韓國芯片 想再贏一次

韓國曾經是一個農業國傢，1960年代開始工業化進程，其半導體產業的歷史始於1965年，最早以半導體組裝起傢。在諸多芯片板塊中，韓國最為成功的當屬其在存儲領域所取得的地位。

在70-80年代DRAM和閃存概念開始發展的時候，韓國並沒有存在感。1984年之前，以英特爾為代表的美國芯片制造商是主要的內存芯片玩傢。1984-1994年期間，日本芯片制造商對DRAM發起猛攻，超越美國主導瞭內存市場，也因此，1985年以存儲起傢的英特爾退出瞭DRAM業務，開始轉攻CPU。但是1994年-2004年的十年，韓國的存儲芯片廠商一路過關斬將登上存儲的主舞臺，且一直持續到現在。

全球內存DRAM和NAND閃存收入的地理分佈

在傳統存儲領域，韓國已經贏瞭一次，韓國一個這麼小的國傢貢獻瞭世界近三分之二的內存芯片，韓國的三星和SK海力士是韓國乃至全球存儲行業的霸主。根據2022年的數據，三星電子和SK海力士占據瞭全球NