1958年9月12日，德州仪器公司的JackKilby成功地将锗晶体管等5个元件集成在一起，制成了世界上第一块锗集成电路。次年7月，美国仙童半导体公司的罗伯特诺顿诺伊斯成功发明了世界上第一块基于硅平面工艺的硅集成电路。杰克·基尔比（左）、罗伯特·诺伊斯（右）众所周知，这两位大人物的发明意义重大。集成电路的出现，有力地推动了电子设备的小型化，为芯片时代的全面到来奠定了基础。DRAM诞生后进入20世纪60年代，随着计算机技术的发展，电子工业开始尝试将集成电路技术应用于计算机存储领域。当时，半导体存储技术分为两个方向：ROM和RAM。ROM是只读存储器，所存储的数据不会因断电而丢失，又称外存储器。RAM是随机存取存储器，用于存储计算数据。断电后数据会丢失，也称为记忆。今天，我们重点关注RAM领域。1966年，IBMThomasJ.Watson研究中心的RobertH.Dennard率先发明了DRAM内存（DynamicRandomAccessMemory）。RobertDennard的存储器基于“MOS管+电容结构”，具有能耗低、读写速度快、集成度高等特点。直到现在，我们的电脑内存、手机内存、显卡内存等都是基于DRAM技术的。1968年6月，IBM注册了晶体管DRAM专利。然而，就在他们为DRAM产业化做准备时，美国司法部对他们发起了反垄断调查。这些调查延缓了IBM的DRAM产业化进程，给其他公司带来了机会。不久之后，1969年，美国加利福尼亚州的高级存储系统（AdvancedMemorySystem）公司率先，成功制造出世界上第一块DRAM芯片（容量仅为1KB），并卖给了计算机制造商霍尼韦尔（Honeywell）.霍尼韦尔收到这批DRAM芯片后，发现过程中存在一些问题。于是他们找到了一家初创公司并寻求帮助。这家公司就是英特尔（Intel），由罗伯特·诺伊斯（上文提到的硅集成电路的发明者）和戈登·摩尔（摩尔定律的作者）于1968年共同创立。罗伯特·诺伊斯（左）和戈登·摩尔（右）英特尔公司成立后，主要业务是开发晶体管半导体存储芯片。当时，半导体技术主要有两个研究方向，即双极型晶体管和场效应（MOS）晶体管。Intel自己也不知道哪个方向是对的，所以成立了两个研究组，分别跟进两个技术方向。1969年4月，双极集团率先取得突破，推出64位静态随机存取存储器（SRAM）芯片——C3101。这款芯片是英特尔的第一款产品，其主要客户是霍尼韦尔。英特尔C3101FET团队也不甘落后。1969年7月，他们推出了256位的SRAM芯片——C1101。这是世界上第一款大容量SRAM存储器。1970年10月，场效应管团队再接再厉，成功推出第一颗DRAM芯片（也被认为是世界上第一颗成熟商用的DRAM芯片）——C1103。IntelC1103，18针，容量1Kbit，售价10美元。C1103推出后大获成功，很快成为全球最畅销的半导体存储器，服务于HP、DEC等重要客户。在C1103的帮助下，Intel也发展迅速。1972年，英特尔拥有1000多名员工，年收入超过2300万美元。1974年，英特尔DRAM产品的全球市场占有率达到了惊人的82.9%。英特尔早期团队英特尔在DRAM领域大发横财的同时，其竞争对手也在迅速崛起。1973年，德州仪器（TI）、莫斯泰克（Mostek）等厂商相继进入DRAM市场。Intel推出C1103后，德州仪器对其进行拆解仿制，通过逆向工程研究DRAM的架构和工艺。后来在1971年和1973年又相继推出2K和4KDRAM，成为英特尔的强劲对手。Mostek由前德州仪器半导体中心总工程师L.J.Sevin创立（1969年），技术实力也不错。1973年，他们推出了16针DRAM产品——MK4096，也挑战了英特尔的市场地位（其他公司有22针，针数越少，制造成本越低）。1976年，Mostek推出MK4116，采用POLY-II（双层多晶硅栅）工艺，容量16K。