2018年福建晉華(JHICC)因合作夥伴聯電與美光的專利糾紛,被迫停擺;同年,長江儲存(YMTC)在美國快閃記憶體峰會上,高調發佈自研64層3D NAND技術;2019年6月,合肥長鑫DRAM產品在量產前傳出修改設計,以規避美國技術……如果要用一句話形容現在的中國國產記憶體產業,沒有比「雖千萬人吾往矣」這句更適合的了。此語出《孟子·公孫丑上》,原文是:「自反而不縮,雖褐寬博,吾不惴焉。自反而縮,雖千萬人吾往矣。」意思是縱然面對千萬人(阻止),也勇往直前。

長江儲存與長鑫儲存(CXMT)、福建晉華是3家中國國家戰略型記憶體公司,中國半導體界將他們並稱為「國產記憶體三大探路者」。打個比方來說,長江儲存如果是「國家隊」,合肥長鑫、福建晉華就是「省隊」,三者分工各有側重,長江儲存主攻NAND Flash,長鑫和晉華則主攻DRAM,避免了多家企業重複建設和惡性競爭。

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去年7月,長鑫儲存DRAM專案正式首次投片,啟動試產8Gb DDR4工程樣品,當時對外的說法——這是第一個中國自主研發的DRAM晶片。

全球DRAM產業已經發展了幾十年,在架構、製程、設計、介面、測試、系統等方面有著大量專利壁壘,且絕大部分控制在三星、SK海力士和美光三家手中,他們佔據了全球95%以上的市場份額。新入者能否擁有合規的技術來源和自主創新能力,是在該產業立足發展的關鍵。

在上個月全球半導體聯盟(GSA)與上海市積體電路產業協會共同舉辦的儲存峰會上,長鑫儲存董事長兼CEO朱一明對外界透露,公司已累計投入25億美元研發費用,建成嚴謹合規的研發體系和獨有技術體系,目標年內實現大規模投產,產生正向現金流。

但是在上周(6月12日),日經新聞引述未具名消息人士報導,合肥長鑫已經重新設計了其DRAM晶片,以儘量減少對美國原產技術的使用。

長鑫DRAM技術的來源

業內此前一直傳聞,合肥長鑫原本是打算和日本前爾必達社長阪本幸雄合作,不過,這場合作隨後不了了之。隨後兆易創新投資了長鑫,且前CEO朱一明也加盟長鑫。眾所周知兆易創新在NOR Flash上有一定技術積累,但沒法為長鑫帶來DRAM相關技術。NOR Flash不是記憶體市場的主流產品,主要用於16Mb以下的小容量快閃記憶體,全球市場規模只有30億美元,由美光、三星、旺宏、華邦、兆易創新等7家企業瓜分。

朱一明一直希望中國國產記憶體能走進主流市場,而DRAM晶片主宰著智慧型手機、個人電腦、伺服器等電子設備的性能,據日經估計,其市場規模達到10兆日元(約合人民幣6,400億元)。顯然,DRAM就是朱一明要的主流市場,他承諾在合肥長鑫盈利之前不領一分錢工資、一分錢獎金,也可見其破釜沉舟的信念。

長鑫DRAM技術從哪來的呢?

朱一明曾在上海舉辦的GSA MEMORY+峰會上發表《中國儲存技術發展與解決方案》主題演講,指出長鑫的技術源自奇夢達(Qimonda),並結合了長鑫自己的技術。透過與奇夢達合作,將一千多萬份有關DRAM的技術檔(約2.8TB資料)收歸囊中,目前共有1萬6千個專利申請。

奇夢達是英飛凌剝離出來的知名DRAM大廠,早些年還可以在某些顯示卡上看到他們的GDDR顯存,但因經營不善,在2009年1月,奇夢達向法院申請破產保護。奇夢達慕尼克研發中心和中國研發中心(位於西安高新區)是較大的兩大研發中心,擁有自家的DRAM技術。

奇怪的是,2009年破產的奇夢達,慕尼克研發中心早已人去樓空,西安研發中心當時已經被西安華芯(原浪潮集團旗下公司,今天的紫光國芯)收購。除非長鑫是與紫光共用奇夢達的DRAM技術,否則無從解釋「技術來源於奇夢達」這個說法。

而更改設計,避開美國原廠技術這個說法,可以從三點去解讀:

1.奇夢達雖然是德國公司,但研發有一部分在美國完成,需要更改美國這部分的設計;

2.長鑫曾經和爾必達關係密切,2012年爾必達就被美光收購了,如果長鑫DRAM中有爾必達的技術,那麼美光勢必不會放過;

