韓國(guó)曾經(jīng)是一個(gè)農(nóng)業(yè)國(guó)家，1960年代開(kāi)始工業(yè)化進(jìn)程，其半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的歷史始于1965年，最早以半導(dǎo)體組裝起家。在諸多芯片板塊中，韓國(guó)最為成功的當(dāng)屬其在存儲(chǔ)領(lǐng)域所取得的地位。
在70-80年代DRAM和閃存概念開(kāi)始發(fā)展的時(shí)候，韓國(guó)并沒(méi)有存在感。1984年之前，以英特爾為代表的美國(guó)芯片制造商是主要的內(nèi)存芯片玩家。1984-1994年期間，日本芯片制造商對(duì)DRAM發(fā)起猛攻，超越美國(guó)主導(dǎo)了內(nèi)存市場(chǎng)，也因此，1985年以存儲(chǔ)起家的英特爾退出了DRAM業(yè)務(wù)，開(kāi)始轉(zhuǎn)攻CPU。但是1994年-2004年的十年，韓國(guó)的存儲(chǔ)芯片廠商一路過(guò)關(guān)斬將登上存儲(chǔ)的主舞臺(tái)，且一直持續(xù)到現(xiàn)在。
全球內(nèi)存DRAM和NAND閃存收入的地理分布
在傳統(tǒng)存儲(chǔ)領(lǐng)域，韓國(guó)已經(jīng)贏了一次，韓國(guó)一個(gè)這么小的國(guó)家貢獻(xiàn)了世界近三分之二的內(nèi)存芯片，韓國(guó)的三星和SK海力士是韓國(guó)乃至全球存儲(chǔ)行業(yè)的霸主。根據(jù)2022年的數(shù)據(jù)，三星電子和SK海力士占據(jù)了全球NAND閃存芯片約50%的市場(chǎng)份額。在DRAM領(lǐng)域，這兩家公司更是占據(jù)主導(dǎo)地位，占據(jù)了全球近70%的市場(chǎng)份額。現(xiàn)在，韓國(guó)想在存儲(chǔ)領(lǐng)域再贏一次，怎么贏呢？
韓國(guó)在存儲(chǔ)芯片大獲成功的幾點(diǎn)原因
知史可明鑒，首先，讓我們來(lái)看看韓國(guó)在存儲(chǔ)芯片領(lǐng)域是如何獲得成功的呢？
大額的研發(fā)投入：1983年，三星開(kāi)始積極進(jìn)軍半導(dǎo)體領(lǐng)域，從DRAM開(kāi)始入手。SK海力士也是這時(shí)候誕生，由現(xiàn)代汽車建立。在1987-1992年間，三星公司的平均資本支出占收入的比例為39.8%，幾乎是行業(yè)平均水平21%的近兩倍。在DRAM方面的研發(fā)投入也是其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的兩倍。正是這些巨額的投資才讓三星在1992年成為全球收入最高的DRAM生產(chǎn)商，如今，三星占據(jù)全球43%的DRAM市場(chǎng)份額（2021年IC insights的數(shù)據(jù)）。
向下一代晶圓尺寸及時(shí)過(guò)渡：三星等韓國(guó)DRAM生產(chǎn)商率先投資更大直徑的晶圓。這種策略帶來(lái)了豐厚的回報(bào)，因?yàn)樵O(shè)備供應(yīng)商為最初的少數(shù)（冒險(xiǎn)）客戶提供折扣。在 90 年代初期，該行業(yè)可以選擇從 6 英寸晶圓轉(zhuǎn)移到 8 英寸晶圓。但這段時(shí)間恰逢DRAM市場(chǎng)衰退，日本芯片制造商對(duì)投資8英寸產(chǎn)能尤為猶豫。然而，資本雄厚的三星則沒(méi)有這樣的顧慮，是業(yè)內(nèi)第二家（僅次于IBM）轉(zhuǎn)向8英寸晶圓的公司。也因此，三星在8 英寸設(shè)備價(jià)格上獲得了15%的折扣，并早早受益于8英寸制造的1.8倍更高的生產(chǎn)率。在當(dāng)時(shí)競(jìng)爭(zhēng)激烈的DRAM產(chǎn)業(yè)中，無(wú)論是設(shè)備折扣優(yōu)勢(shì)還是良率的提高，都讓三星嘗到了不小的甜頭。
同樣，在2000年代初期從8英寸到 12 英寸晶圓的轉(zhuǎn)變中，三星也是早期參與者。三星獲得了24%的設(shè)備價(jià)格折扣，過(guò)渡到12英寸之后，三星的制造生產(chǎn)力提高了2.3倍。這為三星在2000年代初期擴(kuò)大了市場(chǎng)份額。