该产品取得了巨大的成功，一举扭转了市场竞争格局，将其DRAM市场份额提升至75%。MK4116不幸的是，没过多久，因为资本市场的敌意收购，Mostek的股权结构发生巨变，管理层剧烈动荡，技术人才迅速流失，公司迅速进入低谷。1979年，该公司被联合技术公司(UTC)收购。后来转卖给意法半导体。1978年10月，四名Mostek技术人员离职，在爱达荷州一家牙科诊所的地下室创办了一家新的存储技术公司。这家公司，也就是后来的存储巨头——美光（Micron）。美光创始人团队日本半导体的成败除了国内的竞争对手，英特尔面临的更大威胁来自国外。更具体地说，来自-日本。20世纪70年代，日本经济迅速崛起。为了在全球科技产业链中占据有利位置，他们在半导体技术领域进行了精心布局。1976年，日本通过举国体制建立了超大规模集成电路联合研究开发机构（VLSI：THEVERYLARGESCALEINTEGRATED，超大规模集成）。联合研发机构共有6个实验室，专门从事高精度加工技术、硅晶化技术、工艺技术、监测评价技术、器件设计技术等领域的研究。不久之后，这个联合研发机构成功攻克了电子束光刻机、干法刻蚀装置等核心半导体加工设备，以及领先的工艺技术和半导体设计能力，为日本半导体产业的腾飞奠定了基础.1977年，借助VLSI项目，日本成功研制出64KDRAM，追平了美国公司的研发进度。20世纪80年代，日本厂商（富士通、日立、三菱、NEC、东芝等）不断发力，凭借质量和价格优势，开始反超美国公司。1986年，日本内存产品的全球市场份额上升到65%，而美国下降到30%。在激烈的市场竞争下，美国英特尔公司直接宣布放弃DRAM市场（1985年）。而能够在日系厂商的夹缝中生存下来的，就只有摩托罗拉了。全球半导体公司排名（1987）螳螂捕蝉，黄雀在后。就在日本半导体厂商即将称霸世界之际，外部政治环境开始发生微妙变化。1985年，美苏冷战气氛持续减弱，日美贸易摩擦不断加剧。在巨额财政赤字的压力下，美国里根政府开始将注意力转向打压日本经济。今年美国领跑著名的《广场协议》，逼迫日元升值。与此同时，美国半导体协会也对日本半导体等产品发起反倾销诉讼。随后，两国就日本半导体产品的价格监管达成协议。在接二连三的打击下，日本半导体产品的市场份额一落千丈，很快失去了主导地位。韩国半导体的崛起那么，被日本厂商放弃的市场份额，是否正在被美国厂商抢走呢？一点也不。俗话说“螳螂捕蝉，黄雀在后”。在日本厂商迅速节节败退的同时，另一个来自美国的竞争对手又站了出来，那就是韩国。早在日本启动超大规模集成电路项目时，韩国政府就没有闲着。他们在庆尚北道龟尾工业区成立了韩国电子技术研究院（KIET），高薪从美国招聘半导体人才，专注于集成电路关键技术的研发。除了KIET之外，三星、LG、现代、大宇等韩国财阀也看中了半导体技术的市场前景。通过购买和引进技术专利和加工设备，消化吸收，积累技术实力。1984年，三星半导体建立了第一家内存工厂，量产64KDRAM。没有人想到，这家名不见经传的韩国公司，日后会成为业界的“巨无霸”。也就是说，从20世纪80年代到现在，DRAM产业已经经历了近四十年的发展。如果用一个词来形容这四十年，那就是“腥风血雨”。原因很简单。DRAM半导体产业最大的特点就是周期性。业内人士曾经得出这样的结论：DRAM半导体存储每年赚钱，就会亏本两年。所谓“赚一赔二”。在如此强大的周期律下，想要长久生存下去，是非常困难的。DRAM厂商需要具备强大的现金流和融资能力，能够维持高强度的研发支出，并保持稳定的团队。在亏损周期中，DRAM制造商需要更多资金才能生存。在繁荣周期中，你不能大意。制造商在选择扩大产能的机会时需要非常谨慎。否则，可能会导致供过于求和利润损失。四十年前，全球大约有40-50家DRAM制造商。如今只剩下三家公司，可见竞争是多么的残酷。四十年来，一家公司不仅活了下来，还击杀了无数对手，长期占据优势地位。