中科院专家原创40000字《DRAM芯片风云》专栏
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作者:二马路的冰
排版:Destiny
出品:SOlab
深度好文,6768字=15分钟阅读
最后,芯光社特邀专家对DRAM江湖的一些问题进行了解读。需要特别声明的是,这些解读未必是正确的。
Q1 
你把DRAM说得那么神乎其神的,为什么DRAM的发明没有获得炸药奖?
1966年,来自IBM公司的芯片界传奇人物Robert H. Dennard博士发明了DRAM,时年34岁。
仅隔4年,Intel公司就实现了DRAM的量产,创造了高科技产品从概念设计快速转化成商品的神话
如今,从日常生活的手机到个人电脑、服务器等各种设备里都有8Gbit DRAM的身影。
Robert H. Dennard博士工作图   图源:IBM中国
Robert H. Dennard 博士曾获得美国电气和电子工程师协会(IEEE)的Robert N. Noyce Award、京都基础科学奖等奖项。
众所周知,石墨烯和蓝光LED都获得了诺贝尔奖芯片的状元DRAM确实也有理由获得炸药奖。
没获奖的原因可能是DRAM的架构实在是过于简单,简单到只有一个晶体管加上一个电容,和深奥、复杂的科学原理的关联性也许不足以引起诺奖评委的注意。当然,也可能是别的原因。
DRAM构造图  图源:电子工程世界
Q2
DRAM、NAND Flash和NOR Flash三种半导体存储器的区别是什么?
DRAM属于易失性存储器,与CPU直接交换数据,读写速度快,属于易失性存储器,断电后数据会丢失。DRAM芯片再加上一些外围电路板,就是内存条。
NAND Flash和NOR Flash属于非易失性存储器具备电子可擦除可编程性能,断电后数据不会丢失。NAND Flash数据存储容量高,不能直接运行代码,可以用做固态硬盘。
NOR Flash数据存储容量低,只有NAND Flash的0.1%甚至更少,用来存储最核心的基础程序,可直接运行代码。
三者都是不可替代的存储器,相对独立、各司其职。
存单元比较示意图  图ittbank公众
Q3 
一芯读春秋,春秋的内涵是什么?
属性层面:芯片之王,芯片产业的风向标;
市场层面:巨头垄断;强周期性波动;大萧条;
技术层面:原始创新;逆向工程;山寨;EUV光刻机;无电容乌云;3D架构;
国家层面:项目投资;贸易摩擦;产业转移;
法规层面:标准;专利诉讼;
企业层面:先驱成了先烈;打不死的小强;引进、消化、吸收、再创新;挖墙脚;内卷;逆周期投资;工匠精神;产品转型。
需要指出的是,无论如何,“逆向工程”、“山寨”、“内卷”、 “挖墙脚”、“先驱成了先烈”,“白菜价”这些熟悉的词语,肯定不是中国人发明的。
图源:视觉中国
Q4 
DRAM产业为什么不能像其他科技产业(比如显示和照明产业)那样,从美国转移日本后,又转移到韩国、中国台湾省,并转移到中国大陆呢?
其实这个过程一直在进行,只是进程慢一些。
据估计,中国约占全球DRAM市场的43%,每年300多亿美元。这个市场需求对于中国DRAM产业发展的推动作用无疑是巨大的。
但是,国家意志、设计制造(尤其是EUV光刻机)难度、资本开支、经济效益、市场策略、专利纠纷、贸易摩擦等都是影响DRAM高科技产业转移的因素。
图源:前瞻经济学人
Q5 
DRAM会一直是芯片界的状元吗?
易失性 (即掉电后信息丢失) 存储器DRAM自诞生之日起,就一直是芯片界的状元,即最大宗的单一芯片产品。
但是,近年来,其存储器的兄弟和对手,非易失性 (即掉电后信息仍然保存)存储器NAND的市场份额在不断攀升,已经可以和DRAM分庭抗礼了。也许不久的将来,DRAM的状元位置会被NAND取代。
图源:华经产业研究院
Q6 
能评论一下新型存储器,如相变存储器(PCM)、阻变存储器(RRAM)、磁性存储器(MRAM)、铁电存储器(FeRAM)吗?