逆勢(shì)擴(kuò)產(chǎn)，價(jià)格戰(zhàn)擊敗競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手：在2008年左右，DRAM價(jià)格跌破成本價(jià)，然而三星電子卻將前一年的利潤(rùn)全部用于擴(kuò)大產(chǎn)能，通過(guò)增大產(chǎn)能來(lái)發(fā)動(dòng)價(jià)格戰(zhàn)，一舉擊敗了德國(guó)的奇夢(mèng)達(dá)和日本國(guó)家隊(duì)爾必達(dá)。
低成本制造的優(yōu)勢(shì)：就生產(chǎn)制造而言，韓國(guó)要比美國(guó)和日本的制造成本更低，韓國(guó)的企業(yè)所得稅在25%范圍內(nèi)，美國(guó)和日本為35%-40%。韓國(guó)的勞動(dòng)力成本也明顯較低。再加上當(dāng)時(shí)韓國(guó)政府對(duì)企業(yè)給予了5-10年的免稅期和低息貸款等支持。所有這些都使得在韓國(guó)生產(chǎn)制造存儲(chǔ)芯片的成本更低，這一因素也在韓國(guó)存儲(chǔ)領(lǐng)域的成功中發(fā)揮了重要的作用。
韓國(guó)在存儲(chǔ)芯片上的成功還有諸多因素的影響，包括天時(shí)地利人和，政府的支持等等。總的來(lái)說(shuō)，韓國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的崛起離不開(kāi)多方面的支持和努力。
在存儲(chǔ)領(lǐng)域的繼續(xù)進(jìn)擊
近年來(lái)，隨著中國(guó)等國(guó)家在存儲(chǔ)領(lǐng)域的崛起，韓國(guó)存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)的地位已經(jīng)不再穩(wěn)固。因此，韓國(guó)存儲(chǔ)企業(yè)需要加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一席之地。
在NAND Flash領(lǐng)域，最重要的是持續(xù)的性能改進(jìn)和每比特成本的降低，因此，為了降低每比特成本，需要增加堆疊層數(shù)，同時(shí)降低堆疊層之間的間距。如今各廠商在3D NAND 蓋樓方面的競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。在3D NAND增加層數(shù)方面，SK海力士處于領(lǐng)先地位。目前SK海力士的3D NAND存儲(chǔ)器為238層，2022年11月，三星宣布一開(kāi)始量產(chǎn)其大概為236層的3D NAND存儲(chǔ)器，這是其第八代V-NAND。而且SK海力士在ISSCC 2023的會(huì)議上，提交了一篇論文，展示了他們開(kāi)發(fā)出300層以上的3D NAND技術(shù)，可以以194GBps的速度讀取數(shù)據(jù)。
而在DRAM領(lǐng)域，其在工藝上的演進(jìn)和擴(kuò)展呈現(xiàn)出放緩趨勢(shì)，Techinsights分析師指出，隨著10nm制程的臨近，DRAM在晶圓上定義電路圖案已經(jīng)接近基本物理定律的極限。由于工藝完整性、成本、單元泄漏、電容、刷新管理和傳感裕度等方面的挑戰(zhàn)，DRAM存儲(chǔ)單元的縮放正在放緩。而且即使是通過(guò)EUV光刻，平面縮放也不足以在下一個(gè)十年提供行業(yè)所需的位密度改進(jìn)。
為了進(jìn)一步擴(kuò)展DRAM，從而降低成本和功耗，并提高速度。單片3D DRAM技術(shù)成為存儲(chǔ)巨頭們正在探索的技術(shù)。Yole在2022年年初曾經(jīng)報(bào)道，三星電子準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)世界上第一個(gè) 3D DRAM，并正在加速 3D DRAM 的研發(fā)。SK海力士也正在大力投入其中。但3D DRAM的未來(lái)還有很多的不確定性。
