17年回國見聞(4):感受中國閃存芯片製造崛起(圖)

Man proposes, God disposes (謀事在人,成事在天)
打印 (被閱讀 次)

俺每年回大陸都喜歡到附近的一個電腦城逛逛。這所謂的電腦城實際上有點類似深圳的華強北電子市場,印象中自打70年代就有,而且裏麵什麽都賣。出國前俺也經常去買電子器件,如組裝音響用的半導體零件,功率放大器,電源,喇叭等等。電腦城很大,包括地下一層共有4-5層,從PC整機,筆記本電腦到各種手機和計算機零件以及維修服務都有。現每年探親期間經常到城裏買些小電器(如電源,HDMI接線,轉換接頭,充電器,耳機和監控像頭等等)。這次來到電腦城準備買些存儲器件。如用於筆記本電腦上的閃存固態硬盤(FLASH-SSD)以及U盤和比較小的閃存卡(如SANDISK)用於手機,單反相機和家用監控錄像係統。在城裏轉了很久,先後問了幾家專賣櫃,發現各種閃存器件和閃存卡都大幅漲價,比去年貴了不少。一起同行的朋友說2017年國內存儲器件普遍大幅漲價,這主要因為是國外廠家漲價,特別是韓國生產存儲器芯片。不過,他說不久就會看到國產的閃存器件,估計附近一家在建存儲芯片工廠2018年投產後,價格會降下來。之後,朋友提議去附近的高新科技區工地,看看這家在建生產NAND閃存芯片的工廠。

開車十幾分鍾後來到工地,眼前的在建廠房始於2016年12月,建設速度很快到2017年9月份就提前封頂了。外部結構已經完工,正進行內部裝修 (圖1-3)。朋友說如順利的話,預計2018年安裝和調試設備並在年內投產(圖1)。如若實現全部量產的話,每月可生產30萬閃存芯片,年產值將超過100億美元。網上信息顯示,這是由中國紫光集團(控股)和其他另外三家投資(800億元RMB)長江存儲建立的閃存儲芯片生產基地。當時(2017年底),長江存儲剛剛獲得第一片32層64G 3D 堆疊NAND閃存芯的樣片(圖4),計劃2018年小規模量產。預計2019年進入規模研發64層128G 3D NAND 快閃存儲器的階段,順利的話2020年將會量產。

圖1. 2016年12月開工的中國首家自己的大型 32層64G 3D NAND 閃存芯片工廠建設工地。廠區占地麵積約1717畝,包括1座總部研發大樓,3座3D NAND Flash FAB廠房以及其他配套建築。最主要廠房每平米造價可達3萬美金。

圖2. 長江存儲首批400萬美元儀器設備於4月5日抵達現場,進行安裝調試。估計2018年生產32層64G 3D NAND FLASH存儲芯片。據原紫光集團的董事長趙偉國講,如長江存儲實現量產,預計2年後或許看到使用國產閃存芯片的智能手機。華為的手機營業利潤之所以顯著低於三星手機,主要原因就是華為受製韓國存儲芯片。韓國通過大幅漲價存儲芯片,侵蝕和壓縮華為的利潤空間。 

圖3. 預計2018年安裝和調試設備並在年內投產。如若實現全部量產的話,每月可生產30萬閃存芯片,年產值將超過100億美元

圖4. 這是長江存儲2017年底研發首顆32層三維NAND閃存芯片的樣片,這顆耗資10億美元、由1000人團隊曆時2年經過近千次摸索實驗研發的芯片。也是中國閃存芯片製造工藝上最接近國際高端水平的芯片(大約落後兩年)。其實, 中國的動態隨機存儲芯片(DRAM)研發與製造進步也很快。

據悉,長江存儲計劃投資700億美元,將先後建立三家同等規模的閃存生產中心,並分別部署在南京,武漢和成都,其後最終投資可擴大到1000億美元。從投資規模上看,長江存儲想成為世界一流的3D閃存產品製造商。據說,近期目標是經過幾年努力擠入世界前三名,但這並不容易。因為,目前世界前四名的存儲芯片製造商三星,SK海力士、MICRON和東芝,2018年都已經在開始生產64層的閃存芯片(3D NAND Flash)。長江存儲否能2020實現64層3DNAND閃存量產,將意味著2020年能否緊緊咬住並彎道超車關鍵的一年。實際上,這四大巨頭相互之間競爭也很激烈,彼此都睜大著眼盯著對方不敢懈怠,生怕一有閃失被甩在後麵。有報道,美國的INTEL和MICRON的合作研發96層3D NAND Flash, 以及速度更快價格更便宜的3DXPOINT存儲芯片。長江存儲生產的32層64G 3D 堆疊NAND Flash是中國目前生產的存儲芯片中最接近世界水平的產品。如果 2020年能夠實現量產64層128G 3D NAND Flash存儲芯片的話,大約落後世界水平兩年左右。另外,業內人士覺得中國的存儲芯片製造業很快會麵臨來自世界巨頭的價格絞殺戰。世界閃存芯片生產量第一的韓國已經巨額投資(西安建廠),迅速擴大規模生產以大幅度減價64層128G 3D NAND Flash,來擠壓中國低代產品32層64G 3D 堆疊NAND Flash的銷售市場,使其失去競爭力而處於虧損狀態,進而減慢其發展速度。但是由於中國的市場深度和廣度,以及大力發展芯片製造業決心和支持力度(以減少每年2000多億美元集成電路的進口, 其中存儲芯片有500多億美元),可以想象中國的閃存芯片製造業會咬牙挺住。這樣芯片製造業極有可能在該領域帥先突破壟斷,進入世界頂級的製造商行列。