这四种新型存储器的机理迥异于传统存储器。
简单来说,PCM通过相变材料的相态变化来存储数据,RRAM通过阻变材料中导电通道的产生或关闭实现来存储数据,MRAM通过磁性材料中磁筹的方向变化来存储数据,FeRAM通过铁电薄膜材料中偶极子残留极化效应来存储数据。
一方面,这些新型存储的制造工艺(包括材料)均匀性、一致性和成品率等问题没有得到很好解决,单位容量成本比较高。
另一方面,当前的计算架构(包括硬件电路和软件驱动)是基于DRAM和NAND Flash的特点进行构建的。这些新型存储要获得应用,需要根据新型存储的特点研发优化相应的辅助芯片和操作系统软件。
图源:Applied Materials
总体上说,这些新型存储器引起了学术界和Intel、三星电子、中国台积电、IBM、SK海力士、西部数据等国际巨头的高度关注,在人工智能等应用场景具有商业化前景。
Q7 
DRAM的强周期波动特质背后原因是什么?是否是类似资本主义的经济危机周期一样不可避免?
这是独有的DRAM产业经济运行规律,即需求提出-供不应求-价格上涨-扩充产能-产能过剩-价格下跌-重新洗牌”规律造成的,大概和资本家“倒牛奶”的原因有点类似吧。目前看来,应该是不可避免。
周期波动示意图  图源:长江证券
Q8 
看上去也并没有哪些比较聪明的企业利用这个周期来做有效的市场预测、或者用某种模型作为博弈的依据,为什么?
其实很多DRAM厂商都是这么做的。但是市场预测是一回事,勇气和决心又是另外一回事。
日本和欧盟DRAM厂商缺乏“逆周期投资”的勇气和决心,这是这些厂商最终退出DRAM江湖的一个重要原因。三星电子则相反。
2020年三星市场份额top1  图源:长江证券
Q9 
第一任DRAM霸主Intel公司为何会退出DRAM江湖?
Intel公司大获成功之后,获取了第一桶金。热门产品的白热化竞争一直是360行的通用规律。“逆向工程”立马随之出现,美国科技企业开始内卷了,然后日本厂商出现了,迫使Intel公司走下DRAM神坛。
当然,还有Intel公司自身的原因,比如多个产品同时研发、没有保持技术先发优势等等。
图源:百度
Q10 
第二任DRAM霸主Mostek公司为何会退出DRAM江湖?
Mostek公司退出DRAM江湖的原因很复杂,总结起来,大概有两点:
一是技术力量肯定是斗不过资本力量的,资本恶意收购、股权变动、管理及技术人员流失;
二是来自日本的DRAM厂商终于出现并成长起来了,Mostek公司的DRAM产品良率和成本无论如何都无法应对日本DRAM厂商。
Q11 
日本当初为什么能登上DRAM霸主的位置?
首先,日本政府与企业有强烈的瓜分DRAM蛋糕的愿望。
其次,美国企业的内卷。再次,DRAM毕竟结构简单,工艺相对也不复杂,特别适合日本企业的产品定位。
最后,日本企业产能海量,性能上乘,价格低廉,良率又高。
日本DRAM  图源:百度
Q12 
那为啥日本DRAM厂商又不行了呢?
这个众说纷纭啦。但是,有几点是没有争议的。
日美贸易战,美国政府的强力打压日本,且扶持韩国厂商;
DRAM产业此起彼伏的价格变化规律;
日本厂商自身缺乏灵活性,缺乏“逆周期投资”的勇气;
韩国DRAM厂商的强势崛起。
需要说明的是,目前,日本企业在投资收益相对稳定的芯片制造设备和材料方面,仍然处于垄断地位。在部分芯片(如索尼公司的CMOS图像传感器、瑞萨电子的车载芯片等)方面,仍然占据了很大的市场份额。
半导体产业链概况图  图源:头豹研究院
Q13 
为啥韩国DRAM厂商能够独占鳌头,雄霸天下?