總之，在傳統(tǒng)存儲(chǔ)領(lǐng)域，存儲(chǔ)廠商們還需要不斷在創(chuàng)新材料、工藝、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品來(lái)挑戰(zhàn)DRAM和NAND技術(shù)的擴(kuò)展限制，才能繼續(xù)維持住其在存儲(chǔ)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
發(fā)力新型存儲(chǔ)，韓國(guó)想再贏一次
隨著超大規(guī)模人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等下一代創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)存技術(shù)不僅要提供高性能、低功耗、低成本和高容量等所有傳統(tǒng)價(jià)值，而且還要提供更智能的解決方案，來(lái)有效消除所謂內(nèi)存墻的固有問(wèn)題。
因此，在保證傳統(tǒng)的DRAM和NAND存儲(chǔ)芯片繼續(xù)發(fā)展之余，韓國(guó)近日公布了首份芯片產(chǎn)業(yè)研發(fā)藍(lán)圖，該藍(lán)圖中其中很重要的一個(gè)規(guī)劃是開(kāi)發(fā)下一代存儲(chǔ)芯片，涉及下一代芯片器件、鐵電RAM、磁RAM、相變RAM和ReRAM，或電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。
三星和SK海力士作為韓國(guó)的兩大關(guān)鍵性支柱，都投入了大量資金來(lái)研究RRAM、PCM、MRAM等新型的內(nèi)存技術(shù)。
在新型存儲(chǔ)領(lǐng)域，三星正在追逐MRAM。在IEDM 2022上，三星介紹了其在MRAM上的進(jìn)展。三星研究人員介紹了有關(guān) 28 納米嵌入式磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (MRAM) 技術(shù)的信息。該器件的寫入能量?jī)H為 25 pJ/bit，有效功率要求為 14mW（讀取）和 27mW（寫入），數(shù)據(jù)速率為 54 MB/s。該器件封裝為 30 平方毫米，容量為 16Mb，耐用性非常高（>1 個(gè) E14 周期）。摘要稱，將 MTJ 縮小到 14 納米 FinFET 節(jié)點(diǎn)后，面積縮小提高了 33%，讀取時(shí)間加快了 2.6 倍。三星正在將 MRAM 視為 AI 和其他需要大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序的低泄漏工作存儲(chǔ)器（高速緩存）。三星的研究人員聲稱，他們開(kāi)發(fā)的這個(gè)產(chǎn)品是有史以來(lái)最小、最節(jié)能的非易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。
上圖顯示了嵌入14納米邏輯平臺(tái)的三星eMRAM位單元陣列的橫截面TEM視圖
與此同時(shí)，三星還在存內(nèi)計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)行了深度的探索。2022年1月，三星的研究團(tuán)隊(duì)在自然雜志上發(fā)表了“用于內(nèi)存計(jì)算的磁阻存儲(chǔ)設(shè)備交叉陣列”的論文。該論文中指出，他們成功地開(kāi)發(fā)了一種MRAM陣列芯片，該芯片通過(guò)用一種新的“電阻和”內(nèi)存計(jì)算架構(gòu)取代標(biāo)準(zhǔn)的“電流和”內(nèi)存計(jì)算架構(gòu)來(lái)演示內(nèi)存計(jì)算，該架構(gòu)解決了單個(gè)MRAM設(shè)備的小電阻問(wèn)題。根據(jù)這家韓國(guó)跨國(guó)公司研究團(tuán)隊(duì)提供的數(shù)據(jù)，通過(guò)評(píng)估其在人工智能計(jì)算中的性能，該內(nèi)存成功通過(guò)了測(cè)試，在分類手動(dòng)輸入數(shù)字時(shí)達(dá)到了 98% 的準(zhǔn)確率，在不同場(chǎng)景中檢測(cè)人臉時(shí)達(dá)到了 93% 的準(zhǔn)確率。通過(guò)將MRAM(已經(jīng)在系統(tǒng)半導(dǎo)體制造中實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的存儲(chǔ)器)引入內(nèi)存計(jì)算領(lǐng)域，這項(xiàng)工作擴(kuò)展了下一代低功耗人工智能芯片技術(shù)的前沿。
