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崩盘与重生,DRAM芯片50年兴衰

2022-12-09
作者: L晨光
来源:半导体行业观察

  2022年,智能手机、PC等消费电子市场需求放缓,供需失衡之下,库存持续上升,存储芯片市场不可避免受到严重影响。

  TrendForce表示,DRAM价格自年初以来就一路走跌,下半年合约价每季跌幅更超过10%,显见需求市场的严峻;闪存市场同样呈现供过于求的状态,导致第三季wafer价格跌幅达30%-35%,预计第四季NAND价格持续下探。

  Gartner此前观点表示,全球半导体市场疲软期至少将持续到2023 年,预计明年的半导体收入将下降2.5%左右。而存储芯片市场的下滑势头会更大,可能突破10%。

  世界半导体贸易统计协会(WSTS)给出的预测更为悲观。其表示,受到存储芯片市场急剧冷冻所拖累,2023年的全球半导体市场规模将萎缩4.1%至5570亿美元,存储芯片市场则将出现17%的降幅。

  市场的供过于求强烈推动了存储市场进入下行周期,存储芯片的头部厂商正努力跨越“寒冬”。

  在存储产业阵阵寒意再次涌上心头之际,我们来回顾一下存储行业的发展历程,以求从中汲取经验,反哺行业发展。

  以史为镜,可以知兴替。

  存储行业兴起于上实际60年代,是半导体行业重要的细分领域,约占整个半导体行业的25%。DRAM和NAND闪存为存储芯片行业中占比最高的两个分支,销售总额占据了整个存储芯片行业90%以上的市场份额。

  存储行业的发展历程大致可分为3个阶段。1990年以前,DRAM为存储芯片市场上主要的产品,且伴随少量的EPROM和EEPROM;1990年至2000年,NOF Flash开始逐步占据一定比例的市场份额;2000年以后,NAND Flash开始爆发式增长,其市场规模直逼DRAM, 而NOF Flash的市场规模于2006年达到顶峰后开始逐渐下滑,但于近两年又开始有微小上升趋势。

  存储行业的主要玩家伴随历史发展发生了显著的变化,霸主地位由一开始的美国企业(1969-1984年)逐步转移到日本(1985-1996年),最后再转移到韩国企业(1996-现在)。

  据WSTS统计,目前在DRAM市场,三星、美光、SK海力士合计占比约94%;NAND Flash领域,三星、铠侠、SK海力士、西部数据、美光、英特尔合计占比约98%。

  DRAM产业“第六次大萧条”

  相比于过去两年的“一芯难求”,随着消费电子市场进入下滑周期,以DRAM为代表的芯片需求正在快速下滑。

  DRAM产业正在被贴上“第六次大萧条”、“产业下行”、“市场寒冬”的标签。纵观内存芯片全球发展史,围绕DRAM产业发展而产生的激烈竞争此起彼伏。

  1966年,来自IBM的罗伯特·登纳德成功研发出MOS型晶体管+电容结构,半导体存储器的发展从此开启。

  行业发展早期,Intel依靠DRAM量产实现一家独大。由于当时大中型计算机使用的磁鼓存储器笨重昂贵,Intel向计算机用户大力宣传DRAM,1972 年凭借 1K DRAM 取得巨大成功。服务于HP、DEC等重要客户,IBM在新推出的S370/158大型计算机上,也开始使用DRAM内存。

  1974年,英特尔DRAM产品的全球市场份额达到惊人的82.9%。就在英特尔在DRAM领域赚得盆满钵满的同时,竞争对手也在迅速崛起。1973年,美国德州仪器(TI)、莫斯泰克(Mostek)、日本NEC等厂商先后进入DRAM市场。

  其中,Mostek利用技术升级成为市场霸主,70年代后期,Mostek一度占据了全球DRAM市场85%的份额。可惜,没过多久,因遭遇资本市场的恶意收购,公司发展遭遇较大障碍。Mostek被UTC收购,后来又转卖给了意法半导体。1978年,几位从Mostek公司离职的技术人员,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,也就是后来的存储巨头——Micron(美光)。