韩国企业从美、日企业的指头缝里钻出来实属不易。
全球DRAM产业格局三次重构情况  图源:赛迪知识产权所整理
韩国政府与企业有强烈的瓜分DRAM蛋糕的愿望,韩国政府给予了三星电子、SK海力士等企业很强有力的支持和很强势的干预;
美国政府拉着欧洲小弟殴打日本,狠狠打压日本DRAM厂商的同时,一定程度上也扶持了韩国DRAM厂商;
三星电子公司对于DRAM产业财务报表的态度与其他公司明显不同。
Q14 
能详细说明一下三星电子公司对于DRAM产业财务报表的态度与其他公司有何不同?
DRAM产业的特点是潮起潮落,产能和需求之间永远无法适配。反映到公司财务报表,必然也是忽喜忽忧的。
通常,公司最高领导层最关心的事情肯定是财务报表,报喜的时候当然是好事,自己的薪酬会提高;报忧的时候当然是不高兴,自己会被降薪酬的。怎么向股东交代呢?那肯定要和DRAM业务撇清关系的,最好的办法就是剥离DRAM业务。
三星芯片  图源:百度
事实上,很多DRAM厂商就是在DRAM产业潮落的时候和DRAM说拜拜的。上世纪80年代全球DRAM厂商有30多家,现在只剩下不到10家。能活到现在的DRAM厂商对DRAM产业财务报表的态度肯定都是比较宽容的。
作为家族企业,三星电子公司领导层拿到“投产即亏损”、“今年又亏损”的财务报表的时候,内心肯定是复杂的,但是态度总是坚决的。
Q15 
DRAM霸主的位置未来会不会易主啊?
理论上说,潮起潮落、盛极而衰是自然规律,芯片产业同样如此。中国台积电公司通过代工模式的创新,不是也可以和Intel公司分庭抗礼,甚至还有所超越吗?
Q16 
EUV光刻机是高端DRAM产业的唯一解吗?
对于7nm及以下逻辑芯片的量产,EUV光刻机肯定是唯一解。目前,EUV光刻机肯定也是高端DRAM量产的最优解。但是,DRAM的光刻图形相对简单,也许紫外纳米压印光刻技术会可能成为另外一个解,DRAM材料架构的技术创新也可能成为另外一个解。
光刻机  图源:腾讯网猫仔科技
Q17 
怎么评价DRAM专利在鼓励技术发明创造、提高技术创新能力中所发挥的作用?
专利的申请主体分为两类。一类是制造、销售产品的企业;另一类是纯粹专利运营模式的“NPE”(Non-Practicing Entity非实施实体),即“没有做任何产品,主要收入来自打官司获得的赔偿”。
图源:万牛网
主流观点认为:专利保护制度是激励技术发明创造、提高技术创新能力的法律保障。显然,应该无条件予以敬畏。
但是,也有一些观点认为,产品研发道路上布满了“专利地雷”,专利诉讼越来越多,有可能也会扼杀创新能力。当然,也会提高了知识产权律师的职业上升空间。
Q18 
中国大陆版DRAM产业会重演“福建晋华事件”吗?
“福建晋华事件”之后,中国芯片厂商已经更加重视专利纠纷的问题了,对于知识产权问题,已经做了充分的准备了。当然,专利纠纷的问题,不仅仅是技术上的问题,还涉及法庭、外交等诸多因素。DRAM江湖在,专利纠纷总是难免的。
图源:行家说Display

Q19 
中国存储器三大基地之一的福建晋华已经进入美国的“实体清单”,另外两个是否也会进入美国的“实体清单”吗?
