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DRAM是如何成为芯片国产化的兵家必争之地的?

2019-06-06 13:57 来源:互联网 编辑:Janet

芯片国产化中不可或缺的DRAM之战,中国该如何主动出击,又会带来哪些投资机会?

日美韩三国演义

1969年,在诺伊斯和摩尔等初代集成电路元勋们的努力下,英特尔成功开发出第一块存储芯片——容量为64个字节的3101芯片。

次年,英特尔的12号员工特德.霍夫提出了一种新的设计,将DRAM存储器单元的晶体管从四个减少到三个,成功将存储空间提升到1024个字节。

这也就是我们如今所用DRAM的技术原型。

无疑,此时的美国,是第一个吃螃蟹的人。当时个人计算机尚未普及,需求小、价格低使得技术是行业核心驱动力,商战也远远未及。因此,从1970年的2K可擦除可编程只读存储器(Eprom)到1972年世界第一块静态随机存储器(SRAM)的推出,再到4K 16K,64KDRAM芯片的先后问世,在技术驱动下,存储器容量不断呈指数级增长。

技术的壁垒也毫无意外地带来了垄断,英特尔和MOSTEK等美国公司垄断了当时的整个市场。

然而不久之后,日本存储产业的崛起就打破了原本的竞争格局。

1971年,日本NEC公司推出了DRAM芯片,紧追英特尔的量产DRAM。尽管如此,日本半导体的技术实力和产品性能与美国依然有巨大差距。同期的美国存储器已经用上了超大规模集成电路(VLSI),而日本还停留在上一代技术大规模集成电路(LSI)。

为攻破技术壁垒,1970年代的日本政府一手抓“产官学”一体推进本土半导体实力发展,一手抓进口壁垒搞产业保护。1976年,由日本政府的通产省牵头,以日立、三菱、富士通、东芝、NEC五大公司作为骨干,联合了日本通产省的电气技术实验室(EIL)、日本工业技术研究院电子综合研究所和计算机综合研究所,投资720 亿日元,攻坚超大规模集成电路DRAM的技术难关。

日本VLSI攻关项目的官产学一体模式

DRAM是如何成为芯片国产化的兵家必争之地的?

数据来源:产业信息网,国泰君安证券研究

为期四年的VLSI攻关项目成绩斐然,来自不同公司的团队一方面互通有无,一方面互相竞争,共取得专利1210项,商业机密347件。从此,日本在DRAM的成本和可靠性上反超美国,70年代末美国DRAM的良率在50%左右,而日本能做到当时惊人的80%,构成了压倒性的总体成本优势。

于是,日本存储企业趁胜追击挑起价格战,DRAM芯片从1981年的50美元降到1982年的5美元一片,美国厂商招架不住节节败退,在鼎盛的80年代末90年代初,日本DRAM凭借全球65%以上的市场份额,一举超越美国,将英特尔逼退DRAM市场。

日美两国的竞争,标志着1960年代存储器的田园时代已然结束。存储器市场的迅速增长,快速增高了对技术、资金、市场三大要素的要求。

这样的竞争环境让韩国人明白,这场比赛的下半场单靠一个企业的力量已经难以生存,后发追赶者势必要通过企业和政府的通力合作才能成功。

最初,韩国的半导体行业底子薄弱,仅仅凭借低廉的劳动力成本和土地成本吸引外资建厂形成了产业雏形,但缺少技术、劳动密集的低端发展模式很快成为了产业发展的致命伤。

韩国很聪明地借鉴了日本的模式,抓住一切力量发展核心技术。韩国政府在1973年宣布了“重工业促进计划”,并于1975年公布了扶持半导体产业的六年计划,强调实现电子配件及半导体生产的本土化。韩国电子通信研究所牵头,韩国政府大量出资,联合三星、LG、现代三大集团以及韩国六所大学,攻克了DRAM的技术难关。

破釜沉舟的勇气,帮韩国人把握住了一次难得的历史机遇:1987年,日美半导体争端造成DRAM减产。韩国存储器企业一把抓住机会,顺势填补市场缺口。

在这一点上,对于如今的存储器需求正旺的中国是最具有借鉴意义的。

流水的外存,铁打的DRAM

DRAM凭借体积小、价格低、集成度高、功耗低、读写速度快等特点,一直是适用于内存最好的介质。

在过去的十年里,智能机和便携设备的发展驱动外存介质不断地更新迭代,而在外存介质洗牌的过程中,DRAM的市场份额一直维持在50%以上,充分体现了技术上的可扩展性和市场的巨大需求。

从市场端来看,存储器市场呈现明显的周期波动的特性。但是从长期趋势上看,周期波动的幅度正在逐渐减小,行业整体向上趋势明确。

存储器市场周期波动逐渐减小(十亿美元)

DRAM是如何成为芯片国产化的兵家必争之地的?

