长江存储成为下一个华为,中国半导体进入黑暗森林

NAND闪存属于存储器的一种。存储器可分为易失性与非易失性两种。易失性存储芯片所在电路断电后,无法保存数据,代表性产品有DRAM。非易失性存储芯片在所在电路断电后,仍保有数据,代表性产品为NAND型闪存。

2022年全球半导体市场规模约为5735亿美元,其中存储器的市场规模接近1600亿美元,是半导体中规模最大的子行业,其中DRAM市场为940亿美元,NAND型闪存市场为670亿美元。2021年我国购买了全球37%的NAND闪存,在如此大的市场需求之下,中国的自给率不到15%。其中大多数还是二手芯片和外资厂商在国内生产的,中国市场被三星、美光和海力士等海外制造商“群雄割据”。国家规划到2025年,包括存储芯片在内的芯片产品自给率要至少达到70%。在这一规划中最有希望实现目标的就是前面提到的长江存储,在中国半导体技术全面落后几代的前提下,长江存储仍然在巨头林立的半导体行业崭露头角,并依靠拥有自主知识产权的x-tacking超越所有对手,这背后不得不提到一个叫赵伟国的人。

长江存储背后是紫光集团的赵伟国

1985年,来自新疆塔城沙湾县的赵伟国考入清华大学电子工程系,先后获本科、硕士学位。2004年12月,赵伟国创办北京健坤投资集团有限公司,后于2009年入股紫光集团。当时的紫光集团仅有一家做养生精的紫光古汉和20多家经营不善的子公司,这个号称“无价之宝”的养生精可就厉害了啊,功效好几种,种种可救命,可谓是打工人必备良药。紫光当时拿得出手的产品可能只有考拉输入法,后来改名为紫光输入法,2012年又改为华宇拼音输入法,现在主要是一些国产操作系统爱好者在linux上使用。

有了紫光集团这个平台以后,学了8年通讯、做了10年IT工程师的赵伟国,决然全身心投入到自己熟悉的芯片领域。赵伟国像猛虎扑食一样通过并购的手段快速切入半导体市场,他看中了在中国手机芯片设计企业里排名前列的展讯和锐迪科。

2013年,紫光并购展讯,首次将脚踏进了半导体领域,并顺利拉来了Intel15亿美金的入股。2014年7月,紫光集团以9.1亿美元总价收购锐迪科。展讯在合并锐迪科后更名为紫光展锐科技有限公司。

展讯和锐迪科在国内手机芯片设计领域仅次于海思,分别排名第二、第三,展讯擅长做手机核心的处理器芯片,锐迪科则在射频等手机周边芯片有优势,两者优势互补,整合成为拥有全产品线的手机芯片设计企业。这里提一嘴,我记得前两年四川有学校强迫学生高价购买的教学平板,搭载的处理器虎贲T610,就是后来的展锐发行的处理器。

展讯和锐迪科被收购合并的这一年,被后人称为中国半导体“元年”。赵伟国面对采访说,从2011年他们就计划进入芯片领域。紫光作为清华大学控股的国有企业,在有能力的情况下,必须在国家重点领域担当重要角色。

并购是企业做大做强的捷径,竞争激烈的半导体行业并购数量之多更是让人眼花缭乱。随后紫光集团在海外频频发出收购要约。2015年7月,紫光集团打算以230亿美元收购美光,号称是中国企业海外并购前所未有的大手笔,这笔交易毫无悬念地被美国政府阻止了。接着紫光集团又想以53亿美元购买海力士20%的股份,并与其在中国合作建厂,也被海力士拒绝。同年9月,紫光集团与商美国西部数据达成协议,打算由旗下香港全资子公司以38亿美元买入西部数据15%的股权,该计划最终也在美国政府干预下流产。

美日韩并购不成,赵伟国又转战台湾,买下力成25%股权,并扬言想跟联发科坐下谈并购案,还要入股台积电,这一系列操作引发台湾科技业的重视,反对声浪不断。当时有台媒报道称:紫光集团怀揣充沛的金银,企图建立一个半导体王国。而富士康的郭台铭则在天下杂志人物访谈中表达了不满。他有些不屑地说:“赵伟国不过是一个炒股的投资者,怎么能去问台积电董事长张忠谋——一个世界半导体教父,公司要多少钱卖?”“台湾的企业都是国际化的,中国炒股的怎么能经营得了”。