圖5. 來自台灣(曾任台積電TSMC廠長,從華亞科技副總退休)的高啟全擔任紫光集團副總裁,在講解製造3D NAND 閃存的堆疊技術工藝中難度較大的 “分子打井”過程,以及遇到由於分子能量下降損害“井壁”的現象。如要量產,如何提高產品良率十分關鍵。

美國的半導體產業在世界上遙遙領先(圖6),但是在生產存儲芯片的領域,世界霸主當屬韓國。2016年全球集成電路/芯片生產總值約為2660億美元,其中存儲芯片市場很大約為780億美元左右(占世界芯片生產總值30%, 僅次於第一大類邏輯芯片的產值), 其中多為韓國占有, 約500多億美元左右(占60-70%).如細分的話,存儲芯片的兩大類: 動態隨機存儲(DRAM)和三維NAND閃存(3D NAND FLASH), 韓國分別占有全球份額80%和60%, 占有絕對主導地位。為了加快腳步,紫光集團曾經想並購世界閃存製造第三的美國公司MICRON(美光),但因為美國國會反對而失敗。如果長江存儲經過努力後真的殺入世界前三的話(趙偉國講,存儲芯片製造業第四不能生存),就會直接威脅到世界第一和第二大的閃存製造商,既韓國的三星和SK海力士的地位.

圖6.2016年的數據顯示,全球半導體營收總額為3389億美元,其中美國一家獨占1200億美元左右,遠遠高於其他國家。下圖是按國家排名(注意中國台灣半導體總量第三,而且不少專業人士加入大陸研發團隊)。其中集成電路大約是全球總半導體營收總額的83%左右(2660億美元),快閃存儲芯片占總額3389億美元的23%左右 (780億美元)

後記:NAND FLASH(與非閃存)以及它的近親NOR FLASH(或非閃存)被認為是20世紀最重要的發明之一。它的發明人是一位叫桀岡富士雄(Fujio Masuoka)的日本人(圖7)。不過,富士雄的發明沒有得到其雇主東芝的賞識。後來NAND FLASH受到美國INTEL的青睞並加以大力發展。但是,最後將其發揚光大的是韓國人。所以有NAND閃存“生於日本,長於美國, 成就於韓國"的說法。富士雄的靈感來自早期計算機的可擦寫隻讀存儲器EPROM,記得上大學時,計算機和Z80單板機裏都用。學過計算機的人都知道,計算機的“大腦”是放在ROM裏的,開機後在石英振蕩器產生的分頻時鍾信號驅使下,ROM(READ ONLY MEMORY)是通過被順序訪問讀取存儲指令(如BIOS)將電腦初始化,然後將讀出的應用程序(如DOS)存入隨機存儲器RADOM ACCESS MEMORY(RAM)。具有易失性RAM中的程序(如操作係統),關機後就丟失了。後來出現可擦除程序的EPROM (EP: ERASABLE PROGRAMMABLE)。也就是說固化在ROM裏的程序指令可以通過照射紫外光抹去,然後灌入其他程序(如單板機裏的各種應用控製程序),這樣ROM可以反複多次使用。因此,EPROM芯片的背上設計有一個窗口,這樣光可以通過窗口抹去ROM裏的程序。組成ROM的半導體場效應管(MOS)對光照很敏感,另外場效應管對電場也非常敏感。因此,後來又出現用電抹去固化的程序的EEPROM (EEP: ELETRICALLY ERASABLE PROGRAMMABLE)。這EEPROM也是富士雄發明NAND閃存的基礎。NAND閃存目前已是第四代,3維多層堆疊NAND閃存產品(可為32,64,96,128層。。),它比2維平麵NAND閃存容量大許多(圖8),而且無電數據存儲10年不丟失,擦除次數可達百萬次。

圖7. 發明NAND和NOR.快閃存儲器的桀岡富士雄

圖8. 二位平麵NAND閃存與三維NAND閃存比較。三維NAND閃存通過空間疊層擴大存儲容量

(圖片來自網絡)

