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深度|借晋华DRAM事件解构我国存储芯片产业瓶颈

2018-11-21 14:08:01

本文来自华夏幸福产业研究院,作者:王方林、郭建楠、李佳玉。

近来,关于福建晋华、台湾联华电子与美国美光有关DRAM专利侵权的事件成为产业热点。从晋华和美光的三次互诉,到美国商务部对晋华禁售和联电暂停与晋华的合作,在中美贸易战背景下,这不禁让人联想到中兴因美国制裁而运营停摆的事件。晋华事件走向如何尚不得而知,本文仅从专利与产业链角度,结合全球市场格局,解构我国发展存储芯片产业的困难、现状和潜力。虽然存储芯片产业发展道阻且长,但是我们别无选择。

01

存储芯片是什么

存储芯片是半导体元器件中不可或缺的组成部分,几乎存在于所有的电子设备中。随着大数据、云计算、物联网、人工智能等产业的发展,其在整个产业链中扮演的角色越来越重要。

存储芯片的种类很多,按用途可分为主存储芯片和辅助存储芯片。前者又称内存储芯片(内存),可以与CPU直接交换数据,速度快、容量小、价格高。后者为外存储芯片(外存),指除内存及缓存以外的储存芯片。此类储存芯片一般断电后仍然能保存数据,速度慢、容量大、价格低。按照断电后数据是否丢失,可分为易失性存储芯片和非易失性存储芯片。易失性存储芯片常见的有DRAM和SRAM,前者就是这次晋华事件的主角。非易失性存储芯片常见的是NAND闪存芯片和NOR闪存芯片。

图1 存储芯片分类 数据来源:华夏幸福产业研究院

相对于CPU,存储芯片的设计和制造复杂度略低。但其技术含量依然非常高,对于行业后来者,绝非一朝一夕可以追赶。以此次晋华事件涉及的DRAM芯片为例,主要涉及五大类技术。

存储单元设计包括电容器设计和电路设计,是存储芯片最核心的部分。电容器存储数据,电路负责控制数据的访问。常见的电容器有平面型电容器、沟槽型电容器和目前流行的堆叠型电容器。早期的存储单元电路包含3个晶体管和一个电容器(3T1C)构成,慢慢演变为1T1C或1T等多种类型。

阵列架构是存储单元的矩阵排布形式,芯片通过wordlines和bitlines访问和控制存储单元。常见的bitlines包括开放式架构、折叠式架构等。同时阵列设计上还需要设计行、列冗余,以适应可能出现的坏点等。

错误检测与修正用以解决存储单元受环境、宇宙辐射导致的电位自发反转问题。通常需要设计冗余存储单元或额外的电路来检测和修复这些错误bits。另外,DRAM存储芯片还包括芯片安全和芯片制造与封装技术。

02

专利:集中于韩、日、美企业

我国存储芯片产业发展较晚。目前,以投入NAND Flash市场的长江存储、专注于移动存储芯片的合肥长鑫和致力于普通存储芯片的福建晋华三大企业为主。但发展存储技术,国际企业的专利壁垒是绕不过去的坎。

我们选取2000年1月1日至2018年10月31日的全球存储专利分析发现,有效专利和专利申请最多的国家/地区依次是美国、韩国、日本、中国和中国台湾,如图2。从这个数据看,我国(主要指大陆)专利并不弱。2002年就已经有大量申请,2010后申请大量增加。

但是,从申请主体可以发现,如图3,我国的专利申请主要来自国际和中国台湾的企业,如三星电子、旺宏电子、台积电、SK海力士、美光科技、英特尔、华邦科技、IBM等。而申请前十的大陆企业只有中芯国际和兆易创新,且所申请专利多数是相对边缘化的技术,还有部分前沿技术。

图2 存储芯片专利全球主要申请国家/地区及其申请趋势 数据来源:incoPat,华夏幸福产业研究院

图3 在中国申请专利的主要企业及其申请趋势 数据来源:incoPat,华夏幸福产业研究院

从全球企业的专利申请趋势看,如图4,目前以三星、SK海力士、东芝和美光科技四家企业占据绝对优势。其中前三家是老牌专利巨头,美光科技在2008年后申请逐渐增加,赶超东芝和海力士,直追三星。2007年后,旺宏电子、英飞凌、台积电和富士通的申请明显减少,可能来自金融危机的影响。这也印证了存储芯片产业向头部企业集中的趋势,特别是韩、美、日三国的四家企业。

图4 全球存储芯片专利主要申请企业及其申请趋势 数据来源:incoPat,华夏幸福产业研究院

图5 高引用存储芯片专利的主要分布企业 数据来源:incoPat,华夏幸福产业研究院

如今,我国要发展存储芯片产业,不得不面对来自国际巨头的专利壁垒,而专利许可可能是相对高效的一个选择。通过前1000件高引用存储专利分析发现,其技术方向分布相对集中,且美国企业占据绝对优势,如美光科技、闪迪、AMD、IBM和英特尔。这也导致目前头部企业间专利许可成为普遍做法。

03

产业链:受制于人

无论是长江存储的NAND Flash还是晋华、长鑫的DRAM,都是IDM项目。分析产业链各环节,无论是设计、EDA软件,还是材料、装备,我们普遍都受制于人。尤其在EDA软件和装备领域,几乎无法避开美国的技术与产品。

1、 设计环节

晋华的技术主要来自联电。美光怀疑其前员工盗取公司技术,并交给联电,联电又将技术分享给了晋华,这才导致美光起诉联电和晋华,以及后续一系列事件。但是,晋华的DRAM技术到底是否构成侵权,只有产品问世后才可知。

长江存储主攻NAND闪存芯片。它与美国飞索半导体(Spansion)联合开发了NAND闪存技术,并与中科院微电子所共同研发32层3D NAND Flash芯片技术。从技术角度看,长江存储在自主研发的道路上有一定积累。2018年8月,长江存储对外发布其突破性技术——Xtacking™,该技术可为3D NAND闪存带来前所未有的I/O高性能、更高的存储密度,以及更短的产品上市周期。

无论对于晋华、长江存储还是长鑫,技术来源都是首先要解决的问题,无论技术授权、合作开发,还是自主研发,只有从技术源头掌握关键技术,才能避免被卡脖子。

2、 EDA软件

全球EDA软件市场被三巨头——Synopsys(美)、Cadence(美)、Mentor(德)所垄断,国内IC设计公司几乎100%采用国外产品。虽然国内EDA软件开发龙头华大九天近期获得了超过亿元的融资,但和三巨头相比差距巨大,短期内难以追赶。就EDA软件来说,美国轻易就可以通过停止服务等手段,对国内存储芯片厂商甚至集成电路设计企业造成巨大的影响,迫使停止设计研发工作。

3、 材料

国产集成电路材料已经占据一定市场份额,并逐步在个别细分领域挤占国际厂商的市场空间。其中,靶材、湿电子化学品、CMP材料等细分领域产品已经取得较大突破。部分产品技术水平达到国际一流水平,本土产线已基本实现大批量供货。电子气体、硅片、掩膜版等产品技术水平达到国际一流水平,本土产线已实现小批量供货。只有光刻胶等产品与国际一流水平还有较大差距。

表1 日、美、德企业在全球集成电路材料市场仍然占主导地位 数据来源:SEMI,华夏幸福产业研究院

但是,我们也需要认识到与国外龙头厂商相比的巨大差距,日、美、德企业在全球集成电路材料市场仍然占据主导地位。针对美国未来有可能在材料领域的产品管制,除了加大对国内供应链的扶持,降低材料的对外依赖度外,还可以拓展非美系供应商,毕竟在材料领域,美系厂商的市场份额和对其依赖度还没有那么高,如表1。

4、 装备

集成电路装备产业具有极高的技术壁垒和市场壁垒,是一个高度垄断的市场。细分市场TOP3市占率超过90%甚至一家独大的现象普遍存在。晶圆制造核心装备光刻机、刻蚀机、CVD和PVD,都呈现寡头垄断局面。如在PVD领域,美国企业应用材料(AMAT)占据85%市场份额。

图6 晶圆制造等关键核心设备仍呈现寡头垄断局面 数据来源:SEMI,华夏幸福产业研究院

目前,国内装备在关键领域初步实现了产业链成套布局——曝光Liho、刻蚀ETCH、薄膜CVD、湿法WET、检测、热处理、测试等环节,且部分工艺制程能够满足国内客户的需求。国内厂商有多项产品已经批量出货,其中主要的厂商有北方华创、中微半导体、睿励科学仪器和上海盛美半导体等。

从晋华的装备采购清单看,核心关键装备还是从美、日、韩等国采购,比如刻蚀工艺机台、薄膜沉积工艺机台、膜厚检测机、晶圆边缘检测机、各类缺陷检测机等都需要从美国进口。国产装备采购比例较低,除了中微半导体的刻蚀机,其余集中在低技术壁垒的各类清洗装备。

图7 晋华部分装备采购清单 数据来源:中国闪存市场

当下,任何一座晶圆厂的顺利投产,几乎不可能离开美国产的设备。正如上表中所列,应用材料、科磊(KLA-Tencor)等都是晋华重要的供应商。退一步讲,由于装备产品是复杂而精密的系统级产品,即使采购非美供应商装备,其中关键零部件、核心软件及操作系统也有可能是美国企业所供应。因此,可以说在装备领域,国内存储芯片企业或者制造企业最容易被美国卡脖子。

04

全球千亿美金市场:寡头垄断

随着全球信息化浪潮汹涌澎湃,存储芯片市场保持了高速增长态势。根据WSTS统计数据,2017年全球存储芯片产业营收达1319亿美元,占半导体产业收入30%左右,过去五年复合增长率高达37%。其中DRAM和NAND市场规模达到730亿和550亿美元,分别占存储芯片市场的56%和40%。

图8 存储产业在半导体产业占比逐步提升 数据来源:WSTS,华夏幸福产业研究院

图9 DRAM和NAND市场规模 数据来源:WSTS,J. P. Morgan,华夏幸福产业研究院

全球存储产业迅速发展的源动力主要来自PC、智能手机、平板、数据中心服务器对存储的需求,以下是DRAM和NAND按应用的需求占比以及变化情况。

图10. DRAM和NAND需求分析与增长情况(按应用分) 数据来源:Gartner,Bloomberg,J. P. Morgan,华夏幸福产业研究院

随着智能手机出货量放缓,5G等新应用尚未形成大规模需求,DRAM及NAND产品需求与价格均进入下行通道。WSTS预测,2018-2020年存储产业年复合收入增速将维持在8%上下。

图11 DRAM和NAND现货价格走势 数据来源:Wind,DRAM Exchange,华夏幸福产业研究院

存储芯片产业的竞争格局,历经多年整合,呈现寡头垄断局面。据IDC统计,2018年一季度DRAM实现营业收入232亿美元,三星、SK海力士、美光三家分别拥有46%,27%,23%的市场份额,合计市占率超95%。2018年一季度NAND实现营业收入136亿美元,三星、西部数据/东芝、SK海力士、美光分别拥有42%,29%,13%及12%的市场份额,合计市占率超96%。

图12 DRAM和NAND竞争格局分析 数据来源:IDC,IHS,华夏幸福产业研究院

海关数据显示,2017年中国进口存储芯片889亿美元,比2016年增长39.6%。DRAM、NAND的寡头垄断造成下游客户毫无议价能力。2017财年,三星、SK海力士、美光三家存储巨头的半导体业务在中国的营收分别为104、254、89亿美金,合计达到447亿美金,超过中国存储芯片进口额度的半数。

因此,无论从经济安全,还是信息安全角度,我国都亟待发展存储芯片产业。

05

我国存储芯片市场:短期格局难变

作为全球最大的存储芯片消费市场之一,面对产业基础薄弱,自给率极低的窘境,在政府引导和支持下,产业界全力以赴追赶超越,加快发展。目前,国内有三大存储项目:紫光集团与武汉、南京及成都合作展开的NAND与DRAM项目,兆易创新与合肥合作的DRAM项目(合肥长鑫),联电与福建省合作的DRAM项目(福建晋华)。

表2 主要存储芯片企业分析 数据来源:光大证券研究所,CICC,华夏幸福产业研究院(2018.05)

紫光集团(长江存储+紫光南京+紫光成都)

紫光集团在南京、成都各有一座半导体产业基地,又与武汉新芯合作成立长江存储国家存储芯片基地。南京半导体产业基地主要生产DRAM以及NAND芯片,成都基地和长江存储将专注于3D NAND闪存芯片。

长江存储2016年7月成立,由紫光集团、国家集成电路产业投资基金、湖北集成电路基金、湖北科投联合投资240亿美元。

2016年12月,以长江存储为主体的国家存储芯片基地正式开工,建设3座全球单座面积最大的3D NAND Flash厂。项目一期2018年建成投产,实现零的突破,成功进入市场,预计2019年毛利转正,2020年月产能30万片,2023年月产能100万片,年产值达1000 亿人民币。

图13 长江存储项目重要时间节点 数据来源:长江存储,企名片,华夏幸福产业研究院

紫光南京/成都半导体产业基地均由紫光集团投资建设,目前处于建设期,未来产能均为30万片/月。

合肥长鑫

合肥长鑫存储由兆易创新与合肥市产业投资控股合作,建设19nm、12寸晶圆DRAM芯片项目,预算金额180亿元。

合肥长鑫2018年一季度已完成设备安装,一期计划产能12.5万片/月,三期全部满产产能为37.5万片/月。第一阶段主要生产基于19nm平台的8GB LPDDR4产品,用于智能手机。目前已开始投产,预计2018年底良率可达10%,2019年底良率可达80%左右,实现大规模量产。

图14 合肥长鑫项目重要时间节点 数据来源:合肥长鑫,光大证券研究所,企名片,华夏幸福产业研究院

福建晋华

由福建省电子信息集团、晋江能源投资集团有限公司等共同出资,与台湾联电展开技术合作,总投资56.5亿美元,建设12寸内存晶圆厂生产线,从事利基型DRAM的研发和生产销售,产品主要应用于PC及数据中心,未来瞄准消费电子产品。虽然消费电子的存储需求步入存量博弈阶段,但市场规模依旧庞大。

该项目共4期,每期设计产能6万片/月,总计24万片/月。预计4期满产总产值500亿人民币。规划第一阶段提供25nm 4GB DDR4/DDR3产品,争取2018年研发成功,后续继续研发1xnm产品。此次美国禁售,原计划很大可能将会推迟。

图15 福建晋华项目重要时间节点 数据来源:福建晋华,光大证券研究所,CICC,企名片,华夏幸福产业研究院

图16 中国大陆主要半导体制造产线分布图 数据来源:CICC,华夏幸福产业研究院

从上述规划看,我国厂商仍处于起步阶段,存储芯片研发、良品率、成本控制等能否达到预期,还有一定的不确定性,产能释放将是一个缓慢的过程。从产能规划看,国产存储芯片市占率短期内将维持较低水平,2-3年内难以超过1%,2020年后有望得到较大提升。

从存储芯片产业的专利分布、申请趋势以及产业链环节的深入分析看,我们清晰的看到自身技术积累的薄弱,在人才储备、产能规模、企业体量与国际巨头还有显著的差距。虽然晋华事件走向何方还不明朗,但我国发展集成电路产业的决心只会更加坚定。面临挑战,我们必须着眼于产业生态打造,进一步整合资源,完善产业链布局,同时加大力度布局前瞻性技术研发,寻找技术变革带来的新发展机遇。可喜的是,10月26日,中国存储芯片产业联盟在武汉成立,行业抱团取暖,团结就是力量。虽然产业发展道阻且长,但是我们别无选择。

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来源:华夏幸福产业研究院 | 责任编辑:程北墨
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