主要大厂工艺节点先进的特长,适合兆易创新的发挥。换句话说就是别人看不上的小市场。


目前主要国际大厂三星,东芝,海力士等都是做MLC(Multilevel cell)TLC(trinarylevel cell)比较多,分别是一个存储单元可以存放两位数据和三位数据,例如我们手机里面的32GB,64GB128GB, 256GB等等,基本是MLC或者TLC。这样的好处是成本低,同样一个存储单元可以存放更多数据,体现就是更大的GB容量。

 

目前兆易创新NAND Flash实现38nm工艺技术产品成功量产,24nm产品研发验证进度稳步进行,加快产品量产并推出更大到32Gb的产品。这个和国际主流的差距是巨大的,三星,海力士等早已进步到14nm

除了随着制程工艺的不断推进,在平面上总会遭遇极限,由于闪存本身的物理特性,当工艺逐渐提高后,物理性能提升并非线性,因为每个存储单元存储的数据电荷会互相干扰。

因此还要朝堆叠的方向发展,这样对制程工艺的要求反而没有那么高。

兆易创新也需要开发类似于三星的32层,64层堆栈3D NAND FLASH,才能满足高容量和先进制程的要求,不过短期内不要指望兆易创新能做出来,因为连2DNAND flash24nm制程都还没有量产。国际大厂都是因为2D的制程做到了16nm14nm,甚至10nm,逐渐遭遇了极限,才转向3D寻求更高性能和容量。

 

另外兆易创新还做MCU产品,目前海外大厂瑞萨、NXPTIST 等厂商占据主导地位,但公司在部分细分领域已经取得不错的进展,兆易创新的 MCU产品,主要应用是在物联网和车联网领域。

 

实际上,我们看去年兆易创新上市时候的资金筹集,Norflash研发和产品改造1.6亿元,NAND FLASH研发和产业化投入2亿元,MCU产品研发和产业化投入1.2亿元,另外3280万元建立研发中心。这家公司是典型的技术型公司。


2017年前三季度,兆易创新公司实现营业收入15.17亿元,同比增长44.69%;归属于上市公司股东的净利润3.39亿元,同比增长134.74%

预计今年能够首次突破20亿人民币,但是仍然是一家只有3亿美元的小公司。

 

由于兆易创新良好的发展态势,也被合肥的自主化集成电路项目合肥长鑫看上了,

合肥长鑫是安徽合肥政府控股的国有公司,成立于20166月,没错这家公司到现在才成立了一年多一点。

2016年底投资494亿元人民币开始建设DRAM存储器基地(实际消息在20175月才正式公布),预计2018年底开始量产,两年时间量产,简直是大跃进。

 

20178月,合肥日报一篇名为《前七月全市开工317个“大新专”项目》文章是这么写的:“现在,在合肥经开区,合肥长鑫高端通用存储晶圆制造项目正在施工,该项目拟建成业界先辈工艺制程的12英寸存储器晶圆研发项目,计划2017年厂房建成,明年上半年完成设备安装和调试,预计下半年产品研发成功。”

 

其技术来源是哪里呢?合肥长鑫核心的经营合作伙伴是合肥睿力集成公司,这家公司的法人是王宁国,是大名鼎鼎的全球第一大半导体生产设备公司美国应用材料公司的前全球执行副总裁,应用材料公司还有一个中国人尹志尧,也曾经做到副总裁的位子,他后来回国创建了现在国内最好的半导体设备制造企业中微半导体。王宁国也是前中芯国际的CEO,在2011年的那场中芯国际控制权争夺战中,他离开了中芯。

 

所以合肥市政府是依靠王宁国的睿力集成公司来组建集成电路发展平台,大举挖角海力士,尔必达,华亚科等的员工组成研发队伍,华亚科前资深副总刘大维也成为了合肥长鑫的员工。

 

除了除了以王宁国主导开展公司经营和发展以外,合肥政府还找来了兆易创新作为合作伙伴,实际上在合肥长鑫刚刚成立的2016年,兆易创新在全国的高校,包括中国东南大学、南京理工大学、西安交通大学、武汉理工大学、四川成都的电子科技大学等展开一连串招募活动的时候,