葡萄酒飄香的地方 發表評論於
近來發現關於芯片的討論集中在中國要在芯片的發展上獨立自主, 但忽視了芯片不隻是半導體工業, 更是半導體工業在各行各業的應用。 突破和應用沒有直接關聯的通用領域如閃存是一回事,但要在所有領域都要用自己的芯片是完全不同的另一回事。 這樣的目標基本上,是無法實現的。道理很簡單,中國不可能壟斷所有領域的所有發明。科技不斷進步,發明層出不窮,隻依靠一國的力量去發展各行各業需要的專業芯片的指導思想和明朝的海禁和大清朝的禁止通商是雷同的, 這不是人類文明的進步, 而是現代社會的倒退。中國的發展,其他國家也在發展, 永遠有互通有無的必要。 美國之所以領先, 還在於在各行各業方麵有諸多的創造發明。 芯片體現就是很多發明創造的知識產權。隻是在通訊領域尤為突出而已。
Yz_river 發表評論於
回複 'tina0' 的評論 : 謝來訪。是的,一般情況下應由市場決定。不過當上升到國家核心競爭的層麵時,“公開”,“自由”,“公平“等也就不存在了。競爭雙方都會為保護自身利益而戰。利益之爭無關對錯,且超越意識形態。即使更加開放的美國依然。政府也會果斷出手,包括融資,禁售/購軍事或高端科技產品。其實沒有美國政府多年的支持,就沒有今天的矽穀;沒有政府出資BAILOUT就會在金融危機時大量的巨頭公司垮掉。至於研究成果的獨立性,今天的科技很難做到。美國的公司也是在並購中壯大,擠壓同行。 各種專利交叉爭鬥不停。就是日常用到MS OFFICE(微軟獨大數十年最賺錢的產品),還記得MS WORD,POWERPOINT,EXCELL的前身屬於哪家公司嗎?本文中成就NAND閃存的今天,也是多國公司努力的成果。
tina0 發表評論於
就是因為這樣,中國才招人嫉恨。其它國家都是私人公司在相互競爭,誰能在市場上最先最快最好地拿出產品來,誰就賺大錢,反之則關門。而中國公司背後是政府在資金上無限製地支持,即使連續虧本也不用但心關門,這對其它公司非常不公平,不是真正的自由競爭。而是象美國說的,扭曲了市場。從全球角度上講,隻有市場開放,公平競爭,才能有真正的創新,才能造福於全人類。不管用什麽手段,隻要中國贏了,完全是狹隘自私的表現。如果中國這樣做,人家也可以這樣做,床鋪就開始了,不允許中國公司並購美國公司。二是韓國公司也好,日本公司也罷,還有美國公司,都是自己獨立研究出來的技術和產品。中國公司靠的是並購外國公司,外國技術和外國人才。這樣的公司就算32G產品做出來了,64G也許吐血能做成,但可持續嗎? 說清華紫光幾年後會怎麽樣,恐怕太早。中國的中央處理器(CPU)開發也是以同樣的模式,現在怎麽樣?還不是什麽都沒有?
Yz_river 發表評論於
回複 '媽媽的故事' 的評論 : 謝謝分享。是的,現在上中下產業鏈已經形成(即,IC設計,測試封裝,晶圓半導體材料),可預見近幾年會呈現噴發態勢。 
Yz_river 發表評論於
回複 'DD1:謝謝來訪。
媽媽的故事 發表評論於
國內的確發展快。台積電這個黃埔軍校的確幫了不少忙。三星和Hynix現在是獨占大半壁江山,但是10年前也不是那麽牛。2個公司的技術大拿我都有打過交到。以前閃存芯片有一陣子舉步維艱。3D疊加才算突破了瓶頸效應。我看好國內發展。隻要不亂搞,再過幾年,以這樣的勢頭半導體一定會是國內的天下。
DD1122 發表評論於
好文章 謝謝您
原上草2017 發表評論於
加關稅是個好主意啊!貿易戰,中國不怕,現在不是很有底氣嗎?

是不是可以先利誘外國廠商在中國建世界最大的廠,投產後沒收,馬上就可以世界第一了!
Yz_river 發表評論於
回複 '玄米' 的評論 : 謝謝閱讀。
Yz_river 發表評論於
回複 'rty' 的評論 : Thank you for sharing your view. True, due to the mainland's market, it is not a matter of IF but WHEN.
Yz_river 發表評論於
回複 '山地' 的評論 : 謝來訪。 有意思的是,三星確實受到有關部門的“約談”解釋為何在過去兩年裏漲價數倍。
玄米 發表評論於
這麽有營養的文章,謝謝。
山地 發表評論於
中國也許可以對三星高稅兩年,給中國企業一個機會。或且給三星一個大大大的罰單讓它吐出去年敲詐的錢,然後再以傾銷為理由,高稅兩年。
飿崆 發表評論於
買套設備圈塊地皮就可以芯片生產,還可以到達世界前沿?聽上去和做襪子沒什麽不一樣啊。
rty 發表評論於
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 發表評論於
回複 'Wiserman' 的評論 : 謝謝來訪。
Wiserman 發表評論於
因為已經有了目標,
中國可以大力趕上的!
Yz_river 發表評論於
回複 '綠珊瑚' 的評論 : 可以預見,美國外資投資委員會今後會嚴格禁止這一類的並購。這會減慢大陸製造業升級的速度。謝謝閱讀, 祝周末愉快。
綠珊瑚 發表評論於
清華紫光是和western digital 聯合收購sand disk ,被拒了。
登錄後才可評論.