17年回国见闻(4):感受中国闪存芯片制造崛起(图)

Man proposes, God disposes (谋事在人,成事在天)
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俺每年回大陆都喜欢到附近的一个电脑城逛逛。这所谓的电脑城实际上有点类似深圳的华强北电子市场,印象中自打70年代就有,而且里面什么都卖。出国前俺也经常去买电子器件,如组装音响用的半导体零件,功率放大器,电源,喇叭等等。电脑城很大,包括地下一层共有4-5层,从PC整机,笔记本电脑到各种手机和计算机零件以及维修服务都有。现每年探亲期间经常到城里买些小电器(如电源,HDMI接线,转换接头,充电器,耳机和监控像头等等)。这次来到电脑城准备买些存储器件。如用于笔记本电脑上的闪存固态硬盘(FLASH-SSD)以及U盘和比较小的闪存卡(如SANDISK)用于手机,单反相机和家用监控录像系统。在城里转了很久,先后问了几家专卖柜,发现各种闪存器件和闪存卡都大幅涨价,比去年贵了不少。一起同行的朋友说2017年国内存储器件普遍大幅涨价,这主要因为是国外厂家涨价,特别是韩国生产存储器芯片。不过,他说不久就会看到国产的闪存器件,估计附近一家在建存储芯片工厂2018年投产后,价格会降下来。之后,朋友提议去附近的高新科技区工地,看看这家在建生产NAND闪存芯片的工厂。

开车十几分钟后来到工地,眼前的在建厂房始于2016年12月,建设速度很快到2017年9月份就提前封顶了。外部结构已经完工,正进行内部装修 (图1-3)。朋友说如顺利的话,预计2018年安装和调试设备并在年内投产(图1)。如若实现全部量产的话,每月可生产30万闪存芯片,年产值将超过100亿美元。网上信息显示,这是由中国紫光集团(控股)和其他另外三家投资(800亿元RMB)长江存储建立的闪存储芯片生产基地。当时(2017年底),长江存储刚刚获得第一片32层64G 3D 堆叠NAND闪存芯的样片(图4),计划2018年小规模量产。预计2019年进入规模研发64层128G 3D NAND 快闪存储器的阶段,顺利的话2020年将会量产。

图1. 2016年12月开工的中国首家自己的大型 32层64G 3D NAND 闪存芯片工厂建设工地。厂区占地面积约1717亩,包括1座总部研发大楼,3座3D NAND Flash FAB厂房以及其他配套建筑。最主要厂房每平米造价可达3万美金。

图2. 长江存储首批400万美元仪器设备于4月5日抵达现场,进行安装调试。估计2018年生产32层64G 3D NAND FLASH存储芯片。据原紫光集团的董事长赵伟国讲,如长江存储实现量产,预计2年后或许看到使用国产闪存芯片的智能手机。华为的手机营业利润之所以显著低于三星手机,主要原因就是华为受制韩国存储芯片。韩国通过大幅涨价存储芯片,侵蚀和压缩华为的利润空间。 

图3. 预计2018年安装和调试设备并在年内投产。如若实现全部量产的话,每月可生产30万闪存芯片,年产值将超过100亿美元

图4. 这是长江存储2017年底研发首颗32层三维NAND闪存芯片的样片,这颗耗资10亿美元、由1000人团队历时2年经过近千次摸索实验研发的芯片。也是中国闪存芯片制造工艺上最接近国际高端水平的芯片(大约落后两年)。其实, 中国的动态随机存储芯片(DRAM)研发与制造进步也很快。

据悉,长江存储计划投资700亿美元,将先后建立三家同等规模的闪存生产中心,并分别部署在南京,武汉和成都,其后最终投资可扩大到1000亿美元。从投资规模上看,长江存储想成为世界一流的3D闪存产品制造商。据说,近期目标是经过几年努力挤入世界前三名,但这并不容易。因为,目前世界前四名的存储芯片制造商三星,SK海力士、MICRON和东芝,2018年都已经在开始生产64层的闪存芯片(3D NAND Flash)。长江存储否能2020实现64层3DNAND闪存量产,将意味着2020年能否紧紧咬住并弯道超车关键的一年。实际上,这四大巨头相互之间竞争也很激烈,彼此都睁大着眼盯着对方不敢懈怠,生怕一有闪失被甩在后面。有报道,美国的INTEL和MICRON的合作研发96层3D NAND Flash, 以及速度更快价格更便宜的3DXPOINT存储芯片。长江存储生产的32层64G 3D 堆叠NAND Flash是中国目前生产的存储芯片中最接近世界水平的产品。如果 2020年能够实现量产64层128G 3D NAND Flash存储芯片的话,大约落后世界水平两年左右。另外,业内人士觉得中国的存储芯片制造业很快会面临来自世界巨头的价格绞杀战。世界闪存芯片生产量第一的韩国已经巨额投资(西安建厂),迅速扩大规模生产以大幅度减价64层128G 3D NAND Flash,来挤压中国低代产品32层64G 3D 堆叠NAND Flash的销售市场,使其失去竞争力而处于亏损状态,进而减慢其发展速度。但是由于中国的市场深度和广度,以及大力发展芯片制造业决心和支持力度(以减少每年2000多亿美元集成电路的进口, 其中存储芯片有500多亿美元),可以想象中国的闪存芯片制造业会咬牙挺住。这样芯片制造业极有可能在该领域帅先突破垄断,进入世界顶级的制造商行列。

