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首颗国产DRAM芯片的技术与专利,合肥长鑫存储的全面深度剖析 ... ...

2019-11-14 16:38| 发布者: | 查看: 33| 评论: 0

摘要:   存储芯片已经成为全球珍贵的战略资源,国内从过去完全缺席的困境,经历三年焚膏继晷的研发,已陆续在 3D NAND 和 DRAM 上打破国际垄断。  论垄断势力,DRAM 产业尤为严重。相较于 3D NAND 在国际间仍有六大供 ...

  存储芯片已经成为全球珍贵的战略资源,国内从过去完全缺席的困境,经历三年焚膏继晷的研发,已陆续在 3D NAND 和 DRAM 上打破国际垄断。

  论垄断势力,DRAM 产业尤为严重。相较于 3D NAND 在国际间仍有六大供应商可以选择,DRAM 产业却被三星、SK 海力士、美光三大供应商试图守得滴水不漏。

  这三家巨头都是左手 DRAM、右手 3D NAND,三星还有手机、白色家电等一线品牌,SK 海力士更是隶属于韩国 SK 通信集团,两家背景都是家大业大的豪门贵胄。


图:DeepTech

  一、中国自主研发 DRAM 芯片宣告量产

  无论三大阵营如何滴水不漏的防备,努力与毅力仍是有水滴石穿的一天。

  2019 年 9 月 19 日合肥长鑫存储宣布自主研发的 8Gb DDR4 芯片正式量产,采用 19 纳米工艺打造,继长江存储打破全球 3D NAND 垄断后,DRAM 市场也被长鑫存储以水滴石穿的毅力,硬生生劈出一条缝来。

  长鑫存储的主要股东为合肥市政府与北京兆易创新,以 4 比 1 投资份额所组成。

  长鑫存储对问芯 Voice 表示,合肥 12 寸晶圆厂分为三期,第一期满载产能为 12 万片,预计分为三个阶段执行,第一阶段要完成单月 4 万片,目前为 2 万片,2020 年第一季底达到 4 万片,这 4 万片都将是 19nm 工艺芯片。

  第一期厂房的第二、三阶段则是规划朝 8 万片、12 万片的里程碑迈进,会视研发进程、产品良率、市场需求来决定投产速度。


图:DeepTech


图:DeepTech

  二、19nm、17nm 将技术二连发

  在技术研发上,长鑫存储第一代技术为 19nm 的 8Gb DDR4 芯片,第二代为 18nm 工艺技术,但公司并未打算量产 18nm 技术,下一个量产的技术将会是第三代的 17nm 工艺。

  长鑫存储告诉问芯 Voice,17nm 相较于 19nm 的 DRAM 芯片,技术上的最大不同在于 17nm 可能会导入 HKMG 技术,可以让芯片更轻薄、体积更小。

  HKMG 技术最早是英特尔在 45nm 工艺上采用,之后被台积电等逻辑技术大广泛采用,但因为 high-k 金属栅极形成后,温度会较高,加上 DRAM 芯片结构的限制,多年来要导入 HKMG 技术一直不容易。

  相较于台积电已经导入 7nm、5nm 工艺,为什么 DRAM 工艺才“停留”在 19nm、18nm、17nm 工艺阶段?

  存储业者表示,DRAM 芯片的晶体管是逻辑芯片的数倍,DRAM 芯片做到 19/18nm 时,已经和逻辑工艺 10nm/7nm 的晶体管数量差不多,因此,逻辑工艺和 DRAM 工艺不能放在同一个天秤上比较。

  长鑫未来计划从第一代的 19nm,转进第三代的 17nm 工艺,技术上是不小的演进,但优势是,这两代技术只有约 20%~30% 的机台设备不一样,其他设备都可以延续使用。


图:DeepTech


图:DeepTech

  三、如何避开国际大厂的专利地雷?

  长鑫存储量产的 DRAM 芯片打破国际垄断局面,更是中国半导体产业的重要突破。然而,业界最好奇的是,长鑫的 DRAM 芯片是否能成功获得国际大厂的专利雷达检视?