  Mostek是内存界第一个败退的巨头,也为美国群雄接下来的连续崩溃埋下了伏笔。

  除了国内竞争对手之外,英特尔面临的更大威胁来自国外。1970年代,经济高速崛起的日本看到DRAM市场潜力后,在70年代末期以举国体制发展DRAM技术,成立了VLSI联合研发体。在VLSI项目的帮助下,1977年日本成功研制出了64K DRAM,追平了美国公司的研发进度。

  随后日本 DRAM 产业进入增长爆发期。到了1980年代中期,富士通、日立、三菱、 NEC、东芝等一众日本厂商继续发力,凭借质量和价格优势,快速占领全球市场,开始反超美国公司。

  1984年,日立生产的DRAM内存已开始采用1.5um生产工艺,三菱甚至公开4M DRAM关键技术。到1986年,仅东芝一家,每月1M DRAM产量就超过100万块。

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  由于日本廉价DRAM的大量倾销,美光被迫裁员一半,只得向美国政府寻求帮助;Intel也深陷泥潭,无奈退出DRAM市场。

  另外,1983-1985年游戏机市场的崩盘,市场销量下降到只有之前的10%不到,也是导致内存严重过剩,导致了Intel和国家半导体等美国厂商退出DRAM领域的一个重要原因。

  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%。

  然而,就在日本半导体厂商横扫存储市场的时候,外部政治环境开始发生了微妙的变化。1985年日美关系发生转变,美国主导的《广场协议》以及对日本半导体产品发起反倾销诉讼,致使日本产品性价比极速下降。

  在接二连三的打击下,日本半导体产品市场份额一落千丈,很快丧失了主导权。

  此时产业的发展机会转向了韩国,韩国三星、LG、现代、大宇等财阀集团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。其中,三星通过购买专利叠加自研的方法迅速崛起,随后在 DRAM领域继续保持着高投入研发,最终实现技术超越成为新巨头。

  1998年韩企在DRAM份额超过日本企业。

  DRAM产业经历了几十多年的发展,如果用一个词来形容这四十年,那就是——“腥风血雨”。

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  2001年,因为现代电子从现代集团中拆分,公司改名为海力士。同年美光完成收购德州仪器的内存部门,随着1999年到2001年内存行业整合结束,三星、美光、海力士、英飞凌四家掌握有全球近八成的DRAM市场份额。

  在经过日韩两国之间不断的价格战,激烈竞争的大浪淘沙后,DRAM市场玩家剩下三星、SK海力士、奇梦达、美光、尔必达这五家。

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  2007年微软推出Vista系统,提高了对内存的消耗,各大厂商纷纷扩大产能以应对市场需求,结果Vista销量平淡,供过于求的DRAM价格便一路下滑,并在2008年全球金融危机中跌破材料成本。

  此时的三星为了提高市场占有率,不惜亏本扩大产能加剧行业亏损,导致奇梦达和尔必达接连被淘汰。在历经多年搏杀后,全球DRAM厂商逐渐从“群雄逐鹿”变成“三足鼎立”。

  2016年手机内存需求的快速增长导致全球内存芯片缺货,而内存条价格也跟着水涨船高。据Business korea报道,内存价格大涨的背后可能不全是市场因素,是三星、美光等存储公司通过削减产量、减少供应的方式,抬高了DRAM的价格。

  可见,商业世界里,一个行业高度垄断可能造成的结果是:头部厂商有可能操纵产量和价格,用低价来挤垮竞争对手,或用涨价来谋取暴利。

  DRAM产业最大的特点就是其周期性规律。业内人士曾指出:DRAM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。

  “逆周期投资”法宝

  四十年前,全球大概有几十家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。

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

  第一次“逆周期投资”

  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。

  彼时,日美激战正酣,DRAM市场普遍不景气,价格大跌,从1984年初的每片4美元下降到1985年的30美分。而三星推出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,并开发更大容量的DRAM。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。并且赶上日本半导体被美国压制,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“逆周期投资”

  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”,投资兴建8英寸硅片生产线来生产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。

  然而,到了1995年底,各厂商8英寸晶圆厂投产后,导致产能急剧增加,使得DRAM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,奠定了行业领军地位。

  直到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。

  同年,在激烈的竞争环境下,DRAM行业发生了若干重大变化:

  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);美国存储厂商美光收购德州仪器内存部门;日本方面,日立、NEC、三菱电机的DRAM业务整合,抱团成立了尔必达。