图5. 来自台湾(曾任台积电TSMC厂长,从华亚科技副总退休)的高启全担任紫光集团副总裁,在讲解制造3D NAND 闪存的堆叠技术工艺中难度较大的 “分子打井”过程,以及遇到由于分子能量下降损害“井壁”的现象。如要量产,如何提高产品良率十分关键。

美国的半导体产业在世界上遥遥领先(图6),但是在生产存储芯片的领域,世界霸主当属韩国。2016年全球集成电路/芯片生产总值约为2660亿美元,其中存储芯片市场很大约为780亿美元左右(占世界芯片生产总值30%, 仅次于第一大类逻辑芯片的产值), 其中多为韩国占有, 约500多亿美元左右(占60-70%).如细分的话,存储芯片的两大类: 动态随机存储(DRAM)和三维NAND闪存(3D NAND FLASH), 韩国分别占有全球份额80%和60%, 占有绝对主导地位。为了加快脚步,紫光集团曾经想并购世界闪存制造第三的美国公司MICRON(美光),但因为美国国会反对而失败。如果长江存储经过努力后真的杀入世界前三的话(赵伟国讲,存储芯片制造业第四不能生存),就会直接威胁到世界第一和第二大的闪存制造商,既韩国的三星和SK海力士的地位.

图6.2016年的数据显示,全球半导体营收总额为3389亿美元,其中美国一家独占1200亿美元左右,远远高于其他国家。下图是按国家排名(注意中国台湾半导体总量第三,而且不少专业人士加入大陆研发团队)。其中集成电路大约是全球总半导体营收总额的83%左右(2660亿美元),快闪存储芯片占总额3389亿美元的23%左右 (780亿美元)

后记:NAND FLASH(与非闪存)以及它的近亲NOR FLASH(或非闪存)被认为是20世纪最重要的发明之一。它的发明人是一位叫桀冈富士雄(Fujio Masuoka)的日本人(图7)。不过,富士雄的发明没有得到其雇主东芝的赏识。后来NAND FLASH受到美国INTEL的青睐并加以大力发展。但是,最后将其发扬光大的是韩国人。所以有NAND闪存“生于日本,长于美国, 成就于韩国"的说法。富士雄的灵感来自早期计算机的可擦写只读存储器EPROM,记得上大学时,计算机和Z80单板机里都用。学过计算机的人都知道,计算机的“大脑”是放在ROM里的,开机后在石英振荡器产生的分频时钟信号驱使下,ROM(READ ONLY MEMORY)是通过被顺序访问读取存储指令(如BIOS)将电脑初始化,然后将读出的应用程序(如DOS)存入随机存储器RADOM ACCESS MEMORY(RAM)。具有易失性RAM中的程序(如操作系统),关机后就丢失了。后来出现可擦除程序的EPROM (EP: ERASABLE PROGRAMMABLE)。也就是说固化在ROM里的程序指令可以通过照射紫外光抹去,然后灌入其他程序(如单板机里的各种应用控制程序),这样ROM可以反复多次使用。因此,EPROM芯片的背上设计有一个窗口,这样光可以通过窗口抹去ROM里的程序。组成ROM的半导体场效应管(MOS)对光照很敏感,另外场效应管对电场也非常敏感。因此,后来又出现用电抹去固化的程序的EEPROM (EEP: ELETRICALLY ERASABLE PROGRAMMABLE)。这EEPROM也是富士雄发明NAND闪存的基础。NAND闪存目前已是第四代,3维多层堆叠NAND闪存产品(可为32,64,96,128层。。),它比2维平面NAND闪存容量大许多(图8),而且无电数据存储10年不丢失,擦除次数可达百万次。

图7. 发明NAND和NOR.快闪存储器的桀冈富士雄

图8. 二位平面NAND闪存与三维NAND闪存比较。三维NAND闪存通过空间叠层扩大存储容量

(图片来自网络)