据外媒报道,美国正在推动对中国实施更严格的芯片设备和技术出口管制。针对逻辑芯片制造厂商中芯国际,将实施14纳米及以下逻辑芯片所需设备的出口管制。
制造先进存储芯片的设备估计也不例外,有媒体报道,美国正在推动对长江存储进行NAND制造设备的出口管控。
图源:今日财帮
Q20 
存储器制造设备要求并没有逻辑芯片制造设备要求那么高,中国可以实现存储器制造设备完全国产化吗?
一般认为,芯片制造设备厂商需要和芯片生产厂商一起面对市场,一起反复迭代,一起共同成长。这就是为什么芯片制造设备大厂,如ASML、应用材料等,通常都把最新研发的设备送到Intel、中国台积电、三星电子进行马拉松实验的原因。
芯片制造示意图  图源:聚牛科技
没有芯片生产厂商的支持,芯片制造设备厂商的设备产品就是一堆废钢而已。同样,没有芯片制造设备厂商的支持(包括设备维护),芯片生产厂商的生产线也就是摆设。
先别说光刻机,据报道,长江存储的NAND制造设备中的18%的来自国内企业。
Q21
韩国是否会加入“芯片四方联盟”?这对中国存储器行业会有什么影响。
韩国是否会加入"芯片四方联盟"这个问题,中国和韩国外交部发言人都已经阐述了各自的观点。
韩联社报道,韩国总统尹锡悦2022年8月8日就是否加入美国主导的“芯片四方联盟”(Chip 4)的提问表示,无需过度担忧,将与有关部门就此缜密研讨,坚定维护国家利益,政府各部门正从国家利益着眼就有关问题进行缜密研讨。
图源:新浪网
另外,韩媒报道,韩国一直避免使用“芯片四方联盟”这个说法,而是称作“半导体供应链协商体”。
2021年,SK海力士在中国无锡市的DRAM工厂欲引进EUV光刻机,被美国阻挠,导致SK海力士的DRAM产能扩张计划受挫。如果韩国遵循美国芯片法案的规定,未来10年不得在中国大陆建设高端芯片生产线,这将会导致韩国利益受损。
但是,韩国的芯片产业链对美国的依赖度很高,加上其他众所周知的原因,大概率韩国会加入“芯片四方联盟”。
Q22 
当前美国对中国芯片产业的打压遏制手段,和当年美国对日本芯片产业的打压遏制手段挺相似的,是否可以展开说说?
当年美国对日本芯片产业的打压遏制手段详见第六回。确实是有许多相似的地方。如果说最大的不同,现在的情况是美国不仅亲自下场,还在战略层面上通过了《芯片与科学法案》,将中国大陆作为重点打击目标,甚至想组建所谓的“芯片四方联盟”、阻挠ASML的高端光刻机出口中国大陆等等。
图源:新华社
1989年,日本索尼公司创始人盛田昭夫和右翼政客石原慎太郎出版了一本书《日本可以说不》。实际上,日本对美国说的从来都是Yes。
当今的中国情况完全不一样!正如2022年8月10日外交部发言人汪文斌所说“中国坚持把国家和民族发展放在自己力量的基点上,任何限制打压都阻挡不了中国科技发展和产业进步的步伐”。
只要美方挑衅一次,中方就必定坚决斗争一次。
图源:外交部网站
Q23 
学术界的创新成果,怎样才能转化到DRAM产业应用?
DRAM研究最显著的特点是需要接受市场检验,市场说了算,要对市场有敬畏之心,不能“坐而论道”。
图源:Omdia、中商产业研究院整理
一种观点认为,学术界研究人员研究过程中当然不需要过多考虑产业应用因素,但是,也不能为了原始创新而原始创新。
另外一种观点认为,芯片学术成果的转移转化,本身就是伪命题。原因如下:如果一开始就面向产业应用,和产业界进行联合研发,芯片学术成果本身就不存在转移转化的问题。如果一开始就为了研究而研究,偏离了产业应用方向,就没有转移转化的必要了。
Q24 
量子存储器最近很热门,将来会取代现有的半导体存储器吗?