3.除了奇夢達,長鑫還有採用其他美國DRAM廠商、或其他DRAM廠在美國研發中心的技術。

在DRAM的製造中以電容定義的方法區分,主要分為堆疊式(Stack)和深溝槽式(Trench)電容兩大類型。在2000年初,DRAM產業就曾發生過溝槽式與堆疊式的架構大戰,溝槽式DRAM的電容在閘極下方,堆疊式DRAM的電容器則在閘極上方,是這兩種DRAM最大的差異。

在溝槽式DRAM的製造中,必須先在基板蝕刻出溝槽,然後在溝槽中沉積出介電層,以形成電容,然後在電容上方再製造出閘極,構成完整的DRAM Cell。這種製程最大的技術挑戰有二,一是隨著線寬越來越細,溝槽的寬深比跟著增加,如何蝕刻出這種溝槽,是相當大的技術挑戰;其次,在進行沉積製程時,由於溝槽的開口越來越細,要在溝槽裡面沉積足夠的介電材料,形成容值夠高的電容,也越來越難。相較之下,堆疊式DRAM則沒有上述問題,因此隨著製程節點越往前推進,溝槽式DRAM的採用者越來越少。

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根據ICT Plus公眾號報導,2009年之前的奇夢達,主要以研發溝槽式技術為主。兩大技術陣營從130奈米開始一路鬥到75奈米,最後只剩下奇夢達還做溝槽式DRAM,其他DRAM業者則早就紛紛跳槽到堆疊式架構,設備業者對溝槽式的支持也越來越少。最後,隨著奇夢達破產,溝槽式DRAM也宣告成為歷史。而當前DRAM主流是堆疊式技術,所以需要明確的是,長鑫用的是溝槽式,還是堆疊式?如果用的是堆疊式,那麼奇夢達當年的專利能否保護長鑫?這裡就要打一個問號。

現階段做DRAM的美資廠商只有美光,但往上追溯,還有1966年發明DRAM的IBM,1970年靠DRAM起家的英特爾。在DRAM戰場來了又走的,還有德州儀器(TI)、Mostek、韓國大宇、日本NEC和VLSI聯合研發體等玩家……可見DRAM戰場的血腥程度遠超半導體產業的其他領域。

1970年英特爾依靠批量生產DRAM大獲成功,逼死了IBM的磁芯記憶體。1976年日本廠商進攻DRAM市場後,又差點將英特爾逼死;1985年美國發動經濟戰爭,扶植韓國廠商進攻DRAM產業,反過頭將日本廠商逼死;1997年美國發動亞洲金融風暴,卻差點將韓國廠商逼死;美國控制韓國經濟後,韓國廠商又借著DRAM市場的暴利翻身崛起。此時不怕死的台灣業者衝進DRAM市場,投入500億美元卻虧得血本無歸;2007年全球金融危機,逼死了德國廠商奇夢達,並將缺乏自主核心技術的台灣DRAM廠商打得體無完膚。這場戰爭到2017年,中國廠商加入戰局。

重要時間節點還能否達到?

據朱一明透露,長鑫從成立開始,就與中國國內外技術領先的合作夥伴廣泛開展研發合作,如ASML、KLA-Tencor(現已更名KLA)、Lam Research、TEL、Applied Material和TechInsight等。

據日經新聞亞洲評論報導,該消息人士表示,長鑫即使改了DRAM設計,也無法完全消除威脅,因為其生產中依然會使用到美國的半導體設備(如上文提及的Applied Materials、Lam Research及KLA)和EDA工具(如Cadence和Synopsys),但重新設計能夠降低威脅,避免觸及美國的智慧財產權。

朱一明去年10月還曾前往歐洲,與歐洲最大的半導體設備供應商ASML商談合作,並訪問了比利時的Imec,這是一家專注於奈米電子和數位技術的開創性研究機構。由此可見,長鑫正在尋求美國以外的供應商的支持。

根據長鑫去年透露DRAM項目5年規劃,該公司計畫在2018年底量產8Gb DDR4工程樣品;2019年3季度量產8Gb LPDDR4;2019年底實現產能2萬片/月;2020年開始規劃二廠建設;2021年完成17奈米技術研發。

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長鑫早先公佈的重要時間節點

在全球半導體產業經歷了一系列風波後,不知道上述時間點能否如約達成。

據長鑫方面的最新消息,他們在合肥投資80億美元建造的晶圓廠,有望於2019年末至2020年初開始量產。其中一位消息人士指出,長鑫最初每月將生產約10,000片晶圓,不足全球產量的1%,雖然需要經歷某種學習曲線,但對於在高性能半導體方面依賴海外企業的中國來說,這次開始量產則是邁出了一大步。

市調機構CINNO分析師Sean Yang指出,跟全球130萬片DRAM 矽晶圓的月產量相比,長鑫的產能仍然較小,但對於目前完全無法自製DRAM的中國大陸來說,卻是一大突破。

晉華技術涉「美」,只因選錯隊友?

