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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

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2019.11

　　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

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　　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。