而SK海力士則青睞于鐵電存儲(chǔ)器（FeRAM）和相變存儲(chǔ)器（PCM）。
早在2000年，還是現(xiàn)代電子的SK海力士就開(kāi)發(fā)出了新型鐵電RAM；2001年，SK海力士又開(kāi)發(fā)出了1M FeRAM，它采用0.35微米工藝技術(shù)，以100ns（1ns = 1/ 10 億秒）的速度在 3V 至 5V 范圍內(nèi)運(yùn)行；2003年，SK海力士推出全球首款商用兆級(jí) FeRAM，F(xiàn)eRAM樣品采用4Mb和8Mb密度，采用海力士先進(jìn)的0.25um工藝技術(shù)制造，工作電壓為3.0伏，數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)間為70納秒，能夠進(jìn)行1000億次讀/寫重復(fù)。這是一個(gè)重要的行業(yè)里程碑。
SK海力士首款商用FeRAM（鐵電 RAM）
SK海力士還在探索將鐵電材料應(yīng)用于傳統(tǒng)的3D NAND架構(gòu)，隨著3D NAND設(shè)法通過(guò)堆疊更多層來(lái)繼續(xù)提高位密度，它面臨著具有挑戰(zhàn)性的工藝復(fù)雜性，例如高縱橫比接觸蝕刻和薄膜應(yīng)力控制，由單元接近所引起的設(shè)備性能下降也是一個(gè)問(wèn)題。SK海力士正在通過(guò)探索堆疊高度縮放、新材料和新的3D NAND單元架構(gòu)來(lái)解決這些障礙。在IMW 2022上，SK海力士使用傳統(tǒng)的3D NAND制造工藝展示了具有多級(jí)功能的3D鐵電NAND器件。
將鐵電材料應(yīng)用于傳統(tǒng)的3D NAND架構(gòu)
在相變存儲(chǔ)器領(lǐng)域的研究上，SK海力士早在2012年就開(kāi)始與IBM合作開(kāi)發(fā) PRAM。2021年，SK海力士宣布，該公司已將PUC(Peri Under Cell) 技術(shù)和指定算法應(yīng)用于其 PRAM，滿足其在性能和成本上被歸類為存儲(chǔ)類內(nèi)存的要求。PUC技術(shù)是將外圍電路放在單元下方的單元上，以減小芯片尺寸并提高生產(chǎn)率。SK海力士表示，與10納米以下的存儲(chǔ)器相比，PRAM在縮放方面的限制更少。它也是無(wú)定形的，因此很容易以3D方式堆疊。PRAM結(jié)合了DRAM和NAND閃存的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。
圖源：SK海力士
SK海力士的革命技術(shù)中心 (RTC) 一直在研究?jī)?nèi)存中的模擬計(jì)算（ACIM），SK海力士認(rèn)為存內(nèi)計(jì)算可能會(huì)同時(shí)為計(jì)算和內(nèi)存帶來(lái)價(jià)值。他們已經(jīng)成功展示了16級(jí)基于RRAM的突觸單元平臺(tái)，這些平臺(tái)具有良好的設(shè)置/重置特性，并能嵌入到 CMOS 技術(shù)中。
結(jié)語(yǔ)
隨著如NAND Flash和DRAM等傳統(tǒng)存儲(chǔ)的擴(kuò)展逐漸飽和，新型存儲(chǔ)技術(shù)成為韓國(guó)存儲(chǔ)領(lǐng)域玩家不得不重視的一點(diǎn)。但是這些新型存儲(chǔ)技術(shù)的研究不是為了來(lái)取代傳統(tǒng)存儲(chǔ)，而是在延遲、生產(chǎn)力方面更好的對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。未來(lái)，不同種類的存儲(chǔ)技術(shù)會(huì)共存，共同來(lái)滿足未來(lái)市場(chǎng)應(yīng)用的不同需求。憑借在新型存儲(chǔ)等領(lǐng)域的布局，韓國(guó)能否再贏一次呢？
【來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察】