福建晉華是在2016年2月,由福建省電子資訊集團、晉江能源投資集團有限公司等共同出資設立,與台灣聯華電子(下稱聯電)合作,引進技術。具體由晉華出資,委託聯電開發DRAM 相關技術。據公開資料顯示,晉華提供了3億美元資金用於採購研發設備,並依進度陸續支付聯電4億美元,開發出的技術成果雙方共有,整體技術完成後,再轉移到晉華進行量產。

2017年2月,聯電資深副總經理陳正坤出任晉華集成總經理。同年9月,美光在台灣控告聯電,指控從美光跳槽到聯電的員工竊取DRAM商業秘密,涉嫌將美光DRAM技術洩漏給聯電,幫助聯電開發32奈米DRAM。

2017年12月,美光在美國加州聯邦法庭起訴晉華與聯電,稱聯電透過美光台灣地區員工竊取其智慧財產權,包括儲存晶片的關鍵技術,並交付晉華集成。2018年1月19日,晉華就美光一系列在華銷售的產品侵權,對美光提起訴訟,並於同日向福州市中級人民法院遞交訴狀,請求判令美光立即停止侵犯晉華專利的行為,並請求賠償金額達人民幣1.96億元。

2018年7月3日,福州市中級人民法院裁定美光半導體銷售(上海)立即停止銷售、進口十餘款Crucial固態硬碟、記憶體條及相關晶片,並刪除其網站中關於上述產品的宣傳廣告、購買連結等資訊。同時裁定美光半導體(西安)立即停止製造、銷售、進口數款記憶體條產品。

2018年10月19日,晉華集成總經理陳正坤從桃園機場入境,接獲由台灣「法務部」官員受美國司法部委託轉交的美國聯邦法院傳票。2018年10月30日(美國時間10月29日),美國商務部以國家安全為由,宣佈自10月30日起對晉華集成實施出口管制,被美國列入出口管制「實體清單」的中國企業。與此同時,聯電表示與晉華集成的合作計畫不受影響,將持續依合約開發技術。

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2018年10月31日,聯電宣佈目前已接獲台灣電機電子工業同業公會轉發的「國貿局」函令,希望聯電配合美國商務部要求,管制淩駕於晉華合約之上。聯電高層經評估後,決定暫停與晉華集成的合作,等整件事情塵埃落定,再與晉華集成協商後續合作事宜。

2018年11月1日,美國加州北區聯邦檢察官辦公室以刑事訴訟起訴晉華集成和聯電共謀竊取美光商業機密,起訴書中指出涉案三名台灣男子,分別為陳正坤(Stephen Chen Zhengkun)、何建廷(He Jianting,譯音)、王永銘(Wang Yungming,譯音),該三人全都曾任職美光,並疑似在轉加入聯電時竊取美光技術。

2018年11月3日,晉華集成發佈聲明稱:晉華集成始終堅定走自主研發路線,不斷加大投入,開展記憶體關聯產品的研發、製造,取得了一批專利成果。晉華集成始終重視智慧財產權保護工作,不存在竊取其他公司技術的行為,然美光把晉華集成的發展視為威脅,採取各種手段阻止、破壞晉華集成的發展。美方將晉華集成列入美出口管制「實體清單」,並採取司法措施。對此,晉華集成堅決維護企業的合法權益,要求對方立即停止錯誤做法,便利和促進雙方企業開展正常的貿易與合作。

2018年11月9日,聯電發佈有關近期和美光及美國法律案件的後續聲明,表示聯電的DRAM技術基礎裡的組件設計是3×2佈局,完全不同於美光的2×3佈局設計。對於和晉華集成的合作,聯電表示,只是一個符合所有合理商業考慮的單純商業交易。

