芯片破壁者(四):兵戈未息的DRAM战场

作者: 脑极体 来源: 脑极体 2020-07-14 14:35

在《芯片破壁者》系列的前三篇中,我们依次讲述了晶体管、硅材料、光刻技术的时代变局。

至此,制造一块集成电路(IC)芯片的前期准备已经就绪。接下来就是大家熟悉的剧情,半导体作为基石,成就了今天无处不在、繁花似锦的网络世界。

而在众多半导体芯片分支当中,计算机必不可少的存储器,就如同宇宙的暗物质一样隐秘,却占据着非常重要的位置。

说它隐秘,是因为在电脑硬件的发展史中,存储器所引发的市场舆论与处理器、显卡等相比,用“默默无闻”形容也不过分。

然而,沉默并不代表不重要,事实上,作为市场容量最大的芯片存储器, 围绕DRAM所发生、你死我活的搏杀,绝对算得上“惊心动魄”。举个例子,开创DRAM产业的“三巨头”:英特尔、德州仪器和IBM,最终都在DRAM市场惨淡收场。

DRAM不仅对电子技术的发展起到了推动作用,更在各国半导体战争中扮演着举足轻重的角色。今天,我们不妨嗅着战火硝烟的气息,回归那些令人唏嘘的历史现场。

星条旗的陨落:美日半导体战争的侧影

当我们回过头去,分析一个缔造了DRAM商业传奇的国家产业区位是如何从兴盛走向衰颓,可以找到许多重要的历史节点。比如许多人都将1970年代看做是美国DRAM产业的转折点,也是从此时起,美日进入了旷日持久的半导体抢位赛。

但我更想将时间拨到60年代。在迈进光辉的70年代之前,德州仪器用行动证明了列宁的一句话——资本家为了利益,可以出卖绞死自己的绳子。

这根绞死美国DRAM市场主导权的绳子,就是DRAM专利。

在此之前,美国企业之间固然有竞争,但都收获颇丰。

不论是发明了金属氧化物半导体(MOS)晶体管来制作存储器芯片的IBM,还是制造出第一个商用DRAM芯片、磁芯存储器杀手C1103的英特尔,紧随其后进行拆解仿制的德州仪器,亦或是由德州仪器出走的工程师成立的莫斯泰克……上世纪70年代,是这些美国DRAM厂商的黄金时代,它们垄断了全球的半导体存储器份额。

1974年,英特尔占据了全球82.9%的DRAM市场份额。70年代后期,莫斯泰克64K容量的MK4164一度占据了全球DRAM市场85%的份额。

(莫斯特克4K DRAM)

但产业失败转移的伏笔,其实早在1966年就已经埋下。

那一年,美国德州仪器为了打开贸易保护的日本市场,以自己拥有的IC制程核心专利进行引诱。日本通产省在拿到技术与保护本国市场之间绞尽脑汁,最终在两年后由日本索尼与德州仪器签订了协议,同意美方在日本设立合资公司,双方各占股50%,条件是三年内,德州仪器必须向日本公开相关技术专利。

原本就在集成电路领域有所部署的日本半导体企业,拿到了梦寐以求的核心技术,这下还犹豫什么?“搏一搏,单车变摩托”!

日本内存行业龙头的NEC公司,很快成为日本第一家研制出DRAM内存的企业。1970年,英特尔研制出C1103 1K DRAM内存后,日本NEC在第二年就推出了采用NMOS工艺的1K DRAM内存。

当然,此时的美国在技术上依然拥有超强的领先优势。同期,美国DRAM已经用上了超大规模集成电路(VLSI),而日本还停留在上一代技术大规模集成电路(LSI)。

这样下去当然不行,于是日本政府大手一挥,1976年3月启动了"DRAM制法革新"国家项目。政府出资320亿日元,日立、NEC、富士通、三菱、东芝五大企业联合筹资400亿日元,共计2.36亿美元投入到国家性科研机构——“VLSI技术研究所”中。

项目成立后,800多名技术精英加入,共同研制日本的高性能DRAM制程设备。短期目标是突破64K DRAM和256K DRAM的实用化,长期则计划在10-20年内,实现1M DRAM的实用化。

“氪能改命”在半导体的世界也同样适用。花足了钱的日本很快追上了美国的技术脚步,1978年,美国IBM、莫斯泰克、德州仪器发布了64K DRAM大规模集成电路产品。同一时刻,日本的64K DRAM产品也问世了。日本也借此顺利打入国际市场,集成电路的出口迅速增加。

也是由此时起,日本在DRAM市场的霸主地位逐步稳固。

1985年10月,英特尔宣布退出DRAM市场,关闭了生产DRAM的七座工厂,离开舞台。

1986年,美日签订第一次《美日半导体协议》时,美国半导体产品在日本市场占有率被放宽到了20%。但此时的日本早已非吴下阿蒙,凭借此前积累的技术研发优势,顺利抵抗住了美国制裁。