在招募简章上就揭示了兆易创新与合肥的共建项目,要打造集设计、制造、加工于一体的芯片公司,项目共三期计划,第一期规划兴建一座 12 寸晶圆厂,落户合肥空港经济示范区,估计 2017 7 月动工,而目前团队逾 50 位员工,到 2017 年估计要达千人规模、2018 年上看 2 千人,这个项目实际上就是合肥长鑫DRAM项目。

 

经过一年多的筹备,兆易创新与合肥产投(合肥市产业投资控股(集团)有限公,唯一股东及实际控制人为合肥市人民政府国有资产监督管理委员会)于20171026日签署了《关于存储器研发项目之合作协议》,约定双方合作开展工艺制程19nm 12英寸晶圆存储器(含DRAM等)研发项目,预算约为180亿元人民币。项目目标在20181231日前研发成功,实现产品良率不低于10%

 

请注意20181231日离现在也就是一年多一点,如果顺利完成的话,那么合肥长鑫将成为中国第一家自主化大规模DRAM工厂,领先长江存储。虽然到时候良率只有10%,但是也将是突破性的进步

 

为什么是突破性的呢,因为将是世界第四家突破20nm以下DRAM生产技术的公司,如果按照目前规划的产能(月产12.5万片晶圆)来看,如果全部顺利实现,虽然到时候仍然比不上三星和海力士,但是可以和美光比较下,也在全球第四位。

 

我们现在的疑问是,兆易创新这么多年虽然一直在搞自主研发,但是只有NORFLASH, SLC NAND FLASHMCU的量产经验,缺乏DRAM领域的量产技术,

另外王宁国虽然是产业大牛,但是他从多家厂家挖角技术人员过来,那么谁才是核心技术主导?这些我们不得而知,但是合肥长鑫以兆易创新+睿力集成的形式开展DRAM 试产技术攻关,我们拭目以待结果。

我是看好兆易创新这一类技术型公司的,中国已经有很多这样的案例,例如科大讯飞,百度,比亚迪,小米,寒武纪等等,创始人都是技术大牛。

 

人才才是公司发展的核心因素,兆易创新在过去这么多年发展并不容易,更多是受制于公司规模的影响,研发是要投钱的。2016年公司总收入才14.89亿元,可以想象能够投入研发的资金也就是一两亿元人民币的水平,即使是2016年公司上市,募集到的研发和产业化资金也才6亿人民币。

 

兆易创新在今年完成了对国家队的归顺,国家大基金在20178月投资了14.5亿收购了兆易创新11%的股权,成为第二大股东,仅次于创始人朱一明。

这次180亿的DRAM合作研发项目,按照1:4的比例,兆易创新自筹36亿人民币,合肥产投筹资144亿人民币,资金规模远远超过兆易创新历史上的所有大型项目,这是兆易创新成立以来的最大历史机遇。

前景怎么样,2018年底到2019年我们就能知道答案。

 

在存储器领域,除了已经有了多年自主化经验兆易创新以外,就是国家队长江存储公司了。

 

说长江存储,还得从武汉新芯说起。

武汉新芯是武汉的集成电路制造企业,成立于2006年,

这家企业成立还是政府背景,是湖北省和武汉市下决心进军集成电路制造领域的产物,但是湖北省和武汉市政府并没有管理集成电路制造工厂的经验和技术,所以最开始采取的对策是交给中芯国际来管理,但是中芯国际在当时,本身也处在艰难发展之中,尤其是技术上被台积电诉讼侵权,实际上无暇顾及武汉新芯的发展。

 

武汉新芯成立之初本来是想做DRAM,没错,中国早在11年前就开始试图进军DRAM领域了,但是成立之初就遇到了DRAM的价格低谷周期,不得不放弃DRAM的生产,民族工业的发展总是会遇到困难。实际上,从目前三星和海力士的疯狂投产来看,他们正在制造又一个存储器价格周期来制衡中国存储器产业的发展,我们等会儿再看。

 

武汉新芯20089月开始为美国Spansion(飞索半导体)生产NAND Flash 闪存,那个时候武汉新芯的技术水平还在65nm这个阶段。然而好景不长,飞索半导体遭遇经济危机之后业绩一路下滑,到2010年武汉新芯订单数量急剧下降。不得不寻求出售,台湾台积电,美国美光,豪威都成为潜在的合资对象,