聯電在聲明中表示,業內有一個錯誤的印象,認為聯電沒有任何DRAM的知識或經驗,這不對。從1996~2010年,聯電積累了近15年製造DRAM產品的經驗,甚至在某個時間點上,聯電內部DRAM團隊人數超過150人。他們舉了一個實例:Alliance是1996年第一個獲得聯電授權合作DRAM夥伴之一,該公司是一家總部位於美國的DRAM晶片設計公司,藉由聯電技術進行DRAM製造。除了傳統的DRAM技術外,2009年聯電還開發了屬於自己的嵌入式DRAM制程技術,這比製造標準型DRAM的過程要複雜得多。

聯電稱,業內另一個錯誤的印象是美光在美國開發了25奈米DRAM技術。事實是,美光在2010年初,購買了台灣瑞晶和日本爾必達的25奈米 DRAM技術。聯電最後表示,儘管晉華這個專案的研發團隊成員接近300人,但只有不到10%的人曾在美光公司工作過。

隨後晉華分別在2019年1月10日,向美國加州北部地方法院做出無罪抗辯。1月25日,向美國商務部最終用戶審查委員會提交信函,聲明公司準備遞交正式申訴,要求移出美國商務部實體清單,但一直未見下文。

在目前中美貿易摩擦的影響下,晉華事件的結局走向變得難以預測,如果陷入長期停擺,那將只剩長鑫和紫光撐起中國國產記憶體這面大旗。

紫光在美高調發佈自主3D NAND技術

「國家隊」紫光旗下其實不止長江儲存一家記憶體廠,還有紫光國芯和紫光集團南京半導體基地。

西安紫光國芯的前身是西安華芯半導體,2015年被紫光集團旗下紫光國芯(現更名紫光國芯微電子,簡稱紫光國微)收購,西安華芯則是浪潮集團2009年透過收購奇夢達科技(西安)而成立。西安紫光國微的核心業務是記憶體設計開發,自有品牌記憶體產品量產銷售,以及專用積體電路設計開發服務,其DDR4晶片已在去年小批量產。

南京半導體基地則主要負責NAND Flash和DRAM晶片的生產。

20190620NT61P5 (圖片來源:國際電子商情)

雖然長江儲存也做DRAM,但他們在業界更為出名的是其自研的64層Xtacking 3D NAND產品。按照計畫,2019年下半年長江儲存將正式量產該產品。

NAND Flash主要用於手機平板等行動設備、固態硬碟、輕薄型筆記型電腦等,全球市場規模約300億美元。目前三星、SK海力士、美光、英特爾、SanDisk、東芝這六家廠商,壟斷了全球99%的產量,其中,僅三星、SK海力士、東芝三家,就佔了80%以上的份額。

早年間,武漢新芯和美國廠商賽普拉斯(Cypress,已被英飛凌收購)組建聯合研發團隊,研發3D NAND專案,之後武漢新芯整體併入長江儲存,技術歸到長江儲存帳下。去年8月,長江儲存董事長楊士甯親自上陣,在快閃記憶體峰會(Flash Memory Summit 2018)上發佈了其Xtacking技術。這次發佈除了向全球展示中國已具備自主研發NAND Flash的能力,並且比上一代的32層產品研發速度更快外,還證實宣告中國本土廠商將成為3D NAND供應鏈的重要一員。

20190620NT61P6 (圖片來源:長江儲存官網)

據長江儲存官方介紹,採用Xtacking架構,可在一片晶圓上獨立加工負責資料I/O及記憶單元操作的週邊電路。這樣的加工方式有利於選擇合適的先進邏輯製程,以讓NAND獲取更高的I/O介面速度及更多的操作功能。儲存單元同樣也將在另一片晶圓上被獨立加工,當兩片晶圓各自完工後,創新的Xtacking技術只需一個處理步驟就可通過數百萬根金屬VIA(Vertical Interconnect Accesses,垂直互連通道)將二者鍵合接通電路,而且只增加了有限的成本。

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楊士甯更是指出:「目前,世界上最快的3D NAND I/O速度的目標值是1.4Gbps,而大多數NAND供應商僅能供應1.0Gbps或更低的速度。利用Xtacking技術我們可望大幅提升NAND I/O速度到3.0Gbps,與DRAM DDR4的I/O速度相當。這對NAND產業來講將是顛覆性的。」

長江儲存執行董事長高啟全接受中國證券報採訪時表示,在剛開始,長江儲存獲得了一些專利授權,在此基礎上研發了32層3D NAND,但到64層,就是完全自主獨立開發。目前的研發設計團隊在矽谷有一個、上海有一個,有國外的人才力量,也有中國中科院人才加入。製程方面的團隊主要來自武漢新芯。