  欧洲方面,西门子集团的半导体部门独立,成立了亿恒科技,2002年改名为英飞凌。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。

  然而好景不长,随着互联网泡沫破碎,2000年全球遭遇互联网危机。PC市场遭受重创,DRAM的市场需求也急速下降,而三星、美光、海力士、英飞凌等龙头企业刚经历扩产,价格又迎来了跳水,DRAM市场规模从288亿美元腰斩至110亿美元。

  经济危机过后,DRAM市场从低谷中逐渐恢复。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:三星(韩)、SK海力士(韩)、奇梦达(德)、美光(美)和尔必达(日)。

  第三次“逆周期投资”

  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。

  更残酷的是,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,行业面临洗牌。

  就在众厂商哀鸿遍野时,三星第三次举起了“反周期”屠刀,决定将三星电子总利润的118%投入DRAM扩张业务,进而加剧行业亏损,给艰难度日的对手们压上最后一根稻草。

  当年排名第三的德系厂商奇梦达成为倒在2009年春天的第一个大厂。自此,欧洲玩家正式退出DRAM 市场。2012年初,曾经的DRAM头部厂商尔必达也支撑不下去了,宣布破产,曾经占据DRAM市场50%以上份额的日本,也输掉了最后一张底牌。

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  总结来看,三星充分利用了存储器行业的强周期特点,在价格下跌,生产过剩,其他企业削减投资的时候,逆势疯狂扩产,通过大规模生产进一步下杀产品价格,从而逼竞争对手退出市场甚至直接破产,世人称之为“逆周期投资”。

  三星的逆周期投资已经成为半导体界的一段传奇故事。

  至此,DRAM领域形成了三星、SK海力士、美光“三足鼎立”的局面。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。

  之后,三大DRAM厂商为提高自身市占率 ,继续大打价格战,DRAM价格不断下跌。2017-2018年,受益于数据中心、智能手机市场需求,DRAM市场迎来增长。服务器DRAM、移动DRAM需求成长,DRAM厂商的供应量增长低于市场需求量,DRAM价格一路上扬。此外,运算加密货币所需的绘图型DRAM推动了市场供不应求加剧。

  2019 年,由于前期产能扩张和去库存因素,存储芯片价格下跌较多。加密货币市场价格崩塌、智能手机市场进入成熟期,驱动市场进一步需求疲软,DRAM价格跌幅最高达37%。

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  1994年以来,DRAM江湖经历了五次大萧条。目前,DRAM行业又处于多周期叠加下的“寒冬”,DRAM产业的第六次萧条或许正在路上。

  DRAM江湖:从群雄割据,到三分天下

  总体上来说,DRAM产业每3-5年都经历“需求提出-供不应求-价格上涨-扩充产能-产能过剩-价格下跌-重新洗牌”的过山车,如此不断循环。

  纵观 DRAM发展历史,DRAM产业具备成长和周期双重属性,围绕成本、技术、品质等为核心竞争要素,而背后需要企业在融资能力、产业链配套及人才梯队等全方位储备,考验企业系统性的资源调动能力。

  DRAM行业早期竞争激烈,参与者众多,70 年代是市场分水岭。1972 年,Intel 凭借 1K DRAM研发取得成功,迅速占领市场。同时期,IBM 和德州仪器也开始入局。1973 年,PC 需求放缓对半导体产业造成冲击。德州仪器和各大日本厂商抓住时机进入内存市场,Intel 市场份额快速下降。80 年代,日本厂商凭借低价的优势份额持续提升,韩国三星也在此时开始布局DRAM。1984 年,Intel 开始退出市场;1998 年,德州仪器将存储业务出售给美光;1999年 IBM 也将合资工厂出售给东芝并退出市场。

  过去50多年的发展历程中,存储企业间搏杀惨烈,王朝几经更替。美国、日本、德国、韩国、中国台湾的选手,怀揣巨额筹码,兴高采烈地走进来,却在输光之后黯然离场。无数名震世界的产业巨头轰然倒地,就连开创DRAM产业的三大元老——英特尔、德州仪器和IBM,也在商业厮杀中含恨退出了DRAM市场。

