大浪淘沙：一文看懂内存芯片的发展史

芯师爷 2023-01-30

The following article is from 鲜枣课堂 Author 小枣君

1958年9月12日，来自德州仪器公司的杰克·基尔比（Jack Kilby），成功地将包括锗晶体管在内的五个元器件集成在一起，制作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·诺伊斯（Robert Norton Noyce），基于硅平面工艺，成功发明了世界上第一块硅集成电路。

杰克·基尔比（左），罗伯特·诺伊斯（右）

正如大家现在所知，这两位大佬的发明，拥有极为重要的意义。集成电路的出现，有力推动了电子器件的微型化，也为芯片时代的全面到来奠定了基础。

█ DRAM的诞生

进入1960年代后，随着计算机技术的发展，电子行业开始了将集成电路技术用于计算机存储领域的尝试。

当时，半导体存储技术被分为ROM和RAM两个方向。ROM是只读存储器，存储数据不会因为断电而丢失，也称外存。而RAM是随机存取存储器，用于存储运算数据，断电后，数据会丢失，也称内存。

今天，我们重点说说RAM这个领域。

1966年，来自IBM Thomas J. Watson研究中心的罗伯特·丹纳德（Robert H. Dennard），率先发明了DRAM存储器（动态随机存取存储器）。

罗伯特·丹纳德

这种存储器基于“MOS型晶体管+电容结构”，具有能耗低、读写速度快且集成度高的特点。直到现在，我们的计算机内存、手机内存、显卡内存等，都是基于DRAM技术。

1968年6月，IBM注册了晶体管DRAM的专利。但是，正当他们准备进行DRAM产业化的时候，美国司法部启动了对他们的反垄断调查。

这些调查拖延了IBM的DRAM产业化进度，从而给其它公司带来了机会。

不久后，1969年，美国加州的Advanced Memory System（先进内存系统）公司捷足先登，成功生产出了世界上第一款DRAM芯片（容量仅有1KB），并将其销售给计算机厂商霍尼韦尔公司（Honeywell）。

霍尼韦尔公司收到这批DRAM芯片后，发现工艺上存在一些问题。于是，他们找到了一家新成立的公司，请求帮助。

这家公司，就是1968年罗伯特·诺伊斯（前文提到的硅集成电路发明人）和戈登·摩尔（摩尔定律的提出者）等人共同创办的英特尔（Intel）。

罗伯特·诺伊斯（左）和戈登·摩尔（右）

英特尔公司成立后，主要业务就是研制晶体管半导体存储器芯片。

当时，半导体工艺主要有两个研究方向，分别是双极型晶体管和场效应（MOS）晶体管。英特尔自己也不知道哪个方向正确，于是，成立了两个研究小组，分别跟进两个技术方向。

1969年4月，双极型小组率先有了突破，推出了64bit容量的静态随机存储器（SRAM）芯片——C3101。这个芯片是英特尔的第一款产品，主要客户就是霍尼韦尔。

Intel C3101

场效应管小组也不甘落后，1969年7月，他们推出了256bit容量的静态随机存储器芯片——C1101。这是世界第一个大容量SRAM存储器。

1970年10月，场效应管小组再接再励，成功推出了自己的第一款DRAM芯片（也被认为是世界上第一款成熟商用的DRAM芯片）——C1103。

Intel C1103，有18个针脚，容量1Kbit，售价10美元。

C1103推出后，获得极大成功，很快成为全球最畅销的半导体内存，服务于HP、DEC等重要客户。

在C1103的帮助下，英特尔也迅速发展壮大。1972年，英特尔的员工人数超过1000人，年收入超过2300万美元。1974年，英特尔DRAM产品的全球市场份额达到惊人的82.9%。

英特尔的早期团队

就在英特尔在DRAM领域赚得盆满钵满的同时，它的竞争对手也在迅速崛起。

1973年，美国德州仪器（TI）、莫斯泰克（Mostek）等厂商先后进入DRAM市场。

德州仪器在英特尔推出C1103之后，就进行了拆解仿制，通过逆向工程，研究DRAM的架构和工艺。后来，1971年和1973年，他们先后推出了2K和4K DRAM，成为英特尔的强劲对手。

德州仪器，英特尔的老对手

莫斯泰克公司由德州仪器半导体中心的前首席工程师L.J.Sevin创立（1969年），技术实力同样不俗。

1973年，他们推出了16针脚的DRAM产品——MK4096，也对英特尔的市场地位形成了挑战（其它公司都是22针脚，针脚越少，制造成本越低）。

1976年，莫斯泰克公司又推出了MK4116，采用了POLY-II（双层多晶硅栅）工艺，容量达到16K。这款产品获得了巨大成功，一举逆转了市场竞争格局，将自己的DRAM市占率提升到了75%。

MK4116

可惜，没过多久，因为遭遇来自资本市场的恶意收购，莫斯泰克公司的股权结构大幅变动，管理层剧烈动荡，技术人员迅速流失，公司很快走入低谷。

1979年，该公司被美国联合技术公司（UTC）收购。后来，又转卖给了意法半导体。

1978年10月，四个莫斯泰克公司的技术人员离职，在爱达荷州一家牙科诊所的地下室，共同创立了一家新的存储技术公司。

这家公司，也就是后来的存储业巨头——镁光（Micron）。

镁光的创始人团队

█ 日本半导体的成与败

除了国内竞争对手之外，英特尔面临的更大威胁来自国外。更具体来说，是来自——日本。

1970年代，日本经济高速崛起。为了在全球科技产业链占据有利位置，他们在半导体技领域进行了精心布局。

1976年，日本通过举国体制，成立了VLSI联合研发体（VLSI：THE VERY LARGE SCALE INTEGRATED，超大规模集成）。

联合研发体一共设有6个实验室，专门进行高精度加工技术、硅结晶技术、工艺处理技术、监测评价技术、装置设计技术等领域的研究。

不久后，这个联合研发体就成功攻克了电子束光刻机、干式蚀刻装置等半导体核心加工设备，以及领先的制程工艺和半导体设计能力，为日本半导体行业的腾飞奠定了基础。

1977年，在VLSI项目的帮助下，日本成功研制出了64K DRAM，追平了美国公司的研发进度。

到了1980年代，日本厂商（富士通、日立、三菱、 NEC、东芝等）继续发力，凭借质量和价格优势，开始反超美国公司。

1986年，日本存储器产品的全球市场占有率上升至65%，而美国则降低至30%。

在惨烈的市场竞争下，美国英特尔公司直接宣布放弃了DRAM市场（1985年）。而唯一能够在日系厂商夹缝中生存的，只剩下摩托罗拉（Motorola）。

全球半导体企业排名（1987年）

螳螂捕蝉，黄雀在后。就在日本半导体厂商眼看就要一统江湖的时候，外部政治环境开始发生了微妙的变化。

1985年，美苏冷战气氛不断减弱，日美贸易摩擦不断增加。在巨大的财政赤字压力下，美国里根政府开始将注意力转移到打压日本经济上。

这一年，美国主导了著名的《广场协议》，逼迫日元升值。与此同时，美国半导体协会也发起了对日本半导体等产品的反倾销诉讼。后来，两国达成了对日本半导体产品的价格监督协议。

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，很快丧失了主导权。

█ 韩系半导体的崛起

那么，日本厂商让出来的市场份额，是不是被美国厂商拿走了呢？

并没有。

正所谓“螳螂捕蝉，黄雀在后”，日本厂商快速失势的同时，美国的另一个竞争对手又杀了出来，那就是——韩国。

早在日本启动VLSI项目的时候，韩国政府也没闲着。他们在庆尚北道的龟尾产业区建立了韩国电子技术研究所（KIET），高薪笼络美国的半导体人才，集中研发集成电路关键技术。

除了KIET之外，韩国三星、LG、现代和大宇等财阀，也看中了半导体技术的市场前景，通过购买、引进技术专利及加工设备，对其进行消化吸收，积蓄技术力量。

1984年，三星半导体建成了自己的第一个存储器工厂，批量生产64K DRAM。谁也没有想到，这个名不见经传的韩国企业，会变成日后的行业“巨无霸”。

话说，从1980年代至今，DRAM产业经历了将近四十年的发展。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，最大的特点就是其周期性规律。行业人士曾经总结：DRAM半导体存储，每赚钱一年，就要亏钱两年，所谓“赚一亏二”。