也是在这一年,日本NEC开发出世界第一块4M DRAM。到了1988年,全球20大半导体厂商中,日本占据了11家,NEC、东芝、日立包揽了前三名,将摩托罗拉、德州仪器甩在了身。次年,IBM也将合资工厂出售给东芝,退出了DRAM市场。

至此,星条旗降下DRAM的桅杆,武士刀正式称王,日本成为世界第一大半导体生产国。

有意思的是,NEC率领的日本军团在70年代末杀入,击碎了美国企业在DRAM领域的光环。但英特尔放弃DRAM、转入代表未来的微处理器领域,也是受日本企业的启发。1970年,在英特尔的高光时刻,一个日本电脑商Busicom前来下订单,要定制一个包含ROM、RAM和CPU等12个芯片的处理系统,并预付了6万美元。正是这份技术含量颇高的订单,促使英特尔在当年相继拿出了4001(动态内存DRAM)、4002(只读存储器ROM)、4003(寄存器)、4004(微处理器CPU)等四颗芯片,为后来开发出8008微处理器奠定了基础。

生与死,协作与博弈,就这样以沉默的姿态,在时代的长河中被反复冲刷。有的沉积为河床,有的继续向前奔涌。

武士刀的夹击:小红靠捧,大红靠命

向前奔涌的DRAM领域“后浪”日本,并没能浪出多远。

短短两年后,日本在全球半导体产业的市场份额就滑落到了50%以下。这种令业界咋舌的速度,来自产业内外的双重夹击。

在内部,率先交付4M DRAM产品的日本企业并没有像预期的那样转暖,市场价格花罗,日系厂商们不得不减产来稳定物价。

这边日本在减产,而日本扶持的韩国厂商则抓住机会,三星、现代、LG和大宇全部安排资金,进入了DRAM领域。它们的核心策略就是——价格战!

1983年,三星集团出资1000亿韩元(约1.33亿美元),进军半导体产业,并聚焦在DRAM领域。资金到位了,技术从哪里来呢?德州仪器、摩托罗拉等家大业大,当然不需要卖技术;日本NEC、东芝、日立等公司也不可能自掘坟墓。最后,是在被在日本廉价DRAM产品的挤压中喘息的美光科技将64K DRAM的技术授权给了韩国三星。

“专利贩子”三星又从夏普买来了量产制程设备,就此上位。

产品做了还要有出路。1986年,受美日半导体协议的约束,日本企业被迫缩减对美国的出口,三星也在此时上位,在美国市场大获成功。次年实现盈利后,三星又积极投入到1M DRAM的研发,继续追赶日本企业。

日本企业一想,价格战谁不会。果断以低于韩国产品成本一半的价格大量抛售,打算以此劝退韩国企业。结果韩国最不缺的就是财团,它们怀抱着“伤敌一千、自损八百”的气势,跟日本硬刚,不仅抗住了巨额的亏损,还继续追加投资。

一通操作下来,韩国半导体企业没有被逼退,反而具备了赶超日本的技术体系。1992年的时候,韩国三星就率先推出了全球第一个64M DRAM产品,超越日本NEC成为世界第一大DRAM内存制造商,从此就没下来过。

1995年,微软即将发布Windows 95操作系统,日本DRAM厂商试图借此契机反攻,夺回王座。

结果一边是韩国厂商一起扩张产能,导致DRAM价格狂跌,日本厂商布局了个寂寞;接下来,1997年的亚洲金融危机又加重了市场衰退,全球DRAM晶圆厂都面临亏损风险。一朝被蛇咬的日本厂商,自然不敢继续追加投资。

日本的步伐一保守,韩国厂商就开始高歌猛进。1996年时,韩国三星电子的DRAM芯片出口额达到62亿美元,稳居世界第一。

从此,日本DRAM产业可说是一蹶不振。富士通、东芝等相继退出了DRAM市场,NEC、日立、三菱则将DRAM部门合并成立尔必达,希望以此对抗三星。

结局大家也都知道了,2012年尔必达的破产,正式敲响了日本DRAM企业的丧钟。

泡菜的滋味,海峡两岸都想了解

美国的扶持,为韩国厂商带来了崛起的机遇,也埋下了致命的隐患。

一是核心供应链受制于人。1994年,韩国政府推出了半导体设备国产化项目,总预算2000亿韩元(2.5亿美元),鼓励韩国企业投资设厂,搭建自主的设备和原料供应链。完整的产业链当然不能一蹴而就,仅1995年,韩国就从美国和日本进口了价值25亿美元的半导体生产设备。