  DRAM 芯片最早是英特尔、得州仪器等美国大厂的天下,之后经历了日本存储大厂的百花齐放到产业沉寂,连最后一家 DRAM 芯片大厂尔必达都倒闭,韩国更是趁势而起。

  业界曾说,DRAM 芯片最难的门槛不是在技术,而是难在规避复杂的专利网,过去几十年来,美日韩国际大厂已经在 DRAM 专利上布下天罗地网,因此要规避所有专利而成功设计出 DRAM 芯片,难度非常高。

  长鑫存储已经披露,其 DRAM 技术的根基是源自于当年德国的奇梦达 Qimonda。

  早年,全球 DRAM 技术分为沟槽式和堆叠式两大技术阵营,奇梦达是沟槽式技术唯一传人,很多人认为沟槽式技术的瓶颈和高成本,是将奇梦达推入命运终结的主因,但奇梦达在倒闭之前,已成功开发堆叠式技术:Buried Wordline 技术。

  当时业界认为 Buried Wordline 的堆叠式技术,其竞争力甚至优于三星等存储大厂。可惜,找到续命配方,但等不到续命丸被大量制造的那一天,奇梦达仍旧是回天乏术。

  奇梦达留下了第一代 46nm 的 Buried Wordline 技术,以及之后到 1xnm 技术工艺的研发路径。

  长鑫存储买下了当初奇梦达留下的 1000 万份关于 DRAM 技术的文件,目前已经在中国申请 600 多件专利,另外有上千件专利正在审核中,估计未来 2~3 年时间,手上可以累积到几千件的专利数量。


图:DeepTech

  一般谈到专利问题,会分为专利和营业秘密两个部分,后者牵涉到营运管理体系,当初福建晋华被美禁运,其实无关专利,而是营业秘密问题遭到制裁。

  就专利部分,存储专家对问芯 Voice 表示,长鑫可以去买奇梦达留下来的技术文件,从中获得的是 know-how,而非专利,透过这些 know-how 转变成研发技术的过程中,再去申请或避开已经被国际大厂圈住的专利范围。

  存储专家也认为,长鑫透过奇梦达留下的 buried wordline 技术,是可以为自己打造一套自有的专利金钟罩,但是否能全然规避所有的国际大厂专利?可能未来 2~3 年内都不会有答案。

  因为芯片一但量产导入客户端后,等于是摊在阳光下让大家检视,但即使有踩到国际大厂的地雷,三星、SK 海力士等未必会这么快出声。

  通常要发起一场专利大战戏码,得经过“养、套、杀”过程,估计国际大厂不会这么早出手揭底牌。

  因此,在初期自己累积专利数量和含金量的实力很重要,未来国际大厂如果要发动专利战,手上也可以有足够的专利实力来应对。

  四、三星 18nm 传被亚马逊退货且求偿

  除了专利门槛,很多人质疑 DRAM 技术很难发展至 10nm 以下,其实在 20nm 以后,DRAM 技术难度已经大大提高,这是一则以喜,一则以忧。

  虽然技术难高是值得忧虑的,但面临微缩瓶颈,会是新进者的一个优势,跑在前面的都慢下来了,自然有拉近彼此距离的机会。

  三星 18nm 工艺的服务器 DRAM 芯片,之前就因为质量问题,传出遭到亚马逊退货,甚至是巨额求偿,可以看出DRAM 技术进入 1xnm 工艺以下之后,每一步都是挑战。


图:DeepTech

  五、首波受冲击是利基型 DRAM 供应商

  未来长鑫存储的量产,受到最大冲击的会是利基型 DRAM 供应商,像是台湾的南亚科、华邦等,初期他们在利基型 DRAM 市场上恐会有一阵交锋,而三星、 SK 海力士、美光三大阵营目前重心都已转到云服务器上,这块市场的认证期会很长,且通常会等到能稳定大量供货后,才会卖入此市场。

  利基型 DRAM 芯片主要用在包括电视机、计算机、通信网路设备、低端智能手机等。

  在客户方面,长鑫存储第一批客户会以计算机、消费性类别为主。

  长鑫存储是合肥打造“芯片之城”之首,合肥除了聚集显示屏大厂京东方、晶圆代工厂晶合、IC 设计公司联发科、群联等,联想与合肥市政府合资的联宝电子,更是安徽合肥的重点企业,估计长鑫量产后的 DRAM 芯片,首批客户一定会有联宝。


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