半导体存储器的功能就是存储比特,即存储低电平和高电平两种经典状态:0或者1。
量子存储器可以存储任意量子叠加状态。相当于量子存储器的一个存储单元可以一次性存储多个模式。
图源:摩尔精
我知道的就是这么多了,估计半导体存储器学术界和产业界对于量子存储器的理解也大抵如此。
Q25 
能预测一下DRAM江湖的第六次大萧条什么时候会到来吗?
这个是很难预测的,但是,第六次大萧条迟早会到来的。
据预测,第六次大萧条预计在2023年到来。新冠疫情爆发以来,居家办公设备、数据中心服务器、企业计算系统、智能网络设备等需求增加,全球对芯片的需求也相应增加。近年来,缺芯的现象已经被各大媒体广泛报道,所谓的“三百六十行,行行缺芯” 
汽车钥匙芯片图  图源:汽车公社
尽管如此,DRAM产品一直供大于求的。原因是终端设备产品需要多款芯片,任何一款芯片的缺货,都会导致终端设备产品无法被制造出来,从而造成大量DRAM产品在库房被搁置。
2022年,“三百六十行,行行缺芯”的情况出现了反转,消费性电子市场,特别是智能手机需求疲弱。
尽管今年上半年三巨头议价强势,并未出现明显的降价求售迹象。但是下半年需求前景不明。目前主流DDR3、DDR4的产品,现在较年初已经下跌10%-20%。
1994-2022年DRAM的市场需求  图源:IC Insights
综上,一种预测是第六次大萧条将在2023年发生。当然,如果没有发生,也是有可能的。
Q26 
能用一句话来总结DRAM江湖吗?
波澜壮阔、血雨腥风。
亲爱的读者,您还有别的问题吗?芯光社特邀专家愿意和您一起探讨。
最后,芯光社邀请您做一个选择题:
您觉得用波澜壮阔、血雨腥风这两个词语来总结DRAM江湖合适吗?
(a)贴切,真是大片
(b)合适,各种江湖都是一样的
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(e)我说不清
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本专栏试图运用实证研究方法来描述史上最全、最残酷的DRAM江湖,难以保证所采用的数据都准确无误,部分内容也可能有些枯燥。本文字数超过40000,请各位读者保持宽容和耐心。
专栏导引:
1. 芯片发展残酷史:DRAM的落地之路👈
2. 【第一回】DRAM江湖标签:芯片之王 👈
3. 【第二回】赔钱!起起伏伏的DRAM行业是如何萧条的?👈
4. 【第三回】好家伙!这篇文章终于讲透了:芯片产业的发展模式👈
5.【第四回】EUV光刻及先进封装加持下,天空漂浮着一朵电容乌云👈
6.【第五回】DRAM江湖之美国演义:始于创新,衰于内卷👈
7.【第六回】被美国报复下,日本半导体辛酸之路👈
8.【第七回】举国捐金,韩国半导体靠225吨黄金救起来的?👈
9.【第八回】欧洲存储器巨头,奇梦达破产后,却被中国救活了?👈
10.【第九回】从巅峰到没落,现如今中国台湾半导体产业怎么样了?👈
11.【第十回】从亏损49亿美元到世界第四大DRAM芯片制造商,南亚科技都干了啥?👈
12.【第十一回】一文带你看懂,中国DRAM产业进程曲折史👈
13.【第十二回】美光vs晋华,一文带你复盘福建晋华事件全过程👈
14.【第十三回】长鑫存储详解剖析:凭什么是国内第一家DRAM厂商?👈
15.【第十四回】国内薄弱的DRAM产业,诞生了一个超级玩家👈
16.【第十五回】国内厂商芯片新技术绕过EUV光刻机,震惊欧美👈
17.【第十六回】独家揭秘:Rambus公司用RDRAM标准一统江湖?👈
17.【第十六回】独家揭秘:Rambus公司用RDRAM标准一统江湖?👈
18.【第十七回】复盘21世纪芯片专利纠纷👈
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