十问十答：三星电子宣布12nm级DDR5 DRAM已开始量产

作者：二马路的冰

排版：芯光猫

出品：SOlab

深度好文，约5700字=17分钟阅读

2023年5月18日，三星电子宣布其采用12nm级工艺技术的16Gb DDR5 DRAM已开始量产。三星电子宣布，三星本次应用的前沿制造工艺，再次奠定了其在尖端DRAM技术方面的优势。

三星电子12nm级的16Gb DDR5 DRAM。图源：三星电子

三星电子内存产品与技术执行副总裁Jooyoung Lee表示：采用差异化的工艺技术，三星业内先进的12纳米级DDR5 DRAM具备出色的性能和能效，最新推出的DRAM反映了我们持续开拓DRAM市场的决心。这不仅意味着我们为满足计算市场对大规模数据处理的需求，提供高性能和高容量的产品，而且还将通过商业化的下一代解决方案，助力实现更高的生产力。

普遍认为，这是一个相当重大的进展。为此，芯光社特邀专家进行了解读。

Q1：什么是DRAM？有什么应用场景？

A1：半导体存储器是指通过对半导体电路加以电气控制，使其具备数据存储功能的芯片，具有标准化、高成长与强周期波动并存等特点。

半导体存储器是精密工业制造的皇冠之一，是信息技术的基石,也是芯片领域“最大宗单一产品”，主要包括DRAM芯片、NAND 闪存芯片和NOR 闪存芯片三个相对独立、各司其职的类别。

DRAM英文全称为Dynamic Random Access Memory，中文名为动态随机存取存储器，被喻为连接中央处理器（CPU）的“数据高速公路”。其功能是暂存正在运行的各种程序和数据，是一种易失性存储器，即断电后数据就丢失。作为对比，U盘使用的是非易失性存储器NAND闪存，断电情况下信息可以长久保存。

DRAM模组商采用的DDR5内存。图片来源：百度。

据WSTS数据，2022年，全球芯片销售额为5735亿美元，其中半导体存储器销售额为1334亿美元，占比23%。1334亿美元半导体存储器销售额中，DRAM占比约50%。

毫无疑问，DRAM芯片是当之无愧的“芯片之王”！

大数据时代带来了存储的爆炸性增长。“有数据就有存储”。DRAM芯片广泛应用于计算机、数据中心、网络通信、消费电子、汽车电子、工业电子等诸多领域。

Q2：DRAM是战略性产品吗？是否存在禁运的影响？

A2：主流观点认为，存储芯片一般被视为通用产品，一种支柱性的芯片，很难想像会涉及军事用途，因此没有制裁的战略性意义。

作为支柱性的芯片产品，DRAM的原理极为简单。一个DRAM 基本单元包括一个晶体管和一个电容。晶体管的功能是电子开关，当给晶体管最上面的一端（称作栅极）加上电压或是取消电压，晶体管两端就可以流过电流。当电容储存有电荷，存储比特信息为“ 1 ”；当电容不储存有电荷，存储比特信息“ 0 ”。

一个DRAM 基本单元，包括一个晶体管和一个电容。原理极为简单。图片来源：百度。

但是，随着人工智能技术的不断进步，神经网络模型的参数已经超过10亿级规模，预计这个规模还将进一步提升。大规模计算中需要对各种数据进行存储，因此会对高容量、高速度DRAM提出新的需求。由于人工智能与高容量、高速度DRAM密切相关，极端情况下，存储芯片也有可能被禁运。

Q3: DRAM的全球头部企业有哪些？目前景气度如何？

A3：2021年，全球DRAM市场份额是961亿美元。三星电子、SK海力士和美光三巨头共同占据94%的DRAM市场份额。其余厂商，包括中国台湾省南亚科技、华邦电子，中国大陆的长鑫存储，等等，仅占5.9%的DRAM市场份额。其中，中国台湾省南亚科技公司的DRAM市场份额约为2%，居全球第四名。

