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长江存储量产64层NAND,国产存储芯片任重道远
送交者: zeiou[★吏部尚书★] 于 2019-12-18 16:08 已读 3659 次 1 赞  

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2019年9月2日,紫光集团旗下长江存储科技有限责任公司(下简称“长江存储”)正式宣布,公司已开始量产基于Xtacking架构的64层256 Gb TLC 3D NAND闪存,以满足固态硬盘、嵌入式存储等主流市场应用需求。作为国家重点打造的存储器大项目,经历多年的研发,终于走向市场正式向存储巨头们挑战。

存储器一直是压在心头的一块大石,也是半导体领域历来兵家必争之地,历史有多残酷,各位可以参考之前一篇网红文《内存的故事》作者是戴老板,内容基本讲透了,笔者不再赘述。

内存的战争 转自半导体行业观察链接。

此外也可以阅读金老师的 内存的故事 (纪念DRAM量产50年),也写的非常好。

今天只讲笔者个人对国产存储芯片发展的看法。
什么是存储芯片?

存储芯片英文名为Memory,台湾等地翻译为记忆体。目前存储器是半导体领域内单项市场规模最大的一块。

2018年半导体各细分市场占比

2018年,根据WSTS的统计整个半导体市场规模为4779亿规模,其中存储器占约36%,合计1700多美金。而存储器又分DRAM(内存)、NAND(通用闪存)、NOR(专用闪存)等。其中DRAM和NAND是绝对主力,两种芯片合计占了97%以上。其中DRAM占52%,NAND占45%,NOR等其他占3%。因此2018 整个NAND的规模为760亿美金。

经过多年的厮杀,目前DRAM阵地只剩下3大巨头,三星、SK海力士、美光。而NAND阵地也差不多,被三星、SK海力士、美光,东芝、英特尔、西部数据瓜分完毕。整个存储市场被国外公司高度垄断,说涨价就涨价,2015年,2016年,2017年存储器价格疯狂涨价,国内下游公司苦不堪言,并出现“2017年最佳理财产品内存条”等段子。当时国家发改委还约谈三星希望能降价,说实话笔者觉得是真丢人,降价要动用行政手段要靠发改委约谈企业。
国内存储新力量

所有的一切让我们意识到产业上游被人垄断是多么可怕的事情。因此自力更生,芯片国产化便愈发显的重要。在此大环境下,国内出现三家公司涉及存储器业务的公司。

它们分别是长江存储,合肥长鑫,福建晋华。可惜的是晋华还未投产,便遭遇美国封杀,目前几乎停滞没有任何进展。因此国内只剩长江存储和合肥长鑫。

其中长江存储就寄托了中国冲击和改写集成电路格局的希望。

长江存储核心厂区近况(图源:紫光集团)长江存储发展历程

长江存储是紫光集团联合国家集成电路产业投资基金(下简称“大基金”)、湖北省科投等,于2016年在武汉注册成立的企业,专门负责武汉国家存储器项目的运营。成立后,在紫光董事长赵伟国运作下,长江存储整合了已成立10年的武汉新芯集成电路制造有限公司(下简称“武汉新芯”)。

成立于2006年的武汉新芯,是湖北省和武汉市进军集成电路制造领域的产物。建成伊始,湖北省和武汉市把武汉新芯交给中芯国际运营。但当时,因中芯国际发展并不顺利,尤其是正处于与台积电对薄公庭的阶段,实际上无暇顾及武汉新芯的发展。

据宁南山一篇关于长江存储发展史的文章介绍:成立时的武汉新芯当时是想做DRAM的,但公司成立不久遭遇了DRAM的价格低谷周期,而不得不放弃DRAM的生产。于是,武汉新芯2008年9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。

好景不长,飞索半导体遭遇经济危机之后业绩一路下滑,武汉新芯在2010年订单量急剧下降,而不得不寻求出售。其时,台积电、美国美光、豪威都成为潜在合资对象,但由于国内业界的呼吁及武汉市对自主创新的坚持,最终放弃了合资计划。

当然合资未果还是带来了机会,那就是美国豪威的图像传感器(目前已经被韦尔股份收购)开始找武汉新芯生产制造,但新芯公司仍处于艰难地步。于是2011年,中芯国际投资10亿美元最终控股子武汉新芯。

但2011年,中芯国际的营收只有13.2亿美元,净利润为大幅亏损2.47亿美元,分别同比大幅下滑。因此中芯国际的10亿美元注资计划实际上最后没有完成。最后,2013年,中芯国际退出了武汉新芯。

一切的开始都源于2014年,2014年10月14日,工信部办公厅宣布国家集成电路产业投资基金已经于9月24日正式设立,并且透露这只基金将采用公司制形式。这个基金推动中国先进集成电路产业发展。2016年3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NAND FLASH和DRAM。