在这种强烈的周期性规律下，想要长期生存下去，是一件非常困难的事情。DRAM厂商需要有强大的现金流和融资能力，能够维持高强度的研发支出，保持团队的稳定。

在亏损周期，DRAM厂商需要更多的钱，才能够活下去。在繁荣周期，也不能大意。厂商在选择扩充产能时机时，需要非常谨慎。不然，就可能导致供大于求，盈利变亏损。

四十年前，全球大概有40-50家DRAM厂商。如今，只剩下三家，竞争之残酷，由此可见一斑。

这四十年里，有一家企业不仅坚持活了下来，还干掉无数对手，长期占据霸主地位。这家企业，就是前面提到的三星（Samsung）。

三星电子

三星的故事，有些同学可能听说过。他们采取了一个被无数商学院写入教材的“杀手锏”战略——反周期投入。

简单来说，反周期投入，就是利用行业周期性发展的特点，在行业进入低谷时，在竞争对手都收缩规模时，反其道而行之，加大投入，扩大产能，进一步打压价格，从而让对手加剧亏损，甚至倒闭。

换言之，就是大家玉石俱焚，但是我更有钱，把你焚死了，我再继续活。

三星这家公司，就是靠着韩国的举国之力，接二连三地采用“反周期投入”策略，干掉了无数对手，成为了半导体存储领域的老大。

接下来，我们就详细看看，这几十年到底发生了什么。

第一次“反周期投入”

三星的第一次“反周期投入”，就发生在前文所说的1980年代中期。

当时，日美激战正酣，DRAM市场普遍不景气，价格大跌。DRAM芯片的价格从每片4美元（1984年），跌到了每片0.3美元（1985年）。

三星建厂推出64K DRAM时，生产成本是1.3美元/片。面对行业寒冬，三星不仅没有收缩投资，反而开始逆向投资，扩大产能。

到1986年底，三星半导体累积亏损3亿美元，股权资本完全亏空，接近破产。

关键时期，韩国政府出手“救市”，总共投入近3.5亿美金，并且以政府名义背书，给三星拉来了20亿美元的个体募资。

后来，日本半导体被美国干翻，加上PC电脑进入热销期带来的行业繁荣，使得三星顺利翻盘，迎来业绩增长。

不久后，以三星为代表的韩系DRAM厂商，逐渐蚕食了日本半导体企业让出的市场份额，占据了市场的主导地位。

第二次“反周期投入”

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。这一年，三星率先推出世界上第一个64M DRAM。

1993年，全球半导体市场又开始转弱。这时，三星故技重施，采取了第二次“反周期投入”。他们投资兴建8英寸硅片生产线，用于生产DRAM。

1995年，微软公司Windows95视窗操作系统发布，极大地刺激了内存的需求，带动内存价格大幅上扬，三星的投资获得回报。全球各大厂商后知后觉，纷纷投资扩大产能。

好景不长，到了1995年的年底，各厂商8英寸晶圆厂投产后，导致产能急剧增加，反而使得DRAM变成供大于求。于是，卖方市场又变成了买方市场，价格又开始下跌。

在此情况下，厂商们被迫削减产量，减小投资规模。

三星继续扩大投资。1996年，三星推出世界上第一个1GB DRAM，奠定了自己的行业领军地位。

1996-1998年，DRAM持续处于下行周期。

1999年，DRAM价格下跌的趋势有所缓解。因为互联网泡沫的出现，DRAM行业进入了短暂的繁荣阶段。

这一年，在激烈的竞争环境下，内存行业发生了若干个重大变化：

韩系方面，韩国现代内存与LG半导体合并，成立现代半导体，后来，又从现代集团拆分（2001年），改名海力士（Hynix）。

美系方面，镁光收购德州仪器内存部门。

日系方面，日立、NEC、三菱电机的DRAM业务整合，抱团成立了尔必达（ELPIDA）。

欧系方面，西门子集团的半导体部门独立，成立了亿恒科技。几年后，2002年，改名为英飞凌（Infineon）。再后来，2006年，英飞凌科技存储器事业部拆分独立，变成了奇梦达（Qimonda）。