  经过大浪淘沙后,英特尔、IBM、英飞凌、Motorola、德州仪器、日立、三菱、东芝、松下、现代、LG等厂商纷纷退出了DRAM江湖。

  近10年来DRAM市场集中度逐渐上升,当前全球DRAM厂商的数量不到10家,形成了三星电子、SK海力士、美光三足鼎立的格局,在DRAM市场呼风唤雨,赚得盆满钵满。2021年,三巨头总共占有94%的DRAM市场份额。

  NAND闪存,35年跌宕起伏

  另一边,NAND闪存市场同样激烈。

  在日美激战正酣的1984年,东芝(2017年4月东芝存储器集团从东芝公司剥离,并于2019年10月正式更名为KIOXIA,中文名为铠侠)跨时代地提出了“闪存”概念,宣告一个新时代的到来。

  遗憾的是,Flash闪存并没有得到东芝公司的充分重视。相比已经开跑多年的DRAM,以及日本DRAM正强势碾压美国,刚面世的NAND闪存在东芝眼里瞬间黯然失色。

  直到三年之后,东芝才根据闪存的概念发明出了全球第一块NAND闪存芯片,为之后的电脑、智能手机、数据中心等许多新应用奠定了技术基础。

  整个90年代末,受益于手机、数码相机、便携式摄像机、MP3播放器等消费数码产品的爆发,Flash市场规模迅猛提升。当时,市场一片繁荣,参与的企业也数量众多。

  此时的闪存市场,竞争开始加剧,英特尔、三星、东芝等厂商互不相让地追逐NAND闪存的制高点。

  进入21世纪,NAND Flash崛起的势头更加迅猛。

  在互联网泡沫与美国的围追堵截之下,2001财年,东芝在巨额亏损之下彻底剔除DRAM,将DRAM业务卖给了美光。之后便决意重拾此前不被自己重视的NAND闪存业务。

  三星则一路披荆斩棘,将NAND闪存的容量从1G升到2GB、4Gb、8Gb、16Gb、32Gb、64Gb,在工艺方面,三星成功开发出90nm、70nm、50nm、40nm、30nm。

  虽然退出DRAM市场,但在闪存领域,英特尔并未放弃。1992年,英特尔第一款NAND闪存产品姗姗来迟,容量为12MB。

  在这场技术竞赛中,单打独斗不是市场的主旋律。东芝联手闪迪,英特尔则选择了美光。

  在DRAM争霸赛中发展良好的美光,在NAND闪存领域比其余几家存储企业出发都晚。2005年,英特尔与美光成立合资公司IM Flash,珠联璧合一方面是抵御三星与东芝的冲击,另一方面则是押注未来,全力进军3D NAND。

  2007年,手机进入智能机时代,乔布斯在旧金山的马士孔尼会展中心,从口袋中掏出了那款影响世界的iPhone,再次对闪存市场技术格局造成影响。

  基于芯片性能和应用需求,NOR Flash的市场份额开始被NAND Flash大量取代。NAND闪存迎来黄金期,同时各家企业在新技术上的竞赛也更加激烈。

  也是在这一年,2D NAND走到头。这一次东芝又引领了潮头,独辟蹊径发布基于BiCS技术的3D NAND。而三星并没有借鉴东芝的结构,反而另辟蹊径选择了VG垂直栅极结构的V-NAND闪存。

  闪存行业进入3D时代。此后数年,英特尔与美光、东芝(铠侠)、SK海力士以及三星走在在追逐更高密度,更高层数的道路上。

  产业发展初期,朝气蓬勃,各家企业都能找到属于自己的生态位,产业一旦进入成熟期,并购加剧,马太效应之下生态位要么扩张,要么被蚕食。2010年之后,整个闪存行业动荡不安,收购事件此起彼伏,一方面巩固自身优势,另一方面弥补短板。

  LSI收购Sandforce、闪迪收购IMFT、 苹果收购Anobit、Fusion-io收购IO Turbine。其中美光与SK海力士是最为活跃的两家企业。

  据统计,美光在2010完成对闪存制造商Numonyx的并购,2012年收购PCle虚拟化解决方案供应商Virtensys,2015年收购SSD控制器初创公司Tidal,2019年正式收购IM Flash。SK海力士则在2012年收购意大利NAND闪存开发商Ideaflash,并在2021年拿下英特尔的NAND闪存业务。

