内存芯片发展历程：从诞生到竞争格局演变

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1958 年 9 月 12 日，德州仪器公司的杰克·基尔比成功将包括锗晶体管在内的五个元器件集成在一起，制造出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·诺伊斯基于硅平面工艺，发明了世界上第一块硅集成电路。这两位的发明意义重大，有力推动了电子器件微型化，为芯片时代全面到来奠定基础。

进入 20 世纪 60 年代，随着计算机技术发展，电子行业尝试将集成电路技术用于计算机存储领域。当时半导体存储技术分 ROM 和 RAM 两个方向，ROM 是只读存储器，数据断电不丢失，即外存；RAM 是随机存取存储器，用于存储运算数据，断电数据丢失，即内存。

1966 年，IBM Thomas J. Watson 研究中心的罗伯特·丹纳德率先发明了 DRAM 存储器（动态随机存取存储器），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，如今计算机内存、手机内存、显卡内存等都基于 DRAM 技术。1968 年 6 月，IBM 注册了晶体管 DRAM 的专利，不过因美国司法部反垄断调查，拖延了其 DRAM 产业化进度，给其他公司带来机会。1969 年，美国加州的 Advanced Memory System 公司生产出世界上第一款 DRAM 芯片（容量 1KB），销售给计算机厂商霍尼韦尔公司，霍尼韦尔发现工艺有问题后，找到英特尔公司。

英特尔公司由罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔等人于 1968 年共同创办，主要研制晶体管半导体存储器芯片。当时半导体工艺有双极型晶体管和场效应（MOS）晶体管两个研究方向，英特尔成立两个小组分别跟进。1969 年 4 月，双极型小组推出 64bit 容量的静态随机存储器（SRAM）芯片——C3101，这是英特尔第一款产品，主要客户是霍尼韦尔。场效应管小组也不甘落后，1969 年 7 月推出 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，场效应管小组成功推出自己的第一款 DRAM 芯片（也被认为是世界上第一款成熟商用的 DRAM 芯片）——C1103。C1103 推出后获得极大成功，成为全球最畅销的半导体内存，服务于 HP、DEC 等重要客户，英特尔也借此迅速发展壮大。1972 年，英特尔员工人数超 1000 人，年收入超 2300 万美元。1974 年，英特尔 DRAM 产品全球市场份额达 82.9%。

英特尔在 DRAM 领域赚得盆满钵满时，竞争对手迅速崛起。1973 年，美国德州仪器、莫斯泰克等厂商先后进入 DRAM 市场。德州仪器在英特尔推出 C1103 后进行拆解仿制，1971 年和 1973 年先后推出 2K 和 4K DRAM，成为强劲对手。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 于 1969 年创立，技术实力不俗。1973 年，他们推出 16 针脚的 DRAM 产品——MK4096，对英特尔市场地位形成挑战。1976 年，莫斯泰克公司推出 MK4116，采用 POLY-II（双层多晶硅栅）工艺，容量达 16K，获得巨大成功，将 DRAM 市占率提升到 75%。可惜，没过多久，因遭遇资本市场恶意收购，莫斯泰克公司股权结构大幅变动，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收购，后转卖给意法半导体。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地下室共同创立了镁光公司。

英特尔面临的更大威胁来自日本。20 世纪 70 年代，日本经济高速崛起，在半导体领域精心布局。1976 年，日本通过举国体制成立 VLSI 联合研发体，设有 6 个实验室，专门研究高精度加工技术、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。不久后，联合研发体成功攻克电子束光刻机、干式蚀刻装置等半导体核心加工设备，以及突出的制程工艺和半导体设计能力，为日本半导体行业腾飞奠定基础。1977 年，在 VLSI 项目帮助下，日本成功研制出 64K DRAM，追平美国公司研发进度。

到了 20 世纪 80 年代，日本厂商（富士通、日立、三菱、NEC、东芝等）凭借质量和价格优势开始反超美国公司。1986 年，日本存储器产品全球市场占有率升至 65%，美国则降至 30%。在惨烈的市场竞争下，美国英特尔公司 1985 年宣布放弃 DRAM 市场，唯一能在日系厂商夹缝中生存的只剩下摩托罗拉。