2000年，全球DRAM市场份额的前五名之中，有两家是韩系厂商，分别是排名第一的三星（23.00%），还有排名第三的现代（19.36%）。

不久后，互联网泡沫破碎，全球经济危机爆发。PC市场遭受重创，DRAM的市场需求也急速下降，价格又迎来了跳水。

2001年，DRAM市场规模从288亿美元腰斩至110亿美元。

2002-2006年，DRAM市场逐渐从低谷中恢复，整体增长形势良好。

2006年，三星开发出世界上第一个50nm工艺的1GB DRAM。海力士则开发出当时世界上最高速的200MHz 512MB Mobile DRAM。

那一时期，DRAM市场逐渐形成了五强格局，分别是：三星（韩）、SK海力士（韩）、奇梦达（德）、镁光（美）和尔必达（日）。

第三次“反周期投入”

2007年，微软推出Vista系统。该系统对内存消耗较大，DRAM厂商预期内存需求大增，于是纷纷增加产能。

但实际上，Vista销量很差，没有带动内存市场，导致产能再次过剩。

更悲催的是，2008年，金融危机爆发，导致DRAM市场雪上加霜。内存价格一路下跌，甚至跌破材料成本。

在这个关键时期，三星第三次祭出“反周期投入”的杀招，进一步扩大产能，加剧了行业亏损。

2009年春天，排名第三的德系厂商奇梦达宣布破产倒闭，欧洲厂商正式退出了DRAM市场。

奇梦达

2011年，DRAM供应量再次超过实际需求，价格暴跌。这一次，尔必达没能熬过去，宣布破产，标志着日本厂商全面退出了DRAM产业。

尔必达芯片

于是，五强变三强，DRAM领域只剩下三星（韩）、镁光（美）、海力士（韩）。三家公司的市占率加起来，超过了93%。

█ DRAM技术的现状

2011年之后，DRAM内存的市场格局没有发生什么重大变化。但是，DRAM的用户需求和市场环境，变化很大。

除传统PC之外，随着移动互联网和物联网的高速发展，智能手机、可穿戴设备、物联网设备（摄像头等）迅速崛起，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，又推动了数据中心的数量增加，从而带来了服务器和网络设备的急剧增加，也刺激了DRAM的销量增长。

这些需求，逐渐使得DRAM细分为标准型DRAM、移动型DRAM、绘图型DRAM、利基型DRAM等类别。

标准DRAM主要应用于PC、服务器等。移动型DRAM主要为LPDDR，应用于智能手机、平板电脑等场景。绘图型DDR用于显卡的显存（GDDR）。利基型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，推动了DRAM价格的上扬。2018年左右，比特币等数字货币的需求爆发，更是让DRAM市场迎来了难得的“黄金时期”。

2019年之后，由于前期产能扩张和去库存因素，内存价格下跌较多。加密货币市场价格崩塌、智能手机市场进入成熟期，使得市场需求疲软，DRAM再次进入低谷期。

根据相关机构发布的数据，从2020年下半年开始，到2022年5月，都属于DRAM市场的好转期。

今年6月开始，DRAM行情暴跌。6月份销量下降了36%，7月份又下降了21%，可以说是全面崩盘，惨不忍睹。根据机构预测，四季度跌幅将进一步扩大。

DRAM行情暴跌

接下来，我们再从技术的角度，看看这些年DRAM的发展。

一直以来，DRAM芯片都是以微缩制程的方式，来提高存储密度。

DRAM每一次制程的更新换代，都需要大量的投入。

以30nm更新到20nm为例，后者需要的光刻掩模版数目增加了30%，非光刻工艺步骤数翻倍。对洁净室厂房面积的要求，也随着设备数的上升而增加了80%以上。

以前，这些成本都可以通过单晶圆更多的芯片产出，以及性能带来的溢价，进行弥补。但是，随着工艺制程的不断微缩，增加的成本和收入之间的差距逐渐缩小。

2013年左右，当制程工艺进入20nm之后，制造难度大幅提升。18/16nm之后，继续在二维方向缩减尺寸，已不再具备成本和性能方面的优势。

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。也就是说，开始推进3D封装。

作为行业龙头，三星率先从封装角度实现了3D DRAM。他们采用TSV封装技术，将多个DRAM芯片堆叠起来，从而大幅提升单根内存条容量和性能。后来，各个厂商纷纷跟进，3D DRAM成为主流。