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  而英特尔与美光这一对战友对技术路线出现了分歧。2019年,英特尔与美光正式结束了在NAND Flash技术方面长达14年的合作关系。最终美光收购了IM Flash,英特尔则独自建立了NAND Flash和3D XPoint存储器研发团队,但没多久,英特尔就彻底放下了NAND Flash,如同其当年放下DRAM一样。这一决定算是宣告英特尔对NAND闪存的告别,同时也切断了基于3D XPoint技术打造出傲腾(Optane)产品线,同时也为英特尔的存储之路彻底地画上句号。

  英特尔告别赛场之后,将一部分财产留给了昔日战友美光,另外的场地留给了后起之秀SK海力士。2021年12月底,SK海力士以90亿美元的价格接手了英特尔NAND闪存业务及SSD业务,后在美国成立NAND闪存解决方案提供商Solidigm。2021年第四季度,海力士加上Solidigm的市场总份额来到了全球第二,仅次于三星。

  通过市场博弈和整合并购,NAND Flash领域的玩家数量越来越少。最终,形成了由三星、SK海力士、铠侠、西部数据、美光等巨头为主导的集中型市场。

  NAND的江湖春秋

  自1987年发明NAND闪存以来,经过了35年的跌宕起伏,有前浪退出,也有后浪涌进。东芝雄霸市场、三星一跃龙门、美光与SK海力士强势突围,以及退出赛场的英特尔,都为NAND Flash市场演绎了一场横跨时空的精彩剧情,并创写了属于自己的江湖春秋。

  从WSTS公布的出货量数据来看,NAND闪存的发展大致可以分为三个阶段。2000年至2016年间,NAND闪存出货量呈现线性增长趋势;2016年至2018年,出货量相对稳定;2018年之后,受益于数据中心市场增长,NAND闪存出货量随之增加。

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  从NAND闪存市场的角度看,随着2001年以后音乐播放器、数码相机、手机等领域疾速增长,NAND闪存市场需求持续上扬,出货量以线性趋势持续增加。

  发展至今,大数据、云计算、元宇宙等新兴领域的快速发展,对NAND产品的容量、性能、功耗提出了更高的要求。在技术没有代际差异的情况下,NAND产品趋于标准化同质化,成本、堆叠层数和市场规模正在成为NAND产业接下来的竞争焦点。一系列闪存厂商再次纷纷加速技术演进和市场布局,以争夺NAND闪存市场的主导权。

  写在最后

  回顾存储行业的发展历史,应用市场的更迭、供需关系的改变和存储芯片的价格波动主导了众多存储公司的命运,催生了市场新格局。

  行业厂商的起起伏伏也展示了市场判断对于企业经营的重要性。存储芯片市场由于其周期性和产线投产时间长等缘故,扎堆投资,就容易造成供过于求,进而使半导体公司出现亏损、生产线荒废、人员解散,又会导致市场紧缺,价格上升,又开始建立新的或者改善原生产线。这种情况下,如何对市场周期进行预判,又如何度过低迷期,都对各家存储企业提出了极高的要求。

  当前,存储市场再次吹起下行的寒风,存储厂商在先进技术方面的竞争不见颓靡。

  无论是第五代10nm级DRAM技术,还是更高层数堆叠的NAND Flash,存储大厂都在积极发力,以保持市场领先地位,并满足市场对高容量、高性能产品需求,呈现出持续发展的潜能。

  与此同时,存储厂商们也在布局未来的潜力市场。虽然移动、PC等消费市场呈现出疲软态势,但云、服务器、高性能运算、车用与工控等领域结构性增长需求不减,半导体市场结构化增长的特征,为存储原厂的增长提供了坚实后盾。

  尽管存储市场需求近期疲软,但长期需求趋势依然强劲,数字化的浪潮已经不可逆转,存储市场长久来看必然是向更高更大的格局迈进。

  回顾过往几十年存储行业发展脉络,起起伏伏正如传奇投资人John Templeton所言:“牛市在悲观中萌生,在怀疑里成长,在乐观中登顶,在亢奋里寂灭”。

  存储市场的兴衰也大抵如此。



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