二是商业模式难以为继。长期价格战的结果就是,韩国DRAM厂商背负着巨额债务前行,自然成也资本,败也资本。在1997亚洲金融危机中成功逼退日本厂商的同时,韩国企业的平均负债也达到了518%。但很快,建立在资本沙石上的韩国DRAM产业也开始摇摇欲坠,现代、大宇等财团濒临破产,三星也不得不裁员30%、抛售资产。

在这种境况下,三星还是拒绝了欧美收购三星电子的提议,变卖更多资产留住了半导体的火种。

神奇的事情又来了,将16K/64K SRAM技术转让给韩国现代电子的陈正宇博士,在1984年回到中国台湾,创建了茂矽电子(Mosel)。此时,虽然整个台湾的半导体产值只有3.82亿美元,但依然在积极布局产业板块的下一次位移。

另一个重要的人员变动,是1985年,时任德州仪器副总裁的张忠谋回到台湾设立IC代工厂,解决茂矽等DRAM厂商缺少生产的难题。1987年,台积电成立;同年,华邦电子成立,与茂矽共享技术成果。

放在现在来看,台湾在当时并不缺人,美国半导体企业败退后,一大批硅谷华人也选择了回台湾创业,这些研究人员支撑起了台湾半导体的技术天定;也并不缺钱,1990年,台湾砸58.8亿元(约2亿美元)启动了“次微米制程技术发展五年计划”,以拿下4M SRAM和16M DRAM的生产能力。

产业界的参与热情也十分高涨,1993年,台湾湾电脑主板生产厂力捷电脑的董事长黃崇仁向日本东芝要货(DRAM)被拒,就决定投资4亿新台币成立了力晶半导体。1995年,台湾龙头企业台塑集团也设立了8英寸DRAM厂。

但目前来看,台湾DRAM厂商的技术主要来自于美国、日本的授权,尽管生产成本低,但技术费用却很高,占到了销售额3%以上。

从日本、美国获得制程技术授权。每年付出的技术费用,再加上巨额进口设备投资,使得台湾企业根本无法与掌握自主技术研发能力的韩国企业竞争。世界先进的垮台,最终导致如同无根之木,注定了失败命运。

在技术方面缺乏自主研发能力,成为勒住台湾DRAM产业脖颈的绳索。

当然,美日韩等一系列全球DRAM半导体结构性变化中,中国存储厂商的动作也同样精彩。

落地到产业竞逐机遇上,移动端与大数据、AI、云计算等新产业的兴起,正在给DRAM领域带来新的技术更迭。

比如能耗上如何满足数据中心的绿色需求、降低移动设备的耗电量,容量增长速度满足商用需求等等,在产业洗牌的同时,也成为中国半导体产业逆袭的“终南捷径”。这部分,我们将放在本系列的单独篇章中着重笔墨去讲解。

在中国大陆、中国台湾的积极进取之下,韩国DRAM厂商必将在一段时间内,都处于危机感在线的紧张时期。

下一站:DRAM的威慑纪元

至此我们不难从DRAM产品上看到半导体行业的破局之难:

有技术不行,没有技术更不行。存储器产品设计相对简单,日本厂商作为新进者能够很快与技术领先的美国军团相匹敌,是国际贸易政策、国内产业环境、企业文化氛围等等共同造就的。

光投资不行,没有投资更不行。DRAM每一次制程的更新换代,都需要大量的投入,所以日本、韩国等的产业集群上位,都离不开“举国体制”的资本输血。比如日本政府就为半导体企业提供了高达16亿美元的巨额资金,韩国研发4M DRAM时政府承担了57%的研发费用,用三年时间追平了与日本的技术差距。

但即便舍得投资,在缺乏专利、技术自主等的背景下,追赶依然是一件难事。

价格战不行,没有价格优势也不行。成本可以随着产量规模的来弥补,但制程的微缩、技术的迭代,会让价格成本抢夺出的市场空间逐渐缩小,长期的多方位扶持是必不可少的。

三星在90年代连续9 年巨亏,韩国政府和国内财团的资金支持(提供政策性贷款)就起到了关键的输血作用。

总的来看,技术密集+资本密集的产业特性,企业发力+政府支撑的进击需求,交织出了DRAM集成电路产业群的残酷搏杀。

在这些前提条件的基础上,是否能像日本这样有长期在美国顶尖实验室工作的电子人才,像韩国遇到美日半导体争端那样的历史窗口,像全球大型计算机兴起的产业推动,才有可能获得一次登上王座的机会。

十万年前,人类的祖先为了留下信息,在石头上砸出刻痕,从此,存储方式就成为信息技术的支柱。而DRAM产业历经半个世纪的区位变化,除了技术本身的竞逐,也是经济与政治的博弈。这是一场真正的,现代战争。


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