2022年，据 TechInsights 研究报告，由于终端市场需求下降，客户库存水平持续上升，导致供应过剩，DRAM 产品价格也大幅下降。从市场份额来看，三星市场份额为 48%，SK 海力士份额为16% ，美国美光公司份额为 14%。三巨头共同占据84%的DRAM市场份额。

2022年智能手机内存市场份额。图源：Techinsights。

2023年，全球经济疲软进一步削弱了对消费电子产品的需求。DRAM过剩也重创了三巨头的核心业务。2023年4月27日，三星电子负责DRAM芯片业务的设备解决方案(DS)部门公布了34.2亿美元的亏损，而去年同期盈利63亿美元！

这是三星电子DS部门14年来首次出现财务亏损，上次出现亏损的时间是2009年第一季度，当时全球正从2008年的金融危机中复苏。

有报道消息显示，美光和三星不再向代理经销商提供低于行情价的DRAM产品。有外界猜测三巨头存储产品可能已经跌破了成本价，存储行业的寒冬尚未过去。2023下半年需求复苏状况仍不明确。

但是，尽管全球的DRAM市场继续下滑，三巨头仍然在加速DRAM技术进步，领先的前沿节点和先进的移动存储产品研发不断取得进步。

Q4: 中国台积电、三星电子都已经宣布3nm芯片量产了，为什么说12nm级工艺技术的16Gb DDR5 DRAM是一个重大进展？

A4：按功能不同，芯片通常分为模拟和数字两类，分别产生、放大和处理各种模拟/数字电信号。数字电路通常分为存储器和逻辑电路两类。

2022年，中国台积电、三星电子都已经宣布3nm芯片量产了，指的是逻辑电路芯片，不是存储器。存储器的技术节点目前尚无法超越10nm。

也就是说，逻辑电路前进的步伐更快，在许多高性能计算应用中，事实上3nm或者更高技术节点的逻辑电路并非整个系统的瓶颈，而12nm级别的存储器数据存取才是整个系统速度的决定性因素。

DRAM在芯片产品中常年占据销售额第一名。图源：芯光社

Q5: 12nm级工艺技术的16Gb DDR5 DRAM需要使用到EUV光刻吗？

A5：对于逻辑电路芯片，7nm及以下技术节点必须采用EUV光刻机。14nm技术节点通常采用193nm DUV浸没式光刻机。

DRAM三巨头中，三星电子和SK海力士目前均采用EUV光刻机制造DRAM，而美光公司目前则采用193nmDUV浸没式光刻机，通过多次曝光的方法制造DRAM，预计2024年美光公司也将采用EUV光刻机制造DRAM。

EUV光刻机。图源：ASML

也就是说，理论上，12nm级工艺技术的DRAM不需要使用EUV光刻机。实际上，EUV光刻机在12nm级工艺技术DRAM量产中不可或缺，原因是EUV光刻机具有更好的性价比。

Q6: 三星电子12nm级工艺技术的16Gb DDR5 DRAM采用了那些新技术？效果如何？

A6：一方面，DRAM芯片需要提高单元电容器和单元晶体管的性能。另一方面，对于DRAM芯片的外围晶体管，需要尺寸微缩以提高性能。

当前，除了EUV光刻外，三星电子12nm级DRAM工艺技术采用高k/金属栅极(HKMG)技术，另外，还需要发展新的HKMG集成工艺和关键电路特性的专有设计技术，以减少传统的SiON栅氧化层厚度，减少泄漏电流，提高可靠性。

总的来说，得益于EUV光刻、HKMG、集成技术、专有电路设计的创新，三星电子得以量产12nm级工艺技术的16Gb DDR5 DRAM。

与上一代产品相比，三星最新的12纳米级DDR5 DRAM功耗降低了23%，晶圆生产率提高了20%。最高可支持7.2吉比特/秒（Gbps）的速度，相当于每秒可处理大约两部30GB的超高清电影。

晶体管尺寸微缩。图源：SK-海力士

Q7: DRAM将来有可能使用3nm级工艺技术吗？

A7：通常认为，受制于DRAM基本单元中电容的性能，目前看来，DRAM的技术进步将止于10nm。当然，工业界和学术界目前都在努力创新DRAM基本单元架构，寻求代替电容的路径。