项目分三个阶段部署,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。

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32层3D NAND FLASH。

那么这一个整个项目下来的240亿美元,资金难题是正是集成电路产业基金、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(以下简称省科投)共同出资并解决。

2016年7月,紫光集团参与进来,各方在武汉新芯公司的基础上成立了长江存储公司并控股武汉新芯。成立伊始,长江存储整合了已成立10年的武汉新芯集成电路制造有限公司。当中,紫光团体占51.04%。

2017年1月,紫光集团进一步宣布投资300亿美元(约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,主要是生产3DNANDFLASH(闪存)、DRAM存储芯片。

至此长江存储正式成立并进入研发生产阶段。

长江存储项目于 2016 年启动,2018 年实现试投片(资料来源:长江存储官网)2D到3D

在22nm工艺节点以下,晶体管技术迎来全新的变化,从平面型变成了立体型。1999年半导体大牛胡正明教授,发明了FinFET结构晶体管。2014年三星,台积电等公司量产了16/14nm晶体管,至此CMOS 晶体管技术进入立体时代。

传统平面型MOSFET晶体管
FinFET结构晶体管

存储所用的工艺和代工工艺略有不同,但是道理都差不多。从2D NAND 到3D NAND 就是从盖平房到盖高楼,单位面积下继续增加容量以及性能。

而当长江搞定32层时,三星、海力士、美光们的64层芯片已经成为主流,并正朝着96层迈进。但就在昨日长江存储正式对外宣布,其基于Xtacking?架构的64层256GbTLC3DNAND闪存(每颗裸芯片的存储容量为256千兆字位,每个存储单元为三个字位的三维闪存)正式量产,以满足固态硬盘、嵌入式存储等主流市场应用需求。长江的这一突破意味着我国存储技术与领先国家的差距又拉进一大步。
何为Xtacking架构?

2018年8月7日,在美国加州圣克拉拉召开的闪存峰会上,长江存储发布了Xtacking技术,在闪存技术架构上成功实现突破性创新。传统的3DNAND芯片,通常是在同一片晶圆上,把存储单元和逻辑电路一并加工出来。随着层级不断叠加,外围逻辑电路的面积会越来越大,到更高层时,存储密度会大幅降低。

Xtacking架构,则会将存储单元和逻辑电路在两片晶圆上分别加工,并各自选择最先进的制造工艺,用数百万根金属通道把两者“接通”。这样做的好处是,不但研发周期缩短三个月、生产周期缩短20%,闪存的最高存取速度更将大幅提升至DDR4内存的水平。

而Xtacking架构的64层3DNANDFlash闪存,其存储密度能与其他厂商96层的相差无几。这意味着,长江在存储芯片领域已经闯出属于自己的道理,具有一定的竞争力。但相信国外半导体巨头们也不会停滞不前,三星,东芝、英特尔等不断在工艺性能新材料方面投入巨大的资源,力图保持自身。

目前据IHS统计全球NANDFlash约为430-440万片/季度,三星产量约为140-145万片季度,海力士产量约为55-57万片/季度,两者份额之和占据全球产能近45.8%。

全球NAND产量分布情况(来源:DRAMexchang)

长江存储一期主要产品为 3D NAND,预计投入 240 亿美元(1612 亿人民 币),到 2020 年形成月产能 30 万片的生产规模(分三期,每期 10 万片 /月),到 2030 年建成每月 100 万片的产能;而合肥长鑫项目主要产品 为 DRAM,预计投资额 72 亿美元(484 亿人民币),规划到 2019 年底一厂 实现产能 2 万片/月,2020 年开始规划二厂建设;福建晋华项目主要产 品为 DRAM,一期总投资 370 亿人民币(55 亿美元),到 2019 年底一厂一 期项目实现月产 6 万片产能,到 2020 年底一厂二期同样达产 6 万片。
想要分一杯羹,就要杀出一条血路

存储器作为半导体领域内,通用性最强,也是竞争最激烈,也是巨头垄断最严重,进入门槛最高的领域。想要分一杯羹,就要杀出一条血路!

为什么竞争这么激烈?

半导体市场是全球化的市场,除了部分材料(特气和化学品)因为有运输距离的限制具有一定地域性之外,其他绝大多数都没地域概念,产品要是做的好,就是全球市场通杀,不存在什么地域限制。日本用,中国用,美国也用,大家都用。NXP,ST等有些热销的MCU一年出货量都是十亿颗以上,通杀全世界市场。

所以在这个领域内,刚出生的公司就要面对全世界公司的竞争,挺艰难的,当然好处也有,如果干的好,全世界都是你的市场,凭本事活下去。

到目前为止无论哪个公司,哪个国家,要想进入存储领域。无论是DRAM还是NAND,要准备好上足够的钱,外加亏10年不动摇的心态,否则不用来玩了。

如果说做存储就像一个赌局,那么要上这个赌桌的筹码至少是1000亿人民币以上。

总之这个产业的壁垒高的是各位无法想到的。个人总结为4座大山:专利问题、产能、技术以及财务压力,这四座大山翻过去就过去了,翻不过去就是凉凉。

1、专利问题;