然而，1985 年，美苏冷战气氛减弱，日美贸易摩擦增加，美国里根政府主导《广场协议》逼迫日元升值，同时美国半导体协会发起对日本半导体等产品的反倾销诉讼，两国达成对日本半导体产品的价格监督协议。在这些打击下，日本半导体产品市场份额一落千丈，很快丧失主导权。

日本厂商让出的市场份额没被美国厂商拿走，而是被韩国占据。早在日本启动 VLSI 项目时，韩国政府在庆尚北道的龟尾产业区建立韩国电子技术研究所（KIET），高薪笼络美国半导体人才，集中研发集成电路关键技术。除 KIET 外，韩国三星、LG、现代和大宇等财阀也通过购买、引进技术专利及加工设备，对半导体技术进行消化吸收，积蓄技术力量。1984 年，三星半导体建成第一个存储器工厂，批量生产 64K DRAM。

从 20 世纪 80 年代至今，DRAM 产业发展可谓“腥风血雨”，因其最大特点是周期性规律，行业人士总结为“赚一亏二”。在这种规律下，DRAM 厂商要长期生存困难，需强大现金流、融资能力，维持高强度研发支出，保持团队稳定。在亏损周期需更多资金，繁荣周期扩充产能时机也需谨慎选择，否则可能供大于求导致盈利变亏损。四十年前全球约有 40 – 50 家 DRAM 厂商，如今只剩三家，竞争残酷。这四十年里，三星坚持下来并长期占据霸主地位，其采取“反周期投入”战略，即利用行业周期性，在行业低谷时竞争对手收缩规模，三星反而加大投入、扩大产能、打压价格，让对手加剧亏损甚至倒闭。

三星的第一次“反周期投入”发生在 20 世纪 80 年代中期。当时日美激战，DRAM 市场不景气，价格大跌，DRAM 芯片价格从 1984 年的每片 4 美元跌到 1985 年的每片 0.3 美元。三星建厂推出 64K DRAM 时生产成本是 1.3 美元 / 片，面对行业寒冬不仅没收缩投资，反而逆向投资扩大产能。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。关键时刻，韩国政府出手“救市”，投入近 3.5 亿美金，并以政府名义背书为三星拉来 20 亿美元的个体募资。后来，日本半导体被美国打压，加上 PC 电脑热销带来行业繁荣，三星顺利翻盘，迎来业绩增长，逐渐蚕食日本半导体企业让出的市场份额，占据市场主导地位。

1992 年，日本住友树脂厂爆炸，原材料供应紧张，内存价格暴涨，三星率先推出世界上第一个 64M DRAM。1993 年，全球半导体市场转弱，三星采取第二次“反周期投入”，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，刺激内存需求，带动内存价格上扬，三星投资获得回报。全球各大厂商后知后觉纷纷投资扩大产能，然而到 1995 年底，各厂商 8 英寸晶圆厂投产后，产能急剧增加，DRAM 供大于求，价格下跌，厂商被迫削减产量、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，奠定行业领军地位。1996 – 1998 年，DRAM 持续处于下行周期。1999 年，因互联网泡沫出现，DRAM 行业进入短暂繁荣阶段。这一年，行业发生诸多重大变化：韩系方面，韩国现代内存与 LG 半导体合并成立现代半导体，后又从现代集团拆分（2001 年），改名海力士；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，抱团成立尔必达；欧系方面，西门子集团的半导体部门独立成立亿恒科技，2002 年改名为英飞凌，2006 年，英飞凌科技存储器事业部拆分独立变成奇梦达。2000 年，全球 DRAM 市场份额前五名中有两家是韩系厂商，分别是排名第一的三星（23.00%）和排名第三的现代（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 市场需求急速下降，价格跳水。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）。