葡萄酒飘香的地方 发表评论于
近来发现关于芯片的讨论集中在中国要在芯片的发展上独立自主, 但忽视了芯片不只是半导体工业, 更是半导体工业在各行各业的应用。 突破和应用没有直接关联的通用领域如闪存是一回事,但要在所有领域都要用自己的芯片是完全不同的另一回事。 这样的目标基本上,是无法实现的。道理很简单,中国不可能垄断所有领域的所有发明。科技不断进步,发明层出不穷,只依靠一国的力量去发展各行各业需要的专业芯片的指导思想和明朝的海禁和大清朝的禁止通商是雷同的, 这不是人类文明的进步, 而是现代社会的倒退。中国的发展,其他国家也在发展, 永远有互通有无的必要。 美国之所以领先, 还在于在各行各业方面有诸多的创造发明。 芯片体现就是很多发明创造的知识产权。只是在通讯领域尤为突出而已。
Yz_river 发表评论于
回复 'tina0' 的评论 : 谢来访。是的,一般情况下应由市场决定。不过当上升到国家核心竞争的层面时,“公开”,“自由”,“公平“等也就不存在了。竞争双方都会为保护自身利益而战。利益之争无关对错,且超越意识形态。即使更加开放的美国依然。政府也会果断出手,包括融资,禁售/购军事或高端科技产品。其实没有美国政府多年的支持,就没有今天的硅谷;没有政府出资BAILOUT就会在金融危机时大量的巨头公司垮掉。至于研究成果的独立性,今天的科技很难做到。美国的公司也是在并购中壮大,挤压同行。 各种专利交叉争斗不停。就是日常用到MS OFFICE(微软独大数十年最赚钱的产品),还记得MS WORD,POWERPOINT,EXCELL的前身属于哪家公司吗?本文中成就NAND闪存的今天,也是多国公司努力的成果。
tina0 发表评论于
就是因为这样,中国才招人嫉恨。其它国家都是私人公司在相互竞争,谁能在市场上最先最快最好地拿出产品来,谁就赚大钱,反之则关门。而中国公司背后是政府在资金上无限制地支持,即使连续亏本也不用但心关门,这对其它公司非常不公平,不是真正的自由竞争。而是象美国说的,扭曲了市场。从全球角度上讲,只有市场开放,公平竞争,才能有真正的创新,才能造福于全人类。不管用什么手段,只要中国赢了,完全是狭隘自私的表现。如果中国这样做,人家也可以这样做,床铺就开始了,不允许中国公司并购美国公司。二是韩国公司也好,日本公司也罢,还有美国公司,都是自己独立研究出来的技术和产品。中国公司靠的是并购外国公司,外国技术和外国人才。这样的公司就算32G产品做出来了,64G也许吐血能做成,但可持续吗? 说清华紫光几年后会怎么样,恐怕太早。中国的中央处理器(CPU)开发也是以同样的模式,现在怎么样?还不是什么都没有?
Yz_river 发表评论于
回复 '妈妈的故事' 的评论 : 谢谢分享。是的,现在上中下产业链已经形成(即,IC设计,测试封装,晶圆半导体材料),可预见近几年会呈现喷发态势。 
Yz_river 发表评论于
回复 'DD1:谢谢来访。
妈妈的故事 发表评论于
国内的确发展快。台积电这个黄埔军校的确帮了不少忙。三星和Hynix现在是独占大半壁江山,但是10年前也不是那么牛。2个公司的技术大拿我都有打过交到。以前闪存芯片有一阵子举步维艰。3D叠加才算突破了瓶颈效应。我看好国内发展。只要不乱搞,再过几年,以这样的势头半导体一定会是国内的天下。
DD1122 发表评论于
好文章 谢谢您
原上草2017 发表评论于
加关税是个好主意啊!贸易战,中国不怕,现在不是很有底气吗?

是不是可以先利诱外国厂商在中国建世界最大的厂,投产后没收,马上就可以世界第一了!
Yz_river 发表评论于
回复 '玄米' 的评论 : 谢谢阅读。
Yz_river 发表评论于
回复 'rty' 的评论 : Thank you for sharing your view. True, due to the mainland's market, it is not a matter of IF but WHEN.
Yz_river 发表评论于
回复 '山地' 的评论 : 谢来访。 有意思的是,三星确实受到有关部门的“约谈”解释为何在过去两年里涨价数倍。
玄米 发表评论于
这么有营养的文章,谢谢。
山地 发表评论于
中国也许可以对三星高税两年,给中国企业一个机会。或且给三星一个大大大的罚单让它吐出去年敲诈的钱,然后再以倾销为理由,高税两年。
饳崆 发表评论于
买套设备圈块地皮就可以芯片生产,还可以到达世界前沿?听上去和做袜子没什么不一样啊。
rty 发表评论于
台積電南京廠300 mm wafer, 20,000 wafer/month, 14 months from breaking ground to production output. Probably set a world record. 5-year tax free and other incentives.

A rumor of 台積電 listed in Shanghai stock market was earth-shaking in world chip business. It turned out to be false. Chip manufacturing business is very critical. Once it is located in an area, all other businesses upstream and downstream will move too. If 台積電 is listed in Chinese stock market, it means it will focus its business in China. With huge market and world class manufacturing, China will very quickly ascend to dominant position. However, US government will try to interfere with this. Yeah, it is at national security level.
Yz_river 发表评论于
回复 'Wiserman' 的评论 : 谢谢来访。
Wiserman 发表评论于
因为已经有了目标,
中国可以大力赶上的!
Yz_river 发表评论于
回复 '绿珊瑚' 的评论 : 可以预见,美国外资投资委员会今后会严格禁止这一类的并购。这会减慢大陆制造业升级的速度。谢谢阅读, 祝周末愉快。
绿珊瑚 发表评论于
清华紫光是和western digital 联合收购sand disk ,被拒了。
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