电容的存在限制了DRAM的进一步微缩。图源：TEL

12nm级工艺技术的16Gb DDR5 DRAM已经是目前存储器的最高水平，预计这种情况会维持相当长的一段时间。

Q8: 三星电子的 DRAM芯片主要销售到那个国家？

A8：根据YOLE数据，2022年，全球DRAM芯片销售额为797亿美元。再次证明了DRAM无愧于“芯片之王”的声誉。

其中，有43%DRAM芯片在中美国被消耗，30%DRAM芯片在中国大陆被消耗。

2022年，全球DRAM的消耗量。图源：芯光社根据YOLE数据整理

由于全球经济增长放缓导致的芯片需求持续疲软，韩国芯片出口受到了很大冲击。据韩国产业通商资源部发布消息称，韩国4月出口额同比大降14.2%，连续7个月出现下滑。在需求下降和价格下跌的冲击下，韩国的主要出口产品芯片（DRAM和NAND）出口更是在4月同比下降41%。

公开资料显示，2000年到2021年，韩国对中国大陆芯片出口占总出口的比重从3.2%增至39.7%，增长了约12.4倍。2021年韩国芯片出口额为1287亿美元，对华出口额约768.399亿美元，约占总额的59.7%。

有分析认为，目前，韩国对中国芯片出口持续减少，失去了中国芯片市场的一些订单。

Q9: 中国台湾省的芯片业那么强悍，为啥还要进口三星韩国的 DRAM芯片？

A9：确实，中国台湾省的芯片业真的是很强悍！

芯片生产包括“设计-制造-封测”三大环节。中国台湾省公司在这三大环节均居于领先地位。公开数据显示，在设计环节，中国台湾省芯片设计全球市场占有率24.3%，是仅次于美国的世界第二；在制造环节，中国台湾省芯片代工全球市场占有率62%，全球第一；在封测环节，中国台湾省封测全球市场占有率61.5%，全球第一。

历史上，中国台湾省也多次冲击DRAM。过去30多年来，中国台湾省在DRAM产业的投资额累计超过500亿美元，有超过2万名工程师曾投身于DRAM研发，最终都没有获得成功。

当前南亚科技在全球DRAM厂商中排名第四，华邦电子排名第五。但是，这两家厂商的全球DRAM市场份额之和不超过4%。

所以，中国台湾省也需要进口韩国的 DRAM芯片。

Q10: 中国的DRAM芯片目前进展如何？

A10：2016年5月，长鑫存储的事业在 “创新之都”——安徽合肥启动。作为一体化存储器制造商，公司专业从事动态随机存取存储芯片(DRAM)的设计、研发、生产和销售，目前已建成12英寸晶圆厂并投产。DRAM 产品广泛应用于移动终端、电脑、服务器、虚拟现实和物联网等领域。

2022年，全球知名电子和半导体杂志《EE Times》发布了2022年最新一期全球最值得关注的100家半导体初创公司名单《Silicon 100：Startups to Follow in 2022》，长鑫存储继2021年初次入选后，凭借综合的品牌表现力再度上榜。

长鑫存储主攻DRAM产业。图源：长鑫存储

但是，2022年10月7日，美国实行了对华最强的半导体技术管制。美国商务部产业安全局宣布了一系列在《出口管理条例》(Export Administration Regulations,EAR)下针对中国的出口管制新规。新政规定美国芯片制造商必须获得美国商务部批准才能对华出口半导体和芯片制造设备。此外，还规定美国供应商在向生产18nm或以下的DRAM芯片、128层或以上的NAND闪存芯片、14nm或以下的逻辑芯片的中国企业出口设备时，必须进行逐案审查(case-by-case basis)。

2022年12月12日，中国在世贸组织（WTO）提起诉讼，批评美方“滥用出口管制措施，阻碍芯片等产品的正常国际贸易，威胁全球产业链供应链稳定，破坏国际经贸秩序，违反国际经贸规则”。

这意味着，长鑫存储的18nm或以下的DRAM芯片进程目前受阻。