 

但是由于国内业界的呼吁,以及武汉市政府坚持自主的原则,最终放弃了合资计划,每次我看到这里,总是想为武汉政府点个赞。

这个时候武汉新芯已经成立四年了,可见中国集成电路制造企业的艰难。

 

当然合资未果也带来了一些机会,那就是美国豪威的图像传感器(豪威,索尼和三星是手机摄像头的图像传感器芯片的高端三巨头)开始找武汉新芯生产制造,但是新芯公司仍然处于艰难地步。

2011年,在武汉政府安排下,中芯国际最终作为武汉新芯的合资对象,中芯国际投资10亿美元,把新芯变成中芯国际的控股子公司,但是中芯国际2011年的营收只有13.2亿美元,比上一年大幅下滑15.14%,净利润为大幅亏损2.47亿美元,比上一年大幅下滑19.8倍。

因此合理估计,中芯国际的10亿美元注资计划实际上最后没有完成,2013年中芯国际退出了武汉新芯业务。

 

武汉新芯2013年之后导入了兆易创新的NOR FLASH业务,为兆易创新提供制造服务,两家国产设计和制造公司终于联合起来了。事实上,今年以来兆易创新的业绩飙升,也带动了武汉新芯的收入上涨,遗憾的是由于2017年上游的12英寸硅片被日本公司卡脖子,导致武汉新芯拿不到硅片产能,所以找中芯国际签协议买硅片,当然实际上中芯国际也是找日本人买,曲线救国而已。

 

武汉新芯的命运转机还是来自于201411月成立的国家集成电路大基金,这个基金推动中国先进集成电路产业发展。

20163月武汉新芯宣布,将投资240亿美元在武汉打造一个世界级的半导体存储企业,集中精力研究生产NANDFLASHDRAM

分三个阶段部署,第一家工厂专注NAND闪存生产,第二家工厂专注DRAM芯片生产,第三个阶段的设施将专为供应商服务。

请注意,第一家工厂是做NAND FLASH的,也就是长江存储是优先量产NAND FLASH产品。

 

由于一直和飞索半导体(Spansion)合作制造NAND FLASH产品,所以武汉新芯还是选择和Spansion合作研发新一代的323D NAND FLASH

 

240亿美元,武汉新芯哪里来这么多钱呢?背后是国家集成电路产业投资基金股份有限公司、湖北省集成电路产业投资基金股份有限公司、国开发展基金有限公司、湖北省科技投资集团有限公司共同出资作为股东。

 

四个月之后的20167月,在国家大基金的推动下,紫光集团参与进来,共同在武汉新芯公司的基础上成立了长江存储公司,武汉新芯成为长江存储的全资子公司,长江存储由紫光集团控股子公司紫光国芯,国家集成电路产业投资基金股份有限公司、湖北国芯产业投资基金合伙企业和湖北省科技投资集团有限公司共同出资。其中紫光国芯出资197亿元人民币,占51.04%,从而对长江存储形成控股。

 

感谢湖北和武汉政府多年对武汉新芯的坚持,让中国的存储器制造有了发展的基础,或者说是火种。

20171月,紫光集团进一步宣布投资300亿美元(2000亿人民币),在江苏南京投资建设半导体存储基地,一期投资100亿美元,建成月产能10万片,主要生产3D NAND FLASH(闪存)DRAM存储芯片。

 

武汉工厂240亿美元+南京工厂300亿美元,光是长江存储项目,中国就砸了540亿美元,那么长江存储的前景如何?