从需求端来看,存储器的需求结构正快速向着多样化转变:在智能机出货量增长乏力的背景下, 2018年的DRAM位元需求将由过去的智能机需求单点拉动转变为智能机需求和服务器需求齐头并进。

从智能机需求端来看,在智能机出货量增长乏力的背景下,过去“出货量+单机容量”的驱动将转变为未来“容量提升”的单点拉动。

即使从2017年开始全球智能机出货量开始显露疲态,但中国国产手机品牌的逆势扩张却带来了巨大的存储器需求,在2018年的全球智能机市场上,华为、OPPO、VIVO、小米四大品牌占据的市场份额达到37%,相比2017年提升7%个百分点,上联想(3%)、一加等品牌,中国品牌智能机市场份额直逼50%。

而在更加成熟的PC市场,联想、宏碁、华硕三大中国品牌稳居全球前6大PC出货品牌。国产DRAM一旦量产,这些中国品牌将成为最有潜力的消费客户,他们有望在未来率先吸收国产存储器产能。

中国是最大半导体消费市场

从服务器需求端来看,尽管出货量增速较低,但单机容量却在迅速上升。据DRAMeXrange估计,2018年服务器平均内存装载量已达到145GB,预计到2021年标准型服务器的DRAM平均容量将达到366GB,CAGR将达26%。

此外,数据中心、深度学习等特殊需求的服务器的高速增长也将带动服务器领域对DRAM需求的增长。

据DRAMeXchange统计,平均一座IDC可容纳约8000至15000个服务器机架, 而一个机架可搭载4台以上不同尺寸的服务器,据估算将拉动1000万 GB至200万 GB的服务器DRAM位元需求。

因此,国泰君安电子团队认为,未来云服务和大数据等应用带来的服务器DRAM需求将成为DRAM市场未来的强大增长动力。据DRAMeXchange统计,2018年DRAM需求增提增长22.3%,其中服务器应用连续两年保持最快增速。

DRAM需求年增速稳定在以上20%

DRAM是如何成为芯片国产化的兵家必争之地的?

数据来源:DRAMeXchange,国泰君安证券研究

从供给端看,随着DRAM工艺推进放缓,供给增速整体放缓,产能波动基本稳定。

产能方面,DRAM位元供给的增长来源以工艺进步带来的密度提升为主,以产能扩张带来的投片量提升为辅。但是近年来DRAM在进入20nm制程以后,制程提升开始遇到瓶颈,主流厂商出于成本和研发难度的考虑,对1Xnm及以下制程的开发应用比较谨慎。

目前,三星、镁光、海力士正在从20nm向18nm艰难挺进,台湾厂商除南亚科外仍主要采用38nm制程。制程推进放缓和存储密度增速降低直接导致DRAM综合位元供给增速下降。

产量方面,全球DRAM产能和投片量在2010年—2013年间有一阵明显的洗牌。 2010年40nm制程DRAM产品开始进入主流市场,在随后三年里制程工艺前沿快速提升到20nm。2013—2017年从供给端来看是一个产能的平台期,总体产能稳定,20nm制程占比逐步提升。DRAM价格在这一时期先抑后扬,主要是在消化前期制程提升带来的丰富供给。

2018年,三星扩产8%,海力士无锡厂也小幅扩产,快速填补需求缺口,景气行情终结。但是之后除海力士外其他大厂商均无大规模扩产,总体年投片量增幅在3%~5%之间。

2020年后5G和AI的普及和应用将成为拉动半导体需求的重要力量,同时下一代DRAM制程也将开始普及,整个DRAM市场供需关系会更加复杂,但规模总体向上的趋势是确定的。

因此,国泰君安电子团队认为,今明两年会是一个投片量、制程水平的双重平台期,预计需求增速的反超会在2019年消化库存,2020年前后DRAM位元供求会重新达到平衡。

DRAM是如何成为芯片国产化的兵家必争之地的?

从市场竞争来看,存储器行业科技含量高,高昂的研发成本使得资本支出大且增速高于其他行业,从而垄断格局牢固,巨头优势下马太效应愈演愈烈。

三星镁光、海力士三巨头已经在DRAM领域形成了“高市占率→高营业额→研发投入大→技术领先→抢占市场”的良性循环。

中国玩家把握进场良机

那么在这样的竞争环境之下,中国作为存储行业的后起之秀,要如何把芯片国产化的道路走通走顺?

纵观中国存储产业链,短短四十年,从自主研发到技术引进再到兼备收购,“七五”期间我国集成电路技术“531”发展战略成功研制了中国人第一块64k DRAM、“八五计划”时期的“908工程”和“九五计划”时期的“909”计划分别孕育了无锡华晶电子以及上海华虹微电子两大晶圆厂,中国资本先后收购奇梦达科技(西安)有限公司填补国内DRAM设计空白,以及海外DRAM厂商ISSI实现资本化都为中国存储产业链填上了浓墨重彩的一笔。

DRAM是如何成为芯片国产化的兵家必争之地的?

2014年以后,随着集成电路产业逐渐成为经济结构升级的重点发展方向,关注度和资金纷至沓来,中国存储产业正式进入IDM时代。代表企业合肥长鑫在元件、光罩、设计、制造和测试领域都积累了许多的技术和经验。

随着中国经济保持高速发展,并不断加强寻求向更高附加值的产业结构转型。叠加国家安全等因素,将IC国产化进一步提升到到一个新的高度。

纵观半导体行业的发展史,全球半导体产业在经历了从美国转移至日本、日本转移至台湾、韩国之后向中国大陆的迁移。

标签: DRAM

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