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，纷纷增加产能，但 Vista 销量很差，未带动内存市场，导致产能再次过剩。2008 年，金融危机爆发，DRAM 市场雪上加霜，内存价格一路下跌，甚至跌破材料成本。关键时刻，三星第三次祭出“反周期投入”杀招，进一步扩大产能，加剧行业亏损。2009 年春天，排名第三的德系厂商奇梦达宣布破产倒闭，欧洲厂商正式退出 DRAM 市场。2011 年，DRAM 供应量再次超过实际需求，价格暴跌，尔必达没能熬过去，宣布破产，标志着日本厂商全面退出 DRAM 产业。于是，五强变三强，DRAM 领域只剩下三星（韩）、镁光（美）、海力士（韩），三家公司市占率加起来超过 93%。

2011 年之后，DRAM 内存市场格局未发生重大变化，但用户需求和市场环境变化很大。除传统 PC 外，移动互联网和物联网高速发展，智能手机、可穿戴设备、物联网设备（摄像头等）迅速崛起，带动 DRAM 需求大增。云计算、大数据和 AI 人工智能发展推动数据中心数量增加，服务器和网络设备急剧增加，也刺激了 DRAM 销量增长。这些需求使 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。多产品场景的旺盛需求推动了 DRAM 价格上扬。2018 年左右，比特币等数字货币需求爆发，DRAM 市场迎来“黄金时期”。2019 年之后，因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，市场需求疲软，DRAM 再次进入低谷期。根据相关机构数据，从 2020 年下半年开始到 2022 年 5 月，属于 DRAM 市场好转期。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%，全面崩盘。机构预测四季度跌幅将进一步扩大。

从技术角度看，一直以来 DRAM 芯片以微缩制程提高存储密度，每次制程更新换代都需大量投入。以 30nm 更新到 20nm 为例，光刻掩模版数目增加 30%，非光刻工艺步骤数翻倍，对洁净室厂房面积要求因设备数上升增加 80% 以上。随着工艺制程不断微缩，增加的成本和收入差距逐渐缩小。2013 年左右，制程工艺进入 20nm 后制造难度大幅提升，18/16nm 之后在二维方向缩减尺寸不再具备成本和性能优势，于是 DRAM 芯片厂商开始研究 Z 方向扩展能力，推进 3D 封装。三星率先从封装角度实现 3D DRAM，采用 TSV 封装技术将多个 DRAM 芯片堆叠起来，大幅提升单根内存条容量和性能，后来各厂商纷纷跟进，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，即 DDR1 – DDR5。DRAM 三巨头都具备 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 目前表述和以前不同，以前直接用 40nm、20nm 等，现在因电路结构是三维的，出现 1X、1Y、1Z、1α、1β、1γ 之类术语表达制程。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）。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。

中国是全球半导体存储器重要市场之一，也是全球半导体存储厂商的“必争之地”，但国内 DRAM 产业发展远远落后于竞争对手。国内 DRAM 产业起步于 20 世纪 90 年代，当时日本 NEC 在中国大陆成立两家合资公司从事 DRAM 生产。第一家是 1991 年 NEC 和首钢合资成立的首钢 NEC，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），1997 年 DRAM 全球大跌价，首钢 NEC 遭受重创一蹶不振，后来沦为 NEC 海外代工基地，退出 DRAM 产业。第二家是 1997 年 NEC 和华虹集团合资成立的华虹 NEC，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 DRAM 产业。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%，严重依赖进口促使国内进行针对 DRAM 业务的第三次尝试。福建晋华前几年因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 生产。2017 年 12 月，镁光指控福建晋华和联电盗用其内存芯片技术。2018 年 1 月，福建晋华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。一番折腾后，联电扛不住了，2019 年 1 月底，联电宣布撤出福建晋华 DRAM 项目。2021 年 11 月，联电和镁光达成和解，目前福建晋华方面审查还没有完整的最终结果。

总之，DRAM 存储器是计算机、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“零件”。目前，国内 DRAM 存储器已基本解决有无问题，下一步要解决良品率提升和产能爬坡问题，在融资能力、产业链配套及人才梯队等方面还需不断加强，谨慎前行。期待早日打破“三强”格局，在 DRAM 领域占据更重要地位。

正文完