首先武汉新芯公司之前一直在为美国飞索半导体生产NANDFLASH,同时目前也是兆易创新Nor Flash产品的供应商,因此是有制造经验的。

长江存储面临的是和中芯国际一样的问题,就是先进技术决定着未来。

 

长江存储自身的技术实力肯定是不足的,为了获取技术,长江存储的前身武汉新芯就是在和飞索半导体进行联合研发NANDFLASH,要知道飞索半导体现在已经被美国Cypress公司收购,这是全球NOR FLASH领域的领头公司。

但是不管是飞索半导体,还是Cypress,都不是NAND FLASH领域的先进厂家,这个市场是被三星,海力士,美光,东芝四巨头把持的。

所以飞索半导体自身的NAND FLASH技术实力,也是无法和国际四大厂相比的。

 

长江存储也深知飞索半导体的技术实力也是不够的,为了推动技术研发的进步,长江存储除了和飞索半导体合作,主要是找来了国家队的中科院微电子研究所搞共同研发,事实上,我们从中科院的网站上也可以看出,他们深度的和长江存储一起研发新工艺。

20172月,中科院微电子所的网页上发布了这样一条消息,国产323D NAND FLASH芯片取得突破性进展,通过电学特性等各项测试。

http://www.ime.ac.cn/xwzt/kyzt/201702/t20170215_4745158.html





实际上,当年晨星在台湾,就被很多人看做是台皮陆骨的公司,因为公司高管大陆背景比较深。

不过有意思的是,尽管媒体20172月就报道了杨伟毅加盟长江存储担任CTO,但是长江存储至今对此讳莫如深,从来不公布正式消息,杨伟毅本人也从未证实。甚至长江存储官网上也没有公布管理团队信息。

 

同时紫光还延揽了台湾第二大晶圆代工厂联电前CEO孙世伟,担任全球执行副总裁一职。不过孙世伟主要负责紫光在成都的12寸晶圆厂业务,并非是负责存储芯片。杨伟毅和孙世伟这两位都是台湾半导体业界鼎鼎有名的大佬级人物,

 

紫光集团还有另一位全球执行副总裁高启全,他是紫光集团董事长赵伟国201510月亲自从台湾挖过来的重量级人物,高启全是台湾NORflash公司旺宏的创始人,同时也是台湾第一,世界第四大DRAM公司南亚科的总经理。同时还是南亚科和英飞凌的合资公司华亚科的董事长(华亚科目前已经被美国美光并购)。是台湾半导体产业的重量级人物。

目前高启全在长江存储担任的是执行董事长的角色,同时也从台湾带来了一些有经验的工程师。

 

高启全在今年接受记者采访时表示,3D NANDDRAM技术绝对在大陆自主开发,技术不成熟时不会冒然投产,另外除了3DNAND闪存之外,还组建了500人的研发团队,其中大约50人来自台湾,攻关DRAM内存制造技术。

 

目前长江存储的重心放在3D NAND flash的开发上面,同时也在推进20/18nmDRAM开发。NAND Flash肯定是长江存储最先量产的产品,因为传统2D3D NAND技术后,半导体机台设备几乎都要换新,所以这时候投入是对的,每一个存储器阵营都站在同一个出发点。

 

DRAM技术,每转进新一代制程技术仅增加20%的半导体机台设备,意思是,既存的半导体大厂的多数机台设备都已经折旧光了,新加入DRAM技术的人去买新设备来生产,成本非常贵,竞争力会很差。

 

20/18nm工艺的DRAM——如果是真的,那么这个技术水平确实很先进了,虽然三星2015年前就量产20nm工艺了,不过美光、SK Hynix公司都在2017年才会完成制程转换到20nm,而18nm目前就只有三星一家大规模量产,其他两家还在准备中。

而合肥长鑫的19nm,最快也要到2018年底才能达到10%的良率

按照长江存储的说法,DRAM进度慢于NAND FLASH,那么DRAM量产最快也就是在2020年,差距还是有三年。

 

长江存储现在的进度,根据长江存储 CEO 杨士宁介绍,2017年底将提供32层样片,继续向64 3D NAND 发展,乐观估计2019年量产64层技术。

目前韩国三星已经在2017年量产64 NAND,可以看出中国和韩国的技术差距在2年,2年看似很短,其实在竞争激烈瞬息万变的市场,已经是极大的差距了。抗韩将是长期的进程。

 

长江存储执行董事长是台湾挖来的高启全,

目前长江存储CEO是海归杨士宁,他也是中芯国际前COO

长江存储CTO是海归杨伟毅。

这样一个阵容,我在思考一个问题,长江存储是一家新公司,三个人都是空降到武汉新芯的人才,内部的理念和发展道路是否会存在不一致?