这家公司就是前面提到的三星（Samsung）。有些同学可能听说过三星电子三星的故事。他们采用了一个被写入无数商学院教科书的“杀手级”策略——逆周期投资。简单来说，逆周期投资就是利用行业周期性发展的特点。当行业进入低谷，竞争对手缩小规模时，反其道而行之，加大投资，扩大产能，进一步打压价格，从而让对手加剧亏损，甚至倒闭。也就是说，大家一起被烧死，而我更有钱，烧死你，我继续活下去。三星这家公司依托韩国的力量，纷纷采取“逆周期投资”的策略，斩杀对手无数，成为半导体存储领域的龙头老大。接下来，让我们仔细看看过去几十年发生的事情。第一笔“逆周期投资”三星的第一笔“逆周期投资”发生在上文提到的80年代中期。当时日美激战如火如荼，DRAM市场普遍低迷，价格暴跌。DRAM芯片的价格从每片4美元（1984年）下降到每片0.30美元（1985年）。三星建厂推出64KDRAM时，生产成本为每片1.3美元。面对行业寒冬，三星不仅没有缩减投资，反而开始逆向投资，扩大产能。到1986年底，三星半导体累计亏损3亿美元，股本全部耗尽，濒临破产边缘。关键时期，韩国政府出手“救市”，共投入近3.5亿美元，并以政府名义背书，为三星带来了20亿美元的个人募资。后来日本半导体被美国推翻，再加上PC电脑热销带来的行业繁荣，让三星顺利东山再起，迎来业绩增长。不久之后，以三星为代表的韩国DRAM厂商逐渐蚕食了日本半导体企业放弃的市场份额，占据了市场主导地位。第二次“逆周期投资”1992年，日本住友树脂厂发生爆炸，导致原材料供应紧张，内存价格暴涨。今年，三星率先推出了全球第一款64MDRAM。1993年，全球半导体市场再次开始疲软。这时，三星又故技重施，采取了第二次“逆周期投资”。他们投资建设了8英寸硅片生产线，用于生产DRAM。1995年，微软Windows95操作系统发布，极大地刺激了内存需求，带动内存价格大幅上涨，三星的投资得到了回报。世界主要制造商一直在迟迟不投资扩大生产能力。好景不长。到1995年底，各厂商8英寸晶圆厂投产后，产能急剧增加，导致DRAM供过于求。结果，卖方市场又变成了买方市场，价格又开始下跌。在这种情况下，厂商被迫减产，缩减投资规模。三星继续扩大投资。1996年，三星推出全球第一款1GBDRAM，确立了其在业界的领先地位。从1996年到1998年，DRAM持续处于下行周期。1999年，DRAM价格下滑趋势有所缓和。由于互联网泡沫的出现，DRAM产业进入了昙花一现的繁荣期。今年，在激烈的竞争环境下，内存产业发生了几大变化：韩国方面，现代内存和LG半导体合并成立现代半导体，后来又从现代集团（2001年）中拆分出来，改它的名字是海力士。在美国，美光收购了德州仪器的内存部门。在日本，整合日立、NEC、三菱电机的DRAM业务，集团成立尔必达（ELPIDA）。欧洲方面，独立西门子集团半导体部门，成立亿恒科技。几年后，即2002年，公司名称更改为英飞凌。后来在2006年，英飞凌的内存事业部被分拆出来，成为了奇梦达。2000年全球DRAM市场占有率前五名中，有两家是韩国厂商，三星排名第一（23.00%），现代排名第三（19.36%）。不久之后，互联网泡沫破灭，全球经济危机爆发。PC市场受到重创，DRAM市场需求也大幅下滑，价格再次迎来跳水。2001年，DRAM市场规模从288亿美元缩减至110亿美元。2002年到2006年，DRAM市场逐渐从低谷中复苏，整体增长态势良好。2006年，三星采用50nm工艺开发出全球第一款1GBDRAM。海力士当时开发了世界上最快的200MHz512MBMobileDRAM。在此期间，DRAM市场逐渐形成了前五的格局，即：三星（韩国）、SK海力士（韩国）、奇梦达（德国）、美光（美国）和尔必达（日本）。第三次“逆周期投资”2007年，微软推出Vista系统。该系统消耗大量内存，DRAM厂商预计内存需求将大幅增加，因此纷纷增加产能。