诚然,彼时的中国大陆半导体行业势单力薄,笑傲全球的台湾半导体企业看不上也是情理之中。既然买不到,那就只能自己建。2016年12月,由国家大基金、武汉市政府牵头,紫光集团在武汉新芯基础上又联合其他公司成立长江存储,紫光集团占股51.04%。

着眼全球,饱揽人才

2015年台湾存储教父高启全出任紫光集团全球执行副总裁、长江存储执行董事及代行董事长、武汉新芯首席执行官等职。高启全1980年起便在半导体及DRAM领域工作,先后在美国仙童半导体、英特尔等公司任职。是华人在全球DRAM界最资深的人士之一。

高启全认为,韩国控制全球内存市占率高达80%、NAND闪存市占率达60%,为防止韩国掌握全球存储器芯片的供应,解决方法就是让中国大陆成为平衡韩国的另一股势力。

在杨士宁、高启全等人的调度下,成千上万的本土工程师们通过996的付出,使得长江存储成为国内最重要的存储研发和生产制造基地。长存从32层技术切入,一直到232层芯片成功研发、量产,直到Xtacking领先全球,这些外籍和台湾背景的人士起到了关键性的作用。

内存和闪存如何选择

内存已经发展了半个世纪,市场成熟且增长缓慢,全球内存市场被三星电子、SK海力士和美光三巨头霸占,再加上内存芯片制程还在不断更新,新来者几乎不可能追赶得上,漫天飞舞的弯道超车言论不过是白日做梦。但是闪存领域却面临着一场新的技术革命,2D闪存芯片制程已经达到极限。与2D闪存相比,3D闪存不论是在物理特性还是架构上都具备很大优势,3D闪存将是NAND闪存新的发展方向,新技术面前大家都是从零开始。

3DNAND发展之路

2013年8月,三星电子宣布业界首款3DNAND闪存量产。三星电子称之为V-NAND。该产品基于MLC技术,实现了24层的堆叠,容量是2D闪存的两倍。

当长江存储刚搞定32层闪存的时候,三星电子、海力士和美光的64层芯片已经成为主流,并正朝着96层迈进。

长江存储大举进军3DNAND时,其他巨头们也没有闲着。

三星电子、SK海力士等主流大厂在2018年都已经实现了96层闪存的量产。而彼时的长江存储的堆叠层数依然落后巨头们两到三代,如此情形想要追上依然是困难重重。

技术创新弯道超车

幸运的是,由于产能增加和市场需求低迷,2018年全球NAND闪存价格持续下降,到年底竟比年初下跌了大约70%。2019年闪存价格继续下跌,市场上主流的64层和72层闪存库存高企,使得所有大厂都放缓了96层闪存的扩产速度,这就给了长江存储一个追赶的机会。

2020年,整个闪存行业都在全面转向100层以上的堆叠,其中东芝、西部数据是112层,美光、SK海力士是128层,三星电子是136层,英特尔则做到了144层。4月,长江存储攻克128层堆叠3DQLC闪存技术,单颗闪存容量做到1.33Tb,首次跻身全球一线阵营。为了实现对领先企业的追赶,长江存储的第三代产品跳过96层,从64层直接登上128层,实现了中国存储器产业历史性的突破。

中国大陆在3D闪存上的突破让国际闪存巨头们不安,它们纷纷开始提速。三星电子随即宣布正在研发160层及以上更高层数的3D闪存,SK海力士也加速推进128层3D闪存在2020年第二季度投入大规模量产。11月,美光推出全球首款176层3D闪存。12月海力士宣布成功研发176层NAND闪存。英特尔直接将闪存业务卖给美光和SK海力士,退出竞争。

2021年三星、海力士实现了176层闪存颗粒。2022年初西数和东芝开始合作生产162层颗粒,7月美光宣布量产232层NAND,11月三星量产第八代236层闪存颗粒。直到2022年11月,长江存储将232层NAND闪存颗粒投入市场,232层颗粒用在了致钛TiPlus7100和海康威视CC7002TB固态硬盘上,成了全球首个零售市场200层以上的闪存解决方案,一举领先三星、美光、海力士等巨头。

市场份额全球第六

长江存储成立仅六年,2022年二季度全球全球市场占有率达到4%。三星、铠侠、海力士、西部数据、美光分列前5名。市场占有率达94.4%。长江存储可谓进步神速。过去国产芯片是低技术、低价格的代名词。长江存储开创的3DNAND新局面,不仅打破国外垄断,在产品质量、知识产权方面都比肩国际大厂。

雄关漫道真如铁,而今迈向从头越,正当长存领导人站在巅峰感慨时,美国的制裁也如疾风骤雨般到来。长江存储遭到制裁,部分PC厂商不得不暂停与其合作,三星也将其3DNAND闪存芯片的报价提高了10%。

国家之间的战争

半导体企业的竞争从来都是国家之间的战争。1976年,日本启动了“下世代电子计算机用超大规模集成电路”(VLSI)研究开发计划,在半导体产业上从设备、原料到芯片的三个方面都取得了重大突破:

日本光刻机在国际市场占有率超过美国;日本在全球硅晶圆市场占据超过一半的份额,整体在全球半导体材料市场上的占有率超过了70%;日本企业凭借64K内存拿下全球一半以上的内存市场,256K内存也实现了量产。

在日本芯片企业咄咄逼人的攻势下,美国芯片企业招架无力。1981年,AMD利润下滑三分之二,美国国家半导体公司亏损1100万美元。1982年,英特尔裁员2000人。面对这般惨状,美国发起了对日芯片战争。美国从全面扶持日本经济转向全面打压日本经济。1985年到1987年间两次强迫日本签署《美日半导体协议》,导致日本内存厂商损失40亿美元,日本被要求开放半导体市场,保证5年之内外企在日本占有20%的市场份额,并实施高额惩罚性关税,日本的半导体产业因此开始走向劣势。

同样在韩国,三星依靠政府扶持,利用反周期定律,在内存价格下跌、产能过剩时期疯狂扩产,通过大规模生产将产品价格杀到低于成本价,从而倒逼竞争对手退出市场甚至直接破产。历史上韩国总共使用了三次反周期武器,杀死了奇梦达、尔必达等厂商,最终内存市场只剩下三星、美光、海力士三足鼎立。

既然长江存储拥有自主知识产权,独立研发制造,技术追上国际巨头,为什么被制裁了还这般伤筋动骨。因为没有哪家半导体公司能做到材料设备都能自主,大家都是半导体产业链的一环,而产业链上游的芯片生产设备和材料基本上都来自外国企业,上游公司切断任意一种设备和材料,下游公司就被死死地卡住脖子。

集成电路生产过程中晶圆制造的设备主要有七类:氧化、光刻、刻蚀、清洗、离子注入、薄膜生长、抛光,除此之外还有封装设备、测试设备,这些设备大都被国外企业垄断,国产化只有36%,核心设备没有国产替代。美国撤走设备维护人员并断供后续设备之后,长江存储无法提升良率和扩产。半导体设备不是原子弹,没有长期大量基础研究的支撑和市场的检验是攻关不出来的。

紫光破产重组,赵伟国被带走调查

因为赵伟国这一系列激进的做法,紫光集团多年盲目扩张终招致巨额债务爆雷,总负债近2000亿规模,走向破产重组之路。紫光集团在多年扩展过程中投资了大量与主业无关的项目,特别是金融机构股权。另外,成都、南京、武汉的芯片制造基地对资金需求过高也拖累了紫光,项目投资对资金的需求直到2024~2025年后才会有所放缓。紫光在武汉的长江存储基地总投资达1600亿元,而长江存储还处于产能爬坡阶段。

中科院院士振聋发聩,高呼重视半导体基础研究

就在中国半导体风雨飘摇之时,中科院院士在《中国科学院院刊》,刊载了《加强半导体基础能力建设点亮半导体自立自强发展的“灯塔”》,瞬间爆红网络。院士指出中国半导体行业缺乏半导体基础研究,没有上游产业链掌控权,一直依靠美国灯塔的技术成果前行,如今美国拧灭灯塔,下游的中国半导体企业接二连三胎死腹中。半导体物理是半导体行业一切技术的源头,后摩尔时代技术路线沿着延续摩尔、超越摩尔、扩展摩尔三个方向发展,这其中又会涉及诸多新技术、新理论、新未知的障碍,此时中国只有加强基础研究的规模和力度,才不会被甩得越来越远。结合长江存储在新技术革命过程中实现了弯道超车的情况,院士的观点十分中肯。

借用院士的话,加强半导体基础能力建设,稳定一批半导体基础研究队伍,在半导体技术的源头和底层进行理论创新,在无法绕开的芯片底层提前布局专利设置“关卡”,是解决半导体关键核心技术“卡脖子”难题的一种有效策略。

THE END
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