在产品标准方面，行业一般采用由固态技术协会（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三巨头，都具备了DDR5/LPDDR5的量产能力。三星正在捣鼓DDR6，据说2024年完成设计。

在芯片工艺制程上，DRAM目前的表述和以前有所不同。以前，都是直接40nm、20nm这么叫。现在，因为电路结构是三维的，所以线性的衡量方式不再适用，出现了1X、1Y、1Z、1α、1β、1γ之类的术语表达制程。

业界认为，10nm~20nm系列制程至少包括六代，1X大约等同于19nm，1Y约等同于18nm，1Z大约为16-17nm，1α、1β、1γ则对应12—14nm（15nm以下）。

图片来源：全球半导体观察

三星、SK海力士和镁光已在2016~2017年期间进入1Xnm阶段，2018~2019年进入1Ynm阶段，2020年后进入1Znm阶段。

目前，各大厂家继续向10nm逼近。最新的1αnm，仍处于10+nm阶段。

█ 中国DRAM产业的过去和现在

最后，我们再来看看国内的DRAM产业发展情况。

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厂商的“必争之地”。

但是，实事求是来说，我们自己的DRAM产业发展，远远落后于竞争对手。

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的生产。

第一家，是1991年NEC和首钢合资成立的首钢NEC。

首钢NEC从1995年开始，采用6英寸1.2微米工艺，生产4M DRAM（后来升级到16M）。后来，1997年DRAM全球大跌价，首钢NEC遭受重创，从此一蹶不振。后来，首钢NEC沦为NEC在海外的一个代工基地，退出了DRAM产业。

第二家，是1997年NEC和华虹集团合资成立的华虹NEC。

华虹NEC从1999年9月开始，采用8英寸0.35微米工艺技术，生产当时主流的64M DRAM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，中国又开始了DRAM产业的第二次尝试。这次有所行动的，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座12英寸晶圆厂（Fab4），2006年大规模量产80nm工艺，为奇梦达、尔必达代工生产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，宣告失败。

2015年，中国DRAM采购金额约为120亿美元，占全球DRAM供货量的21.6%。严重依赖进口的现状，促使国内开始了针对DRAM业务的第三次尝试。

这次尝试，最具代表性的，就是武汉、合肥和厦门三大存储器基地。这些基地借助国家和地方层面的产业政策，投入了大量资本（超过2500亿人民币），发展半导体存储技术，培养人才。

目前，国内在DRAM领域比较有代表性的企业是合肥长鑫、福建晋华、紫光国芯、兆易创新、北京矽成、东芯半导体、南亚科技（中国台湾）、华邦电子（中国台湾）、力积电（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技术主要来自于已破产的德系DRAM厂商奇梦达，以及日系厂商尔必达。

2019年9月20日，合肥长鑫宣布中国大陆第一座12英寸DRAM工厂投产，并发布了首个19nm工艺制造的8G DDR4，属于历史性突破。

根据机构预计，合肥长鑫的产能2022年到2023年将有望达到12.5万片。

福建晋华，大家应该会有所耳闻。前几年，他们被美国政府制裁，新闻闹得很大。

2016年5月，福建晋华与联电合作，进行利基型DRAM的生产。2017年12月，镁光指控福建晋华和联电盗用了自己的内存芯片技术。2018年1月，福建晋华也就专利侵犯向镁光提起诉讼。2018年10月，福建晋华被列入出口管制实体清单。2018年11月，美国司法部又以窃取镁光商业机密为由起诉联电和福建晋华。