但实际上，Vista的销量很差，没有带动内存市场，导致产能再次过剩。更为惨烈的是，2008年金融危机爆发，令DRAM市场雪上加霜。内存价格一路走低，甚至跌破材料成本。在此关键时期，三星第三次使出“逆周期投资”杀招，进一步扩大产能，加剧行业亏损。2009年春天，排名第三的德国厂商奇梦达宣告破产，欧洲厂商正式退出DRAM市场。奇梦达2011年，DRAM供应再次超过实际需求，价格暴跌。这一次，尔必达没能挺过来，宣告破产，标志着日本厂商彻底退出DRAM产业。如此一来，前五名成为了尔必达芯片的前三名，在DRAM领域只剩下三星（韩国）、美光（美国）和海力士（韩国）。三个公司的市场份额合计超过93%。DRAM技术现状2011年后，DRAM内存的市场格局并没有发生什么大的变化。但是，DRAM的用户需求和市场环境已经发生了很大的变化。除了传统PC，随着移动互联网和物联网的快速发展，智能手机、可穿戴设备、物联网设备（相机等）的快速崛起，极大地带动了对DRAM的需求。云计算、大数据和AI人工智能的发展推动了数据中心数量的增加，带来了服务器和网络设备的急剧增加，也刺激了DRAM销量的增长。这些要求逐渐将DRAM细分为标准DRAM、移动DRAM、图形DRAM、利基DRAM等类别。StandardDRAM主要用于PC、服务器等，MobileDRAM主要是LPDDR，用于智能手机、平板电脑等场景。图形DDR用于图形卡的显存(GDDR)。小众DRAM主要应用于液晶电视、数字机顶盒、网络播放器等产品。LPDDR多产品场景的旺盛需求推高了DRAM的价格。2018年前后，比特币等数字货币需求爆发，DRAM市场迎来难得的“黄金期”。2019年后，受前期产能扩张和去库存因素影响，内存价格大幅回落。加密货币市场价格的暴跌和智能手机市场的成熟削弱了市场需求，DRAM再次进入低谷。根据相关机构公布的数据，2020年下半年至2022年5月，将是DRAM市场的改善期。今年6月以来，DRAM市场暴跌。6月份销售额下降了36%，7月份又下降了21%，可以说是彻底崩溃，惨不忍睹。据机构预测，四季度降幅将进一步扩大。DRAM市场一落千丈接下来，我们从技术的角度来看一下DRAM这些年来的发展。长期以来，DRAM芯片都采用微尺度工艺来提高存储密度。DRAM的每一次制程更新，都需要大量的投入。以30nm到20nm的更新换代为例，后者所需的光刻掩模数量增加了30%，非光刻工艺步骤数量翻了一番。随着设备数量的增加，对洁净室车间面积的要求也增加了80%以上。在过去，这些成本可以通过每晶圆更多的芯片产量和性能带来的溢价来弥补。然而，随着制程的不断缩小，增加的成本与收入之间的差距正在逐渐缩小。2013年前后，工艺技术进入20nm，制造难度明显增加。18/16nm之后，继续在二维方向上缩小尺寸，在成本和性能上已经没有优势了。于是，DRAM芯片厂商开始另辟蹊径，开始研究Z方向的扩展能力。即开始推进3D封装。作为行业龙头，三星率先从封装的角度实现了3DDRAM。他们采用TSV封装技术堆叠多个DRAM芯片，从而大大提高了单根记忆棒的容量和性能。后来各厂商纷纷效仿，3DDRAM成为主流。在产品标准方面，业界普遍采用固态技术协会（JEDEC）制定的产品标准，也就是大家熟悉的DDR1-DDR5。图片来源：全球半导体观察DRAM三大巨头均具备DDR5/LPDDR5量产能力。三星正在鼓捣DDR6，据说2024年就能完成设计。在芯片制程方面，目前DRAM的表达方式与以往有所不同。以前直接叫40nm和20nm。现在，由于电路结构是三维的，线性测量法不再适用，出现了1X、1Y、1Z、1α、1β、1γ等术语来表示这个过程。业界认为，10nm~20nm系列工艺至少包括六代，1X约相当于19nm，1Y约相当于18nm，1α、1β、1γ分别对应12-14nm（15nm以下）。