半导体的领域,专利就是你的盾牌和武器,几乎所有的半导体公司都明白专利就是自己的活下去的资本,因此极其重视专利的保护。

比如高通有闻名于世的专利墙。

墙壁上面展示了该公司的1395份专利文件

在无线通信领域内高通积累了超过13000项专利,每年光专利授权费能收几十亿没美金,这也是高通赖以生存的法宝。

同样你要做NAND FLASH ,巨头们也是一大堆专利,目前巨头在各个角落都有布局,要想跨过巨头的专利陷进,真的很难,晋华就是因为专利纠纷被人抓了把柄,被美国封杀。幸好目前长江存储和长鑫都有自己的独门秘方,就是来告也不怕。

2、产能问题

目前长江存储只有月产3万片,到年底大约6万片。跟目前市场130多万片一个月的产能相比,实在少的可怜,一个月至少20万片还算有点存在感。对于这种体量巨大的市场而言,有时候干掉竞争对手的不是技术多先进而是你产能稳定且有保障。有产能才有市场地位,保持极高的产能,是和竞争对手一争高下的核心。

3、技术

不管怎么样,NAND FLASH是一种工艺复杂,技术含量非常高的芯片。技术有两方面,一方面是先进性,比如更先进的工艺制程。另外还有一方面是良率,再牛逼的技术,良率上不去还是白瞎,所有晶圆制造公司,一大半时间和精力都花如何保持和提高良率上,良率就是公司利润线,两家公司其他条件差不多的情况下,良率好的那家公司就有先杀价的资本,而良率提高1%,就是公司利润提高1%。

4、财务压力

前几年,甚至前十年公司的财务压力都特别大,大概率都没法赚钱,个别年份好可能有点小赚。但是半导体这个领域,不管你上一年是赚了钱还是亏了钱,下一年依然要不断的继续投入,保持自己行业地位和技术先进性。一轮轮的洗牌之后,活到最后通过一轮景气行情,就能把过去十年亏的钱都赚回来。

历史上三星,海力士就干过这种事,用“反周期”行为,在行业低潮期,反而继续疯狂扩产加码,最后一举摧毁竞争对手,德国奇梦达和日本尔必达就逼的相继破产。而熬过低潮期的三星们,在2015-2018年间赚的盆满钵满,甚至在2017年,营收水平超过半导体霸主英特尔,坐上第一的位置。那一年三星光在存储领域,赚了数百亿美金,令人咂舌。

所以干存储千万不能小家子气,不能半途而废,需要高强度持续不断的大手笔投入,烧钱不眨眼的那种,要不就别干了。曾经有个知名的学者表示干芯片不能不顾一切,笔者只能表示呵呵,如果现在是1950年代,国内外都处于同一起跑线上,确实有道理,过度的支持容易好心办坏事,让国产芯片变成温室里的花朵永远长不大,确实不行。但是现在都9012年了,人家都我们前面跑了20、30年,如果不抱着这种不顾一切的坚定的信念和无尽的财力支持,拿什么跟人家竞争?

如果中国跟越南,菲律宾,印尼那些国家一样,给美国当小弟混吃等死,说实话做不做国产芯片都一样,现在问题是这可能吗?中国必须当老大!因为我们是中国。

想要分一杯羹,就要杀出一条血路。半导体行业永远都是老大吃肉,老二喝汤,老三喝西北风的赢家通吃格局,只有行业老大才能躺着赚钱,其他人只能苟活。



从市场端做好

长江存储最大的优势是市场在国内,目前中国消耗掉超过一半的存储芯片。长江存储如果立足国内是完全能做起来。

对于终端客户而言,真的不在意你是什么结构,用什么工艺做NAND颗粒。客户只关心一个问题,性能好不好,价格便不便宜。

从目前的技术资料来看,长江存储的NAND芯片性能水平应该比较接近三星们了,那第二个问题就是价格问题,只要价格有优势,国内肯定有人愿意用。

所以,就是杀价!

价格战并非是战无不胜的法宝,如果低价就能打赢对手,那夏利早就干掉奔驰了,半导体里也一样。但是在一定时期内,价格战就是一份战书,我现在准备在血水里和你摔跤,你敢应战吗?

国内绝大的需求和完善的下游产业链,是包括长江存储在内所有国产芯片公司做大做强的最大优势。做好本土市场,先活下去,再找机会,从巨头嘴里抢吃的!

中微这样干过,安集微也这样干过,北方华创也这样干过,千千万万的中国芯片设计公司都这么干过。别人干得,长江存储也干得。

机遇与艰难格局并存,长江存储们任重而道远,作为国产芯片的新星和龙头,应全力支持,不惜一切代价!

半导体是信息时代的战略基础,必须全力支持!拿出亮剑精神!不服就是干!

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