这是长江存储发展的一个隐忧,也考验紫光集团董事长赵伟国的能力。


赵伟国嘛…..不知道说什么好,他曾经在1996年担任清华旗下紫光的副总,以及从1997年开始担任清华同方的副总,还曾经在2004年出去自己创业,但是自己创立的健坤集团,是个搞投资的…….

实事求是的说,和国内各大科技公司不一样,赵伟国从来没有真正的做成一个高科技企业的经历和经验,搞投资倒是有一套,这也是业界普遍担心的问题。

国内的高级人才,例如百度的李彦宏,腾讯的马化腾,小米的雷军,华为的任正非,比亚迪的王传福,都是技术专家+企业家,但是赵伟国并不是。

 

但是从技术的角度来说,CTO杨伟毅确实是技术大牛,同时有中科院微电子所国家队和飞索半导体联合研发,在自主研发这条路上长江存储还是有自己的力量的。

 

当然,存储器另外还有一家福建晋华,不过我并不看好,这个项目是合作开发模式,完全委托台湾方面开发,缺乏自主研发的力量。合肥长鑫是有兆易创新,也有王宁国作为重心。长江存储更是人才济济。相比之下福建晋华弱很多。

 

我们现在做下总结,2016年是中国存储器产业大发展的元年,长江存储和合肥长鑫公司都是在这一年成立,

按照计划,合肥长鑫是2018年底开始DRAM试产,2019年规模量产;

长江存储是在2019年开始64 3D NAND FLASH 规模量产, DRAM的进度慢于NAND FLASH,那么就是2020年。

 

也就是说,大约2年后的2019年就是最关键的年份,中国存储器量产与否就看那个时候了,事实上就算一切顺利,到时候的量产的良率也还达不到国际水平,在技术上也落后主流两三年,所以在市场上不可能用于高端的旗舰机型,还得从低端的手机做起。

 

2019年,我们会解决有无的问题,也就是,只是在2019年开始上场比赛了,要想真正的实现超越,还早的很,

中国的京东方2005年就量产显示屏了,12年了,到2017年的今天追上韩国了吗?没有。

中国的智能手机品牌,如果从2011年小米发布小米1为标志的话,到2017年的今天,追上韩国了吗?没有。

即使最强大的华为,到2013年发布了P6,才算是第一部真正卖出影响力的华为品牌智能手机,到今天已经四年了,全球智能手机销售额也不到三星的30%,比苹果差的更远。

 

要在这个领域追上世界最先进水平,不要指望短时间内能做到,要做好五年,十年的长期竞争准备,说白了,2030年市场份额能追上三星就算不错了,不要想把三星彻底打垮。

 

不仅是技术上比不上,现在三星和海力士又在疯狂投资建厂制造价格周期

下图是今年的半导体资本支出,可以看到存储器的工厂投资超过300亿美元,其中绝大部分来自三星+海力士。

我们说长江存储三四年的时间投资540亿美元建成武汉+南京两大基地,这个数字看起来很多,平摊到每年也就100多亿美元,而韩国人一年在存储器领域的投资就超过200亿美元。

 

20175月,三星在韩国华城工厂投资27亿美元增设DRAM产线

20178月,三星宣布未来三年投资70亿美元,在中国最大的西安工厂扩产NAND Flash产能

201711月的消息,三星还将继续扩容内存产能。

事实上,今年三星的资本支出将达到创纪录的260亿美元,光是NAND FLASH就投了140亿美元,而2016年三星的资本支出总额才113亿美元。



 

但是我们在心理上,一定要有最终一定会赢的信心,一旦进入耗国力的拉锯战,韩国人不可能赢。

 

1:中国的经济体量是韩国的8倍,韩国人和中国人比烧钱,他们耗不起,技术水平越是迫近,韩国人的利润和份额压力就会越大,一旦出现技术水平出现拉齐,他们就会出现利润和份额迅速下降。

 


 

举个简单的例子,由于2016年三星存储器和屏幕的涨价,让华为损失了多少钱?

2016年11月华为宣布的消息,华为2016年在韩国供应商采购金额高达45亿美元,增长了109%,按照2016年平均6.8的汇率,就是306亿人民币,占到了2016年华为总营收大约5200亿人民币的5.88%.

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