图片来源：全球半导体观察三星、SK海力士和美光分别在2016-2017年进入1Xnm阶段，2018-2019年进入1Ynm阶段，2020年后进入1Znm阶段。目前各大厂商不断向10nm靠拢。最新的1αnm还处于10+nm阶段。中国DRAM产业的前世今生最后，我们来看看国内DRAM产业的发展历程。中国是全球半导体存储器的重要市场之一，也是全球半导体存储器厂商的“必争之地”。但是，说实话，我们自己的DRAM产业的发展，远远落后于我们的竞争对手。国内DRAM产业的起步可以追溯到1990年代。当时，日本NEC在中国大陆成立了两家合资公司，从事DRAM生产。首先是首钢NEC，1991年NEC与首钢的合资企业，首钢NEC在1995年开始生产4MDRAM（后升级为16M），采用6英寸1.2微米工艺，后来1997年全球价格DRAM大跌，首钢NEC重创，一去不复返。后来，首钢NEC成为NEC的海外代工基地，退出了DRAM产业。二是华虹NEC，1997年由NEC与华虹集团合资成立。华虹NEC于1999年9月开始采用8英寸0.35微米制程技术生产当时主流的64MDRAM内存芯片。2001年后，随着NEC退出DRAM市场，华虹也退出了DRAM产业。2004年，中国开始了在DRAM产业的第二次尝试。这次出手的是中芯国际。当时，中芯国际在北京投资建设了中国大陆第一家12英寸晶圆厂（Fab4）。2006年量产80nm工艺，为奇梦达、尔必达生产DRAM。好景不长。2008年，由于中芯国际业务调整，退出了DRAM业务。第二次尝试失败了。2015年中国DRAM采购额约为120亿美元，占全球DRAM供应量的21.6%。严重依赖进口的现状促使中国开始了DRAM业务的第三次尝试。这种尝试最具代表性的是武汉、合肥和厦门的三个内存基地。在国家和地方产业政策的帮助下，这些基地投入大量资金（超过2500亿元）发展半导体存储技术和培养人才。目前国内在DRAM领域比较有代表性的企业有合肥长鑫、福建晋华、紫光国芯、兆易创新、北京思诚、东芯半导体、南亚科技（中国台湾）、华邦电子（中国台湾）、PSMC（中国台湾）等。合肥长鑫是国内DRAM存储芯片的龙头企业。他们的DRAM技术主要来自破产的德国DRAM厂商奇梦达和日本厂商尔必达。2019年9月20日，合肥长鑫宣布中国大陆首家12英寸DRAM工厂投产，并发布了首款采用19nm工艺制造的8GDDR4，具有历史性的突破。据机构测算，2022-2023年合肥长鑫的产能有望达到12.5万片。福建晋华，大家应该都听说过。几年前，他们受到了美国政府的制裁，这个消息闹得沸沸扬扬。2016年5月，福建晋华与联电合作生产小众DRAM。2017年12月，美光指控福建晋华和联电盗用自家存储芯片技术。2018年1月，福建晋华也对美光提起专利侵权诉讼。2018年10月，福建晋华被列入出口管制实体清单。2018年11月，美国司法部起诉联电和福建晋华窃取美光商业机密。一番折腾后，联电实在忍不住了。2019年1月底，联电宣布退出福建晋华DRAM项目。2021年11月，联电与美光达成和解。目前，福建晋华的审核还没有完整的最终结果。结论不错，写了这么多，洋洋洒洒，看到的都是真爱。总之，DRAM内存是电脑、手机等产品的重要组成部分，也是数字基础设施不可或缺的“一部分”。目前，国产DRAM内存已经基本解决了可用性问题。下一步就是要解决提高良品率和爬坡产能的问题。在融资能力、产业链支撑、人才梯队等方面，仍需继续加强，谨慎前行。有望早日打破“三强”格局，在DRAM领域占据更重要的位置。参考资料：1.《这场DRAM技术困局谁来破？》，王凯琪，全球半导体观察；2.《DRAM江湖之美国演义》,新光社;3.《存储技术发展历程》,谢长生;4.《DRAM芯片国产化替代进程曲折、前途光明》，湘财证券，王攀，王文瑞；5、《存储大厂又一次豪赌》，半导体行业观察；6、《存储芯片行业研究报告》、国信证券；7、《国产存储等待一场革命》、付斌、国科；几乎;10、百度百科、维基百科相关词条。