「中科院研發團隊有一千多個專利,同時長江儲存在過去幾年也申請了500多項專利。專利不在於數量,在於好不好用,有些人有一兩萬個專利但沒有一個好用,人家想來攻擊你的時候還是能攻擊你。」高啟全表示,「我們在美國發佈的Xtacking技術,就是代表我們最重要的自主智慧財產權。我們希望借此讓大家瞭解長江儲存的智慧財產權是自己研發出來的,而且越來越重要、越來越具有國際競爭力。」

做記憶體晶片要具備競爭力,首先市場佔有率要大,長江儲存希望在2023年左右達到20%的全球市場佔有率。為此長江儲存擁有3,000多人的研發團隊,大概每年投入約10億美金的研發費用,「20%的市佔率才能保證每年約100億美元的收入,這是我以前的經驗。」高啟全說到。

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此前,長江儲存採用14奈米製程,32層64Gb 3D NAND快閃記憶體晶片可以說是中國距離世界水準最近的一顆儲存晶片。雖然相較於國際大廠在2019年量產96層3D NAND,中國量產64層3D NAND仍落後一個技術等級,但其意義在於彌補了中國NAND Flash自主研發領域的空白,可算是中國國產儲存晶片的里程碑之作。

IC Insights:5~10年內中國IC仍無法自給自足

IC Insights最新報告指出,在中國和美國之間的關稅和貿易緊張局勢之後,中國政府和企業正在加倍努力,迅速而有意義地發展國內半導體產業,以減少對美國及其他國家關鍵積體電路元件的依賴。

雖然合肥長鑫宣佈將於今年年底前推出首款DRAM產品,並且該公司擁有數千名員工,每年的資本支出預算約為15億美元,看起來十分強大。但IC Insights表示,和美光和SK海力士這種巨無霸比起來,長鑫是小巫見大巫。SK海力士員工超過30,000名,而三星光記憶體部門估計就有超過40,000名員工。此外,在2018年,三星、SK海力士和美光的總資本支出為462億美元。

總體而言,DRAM和快閃記憶體佔中國去年1,551億美元IC市場的41%。雖然有些報導表示,中國晶圓廠的產量正在快速增長,技術也在快速進步(特別是在記憶體方面),並將趕上領先供應商(在某些情況下在3~5年內),但IC Insights認為,中國在記憶體IC方面仍然和儲存三巨頭有著很大差距。

對於本次長鑫重新設計DRAM事件,IC Insights解讀,中國雖然對其記憶體製造基礎設施進行了大量投資,但要想在未來10年內發展具有競爭力的本土記憶體產業,並滿足本土記憶體IC需求,這仍然需要打一個問號。

IC Insights認為,大多數分析師容易忽視的一個主要問題是,當下中國缺乏本土的非記憶體IC技術,這也導致了記憶體IC技術難以自力更生。目前中國沒有主要的類比、混合訊號、伺服器MPU、MCU或專業邏輯IC製造商。

中國在打一場不能輸的戰役

記憶體是一個高度壟斷的產業,其後果就是前幾大廠商可以輕易操縱產量和價格,低價能夠擠垮競爭對手,漲價則能謀取暴利。還記得2016年的全球記憶體晶片大缺貨嗎?三星當年營收達809億美元,利潤270億美元,成功挽救了當時深陷Note 7手機自燃醜聞的三星。SK海力士那一年也收入142億美元,美光則收入128億美元。

但是作為世界上最大的電子產品製造國,中國需要的記憶體晶片9成以上需要進口。僅2016年,中國進口DRAM就超過130億美元。三大巨頭壟斷,使中國整機廠商時常遭遇儲存晶片缺貨的情況,唯一的出路就是尋求本土自研自產晶片替代。

中國記憶體企業在尋求技術突破的事情上,過去第一選擇大多是與國外公司合作,或者是從他們那購買技術授權。即便是挖人研發,也是讓他們過去做過的技術重新實現一遍,對國外的技術和人才依舊有一定依賴性。這都很正常,三星當年也是依靠學習引進美國和日本的DRAM技術,以及招募他們的工程師快速崛起。

就電子產業的其他領域經驗,一旦中國掌握了核心技術,相關產品的價格和利潤很快會被降下來,面板和太陽能產業就是最好的例子,所以國外巨頭可能會為了避免記憶體產業被中國廠商拿下,而對中國企業祭出一些「策略」,比如透過技術優勢形成產品代差競爭、操縱產量影響價格或專利戰的方式。

但無論前進的路上有多少阻礙,對中國業者而言,都必須向前走,因為這是一場不能輸的戰役。

本文為EE Times China原創文章