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作者：暢秋
在以DRAM和NAND Flash為代表的存儲芯片領(lǐng)域，中國正在加快追趕國際大廠的腳步。
2017和2018年，全球存儲芯片市場出現(xiàn)了史無前例的缺貨潮，使得相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)無法跟上市場需求，這給存儲芯片三巨頭三星、美光、SK海力士提供了絕佳的商機(jī)，也就是在那兩年，三星超越英特爾，躋身全球半導(dǎo)體廠商營收榜單之首。之后的2019年，供需趨于平衡，然而，2020年席卷全球的疫情再次打破了全球芯片市場的寧靜，不僅存儲器，幾乎所有類型的芯片都出現(xiàn)了全球性缺貨的局面，一直持續(xù)到2022年初。
近幾個月，消費(fèi)類芯片供過于求的市況愈加凸顯，而作為半導(dǎo)體業(yè)“大宗商品”的存儲芯片，價格也出現(xiàn)了下滑，且波動明顯。然而，在各種應(yīng)用設(shè)備和系統(tǒng)中幾乎無所不在的存儲芯片（以DRAM和NAND Flash為主），不會像多數(shù)純消費(fèi)類芯片那樣，對單一或少數(shù)類別應(yīng)用有特別高的依賴性，在消費(fèi)類、高性能計算、汽車、工業(yè)等領(lǐng)域，存儲芯片都是不可或缺的，因此其發(fā)展前景依然樂觀，這也是近些年存儲芯片三巨頭始終穩(wěn)居全球半導(dǎo)體廠商營收榜單前五的原因。
據(jù)Yole Développement預(yù)測，從2021到2027年， DRAM將以9%的年均增長率增長，2027年，市場規(guī)模將達(dá)到1585億美元，NAND Flash將以6%的復(fù)合增長率增長，市場規(guī)模將達(dá)到960億美元。整個存儲業(yè)的復(fù)合年均增長率預(yù)計為8%。
在中美貿(mào)易戰(zhàn)期間，存儲芯片市場在2020年同比增長15%，2021年同比增長32%，預(yù)計2022年將繼續(xù)保持強(qiáng)勁增長，DRAM同比增長25%，達(dá)到1180億美元，NAND Flash同比增長24%，達(dá)到830億美元，均創(chuàng)歷史新高。除了DRAM和NAND Flash，存儲芯片還包括NOR Flash、非易失性SRAM/FRAM、EEPROM和新型非易失性存儲器，但這些市場規(guī)模都很小。
由此可見，存儲芯片的市場規(guī)模和發(fā)展態(tài)勢還是相當(dāng)穩(wěn)健的。之所以如此，是因?yàn)樵谶^去60多年的時間里，處理器和存儲器一直都是半導(dǎo)體業(yè)基礎(chǔ)性的大宗商品，市場需求量巨大。而隨著技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，處理器在這半個多世紀(jì)里發(fā)生了巨大變化，各種新架構(gòu)、產(chǎn)品層出不窮，從最初的CPU，發(fā)展出后來的MCU、DSP、GPU、FPGA，以及當(dāng)下的AI專用處理器等，而相對于處理器來說，存儲器在這幾十年當(dāng)中的變化相對很小，主要是存儲密度和容量上的演進(jìn)，而存儲器的基本架構(gòu)變化不大，特別是DRAM，一直沿用至今，依然經(jīng)久不衰。
當(dāng)然，隨著應(yīng)用的發(fā)展，以及對數(shù)據(jù)容量增長需求的渴望，在上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的、比DRAM要“年輕”很多的NAND Flash閃存技術(shù)，發(fā)展和變化的速度就快多了，從最初的2D，演化到了現(xiàn)今的3D，存儲密度增加了不少。而隨著AI等應(yīng)用的發(fā)展，各種新型的存儲技術(shù)（MRAM和ReRAM等）正在實(shí)驗(yàn)室里摩拳擦掌，準(zhǔn)備替代當(dāng)下的閃存。
閃存的堆疊，長江存儲的執(zhí)著
為了提高NAND Flash閃存的存儲密度，全球存儲芯片三巨頭都在不遺余力地發(fā)展3D堆疊技術(shù)，特別是美光，該公司于2020年11月成為全球首家量產(chǎn)176層3D NAND Flash的廠商。與上一代128層3D NAND Flash技術(shù)相比，將讀取延遲和寫入延遲改善了35%以上。
不久后的2020年12月，SK海力士宣布開發(fā)出176層512Gb TLC 4D NAND Flash，后來還推出了176層的1Tb容量4D NAND Flash。SK海力士4D NAND結(jié)合了3D CTF(電荷捕獲閃存)設(shè)計、PUC(Peri. Under Cell)技術(shù)，2019年送樣第一代96層4D NAND，同年次月又推出了第二代128層4D NAND，當(dāng)時研發(fā)出的176層NAND Flash是第三代4D NAND產(chǎn)品。
三星則在2021年量產(chǎn)了第七代V-NAND，使用“雙堆棧”技術(shù)，該公司在128層工藝節(jié)點(diǎn)，采用的是“單堆棧”技術(shù)生產(chǎn)3D NAND Flash。三星也強(qiáng)調(diào)，采用“雙堆棧”技術(shù)，不僅更具技術(shù)競爭力，3D NAND Flash堆疊層數(shù)也有望達(dá)到256，但并不一定意味著三星第七代NAND將具有這種配置。
除了三巨頭，鎧俠和西部數(shù)據(jù)，以及英特爾都在開發(fā)高堆疊層數(shù)的閃存。不過，英特爾已于去年放棄了NAND Flash業(yè)務(wù)。
目前，沖在高堆疊層數(shù)最前沿的依然是美光，就在今年5月，該公司宣布推出業(yè)界首款232層3D NAND Flash。該公司計劃在2022年底開始增加此類芯片的產(chǎn)量。據(jù)悉，該公司的232 層3D NAND Flash采用3D TLC架構(gòu)，原始容量為1Tb。該芯片基于美光的CuA架構(gòu)，CuA設(shè)計加上232層NAND Flash可大大減小1Tb 3D TLC NAND Flash的芯片尺寸，有望降低生產(chǎn)成本。
國際大廠紛紛爭奪高堆疊層數(shù)的3D NAND Flash市場，作為中國本土NAND Flash的旗幟，長江存儲這些年一直在加緊追趕國際大廠的步伐。
2018年，長江存儲的32層3D NAND Flash實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，當(dāng)時，有業(yè)界人士透露，長江存儲Xtacking架構(gòu)的64層NAND樣品已經(jīng)送至合作伙伴進(jìn)行測試，讀寫質(zhì)量大致穩(wěn)定，預(yù)計最快將在2019年第3季投產(chǎn)，長江存儲計劃在2020年跳過96層3D NAND，直接進(jìn)入128層堆疊。
而實(shí)際情況與上述預(yù)測基本吻合，2019年9月，長江存儲宣布量產(chǎn)基于Xtacking架構(gòu)的64層256 Gb TLC 3D NAND Flash，這是中國本土首款64層3D NAND Flash。2020上半年，該公司發(fā)布了128層QLC 3D NAND Flash（型號X2-6070），以及128層512Gb TLC 3D NAND Flash（型號X2-9060），以滿足不同應(yīng)用場景的需求。
2021年初，有媒體報道稱，長江存儲將于2021下半年試產(chǎn)第一批192層3D NAND Flash芯片，成為首個試產(chǎn)該堆疊層數(shù)產(chǎn)品的中國本土廠商。
近期，又有消息傳出，長江存儲計劃跳過192層，直接切入232層3D NAND Flash。到目前為止，這一消息還沒有得到官方證實(shí)。
不過，從過去幾年長江存儲的“跳躍式”發(fā)展軌跡來看，直接上232層堆疊的3D NAND Flash，可能性很大，畢竟經(jīng)過這些年的潛心研發(fā)，該公司的Xtacking堆疊技術(shù)越來越成熟，在國產(chǎn)替代的大背景下，加快國產(chǎn)存儲芯片的前進(jìn)腳步，是受到國內(nèi)各方期許的。2021年，長江存儲已取得大約4％的市場份額，業(yè)界預(yù)期它今年有望將市占率提升至7％，超過英特爾，成為全球第六大NAND Flash芯片企業(yè)。
內(nèi)存，中國縮小差距
在DRAM（內(nèi)存）方面，國際三巨頭依然強(qiáng)勢，特別是在先進(jìn)制程工藝方面，三家的競爭愈加激烈。
近些年，DRAM與CPU一樣，面臨制程節(jié)點(diǎn)微縮的挑戰(zhàn)，使用EUV光刻技術(shù)，可減少多重曝光過程，提供更細(xì)微的制程精度與良率。為此，DRAM三巨頭都在爭奪ASML的EUV光刻機(jī)，用于10nm級DRAM的生產(chǎn)。
為了提升本土DRAM的供貨能力，作為中國DRAM芯片IDM的代表，合肥長鑫（CXMT）和福建晉華正在暗中發(fā)力。
合肥長鑫和兆易創(chuàng)新共同研發(fā)DRAM技術(shù)，雖然取得了技術(shù)突破，但與國際三巨頭相比，還是有明顯差距的，例如在PC用DRAM方面，合肥長鑫演進(jìn)到DDR4，而國際大廠的DDR5產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)多年，正在向DDR6演進(jìn)。不過，就國內(nèi)市場而言，能夠穩(wěn)定量產(chǎn)DDR4產(chǎn)品已是很難得的進(jìn)步了。在產(chǎn)能拓展和規(guī)劃方面，合肥長鑫于去年開始籌建二期項目，且擴(kuò)張腳步比長江存儲還快，有業(yè)內(nèi)人士表示，預(yù)計合肥長鑫二期項目最快在明年投產(chǎn)，到那時，該公司的DRAM芯片產(chǎn)能將從當(dāng)前的月產(chǎn)4萬片增加至12.5萬片。
相對于合肥長鑫，福建晉華更加低調(diào)，相對來說，該公司更傾向于引進(jìn)技術(shù)、合作發(fā)展的策略，無論是研發(fā)，還是人才，其與聯(lián)電都有著緊密的合作關(guān)系。這樣的合作關(guān)系是一把雙刃劍，有利也有弊，利是能夠節(jié)省時間，通過引進(jìn)技術(shù)和人才，在盡量短的時間內(nèi)吸收、消化，逐步轉(zhuǎn)化為自己的技術(shù)儲備，提升競爭力；弊端就是主動權(quán)不能完全掌握在自己手里，發(fā)展進(jìn)程容易受突發(fā)事件影響。
過去幾年，晉華卷入知識產(chǎn)權(quán)法律糾紛，雖然已基本解決，但其負(fù)面影響難以避免。這段經(jīng)歷，有點(diǎn)像1960年前后的中蘇關(guān)系，本來是引進(jìn)了大批前蘇聯(lián)專家以及相關(guān)技術(shù)，搞兩彈一星的研發(fā)，但隨著當(dāng)時兩國政治關(guān)系的變化，蘇聯(lián)專家和相關(guān)資源全都撤走了，我們不得不從零開始，自己去摸索，經(jīng)過幾年的艱苦奮斗，自己搞出了核彈。雖然所處時代和領(lǐng)域不同，但情形卻很相似，而且都是高科技領(lǐng)域的研發(fā)工作。
其實(shí)，關(guān)于引進(jìn)技術(shù)、合作研發(fā)，與完全獨(dú)立自主發(fā)展一直是業(yè)界爭論的焦點(diǎn)話題，在我們看來，很難分出絕對的對錯。我們的目的自然是要獨(dú)立自主，但很多時候，技術(shù)引進(jìn)是一個躲不開的話題和過程。就像60年前的中國，當(dāng)時我們在各個領(lǐng)域都很強(qiáng)調(diào)獨(dú)立自主，但面對巨大的技術(shù)落差，還是得引進(jìn)吸收，但這種策略所附帶的風(fēng)險又是揮之不去的，最終又回到了自主研發(fā)這條路上來。
還有一點(diǎn)很重要，那就是找到一個好的合作伙伴，可以起到事半功倍的效果，反之，則大概率會事倍功半。
風(fēng)雨過后見彩虹，相信臥薪嘗膽的晉華，能在不久的將來帶給本土產(chǎn)業(yè)驚喜。
在以合肥長鑫和福建晉華為代表的本土存儲芯片廠商的努力下，中國DRAM產(chǎn)業(yè)取得了一定的進(jìn)步。韓國研究機(jī)構(gòu)OERI的報告顯示，估計韓企和中國廠商在DRAM領(lǐng)域的技術(shù)差距已縮短至5年。具體來看，三星和SK海力士計劃在年底前投產(chǎn)第五代10nm級（1b或12nm）DRAM，合肥長鑫今年的目標(biāo)則是第二代10nm（1y或16/17nm）產(chǎn)品。一般而言，DRAM每一代的演進(jìn)時間在兩年半左右。
結(jié)語
存儲芯片，是最能考驗(yàn)一個國家半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基本功的品類，半個世紀(jì)前的英特爾，就是以存儲器起家的，在奠定相應(yīng)的設(shè)計和制造基礎(chǔ)后，才有條件向CPU轉(zhuǎn)型。日本也是如此，上世紀(jì)80年代的鼎盛時期，全球半導(dǎo)體廠商營收排名前10當(dāng)中，有6家日本企業(yè)，其中多數(shù)都擅長存儲芯片的研發(fā)和生產(chǎn)。韓國更是如此，作為后起之秀，三星憑借在存儲芯片領(lǐng)域的投資和策略，一舉超過了日本廠商，再加上SK海力士，使韓國占據(jù)了當(dāng)今全球存儲芯片市場的半壁江山。
而且，無論是從歷史，還是現(xiàn)實(shí)角度看，有行業(yè)影響力的存儲芯片廠商大都是IDM模式，晶圓代工廠的存儲芯片業(yè)務(wù)市占率很小。這一特點(diǎn)似乎更加符合中國擅長集中力量辦大事的國情，使得我們發(fā)展存儲芯片具備先天優(yōu)勢。相信在本土三大存儲芯片IDM的引領(lǐng)下，中國的DRAM和NAND Flash產(chǎn)業(yè)能夠穩(wěn)扎穩(wěn)打，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、吸取教訓(xùn)，把工藝技術(shù)、產(chǎn)能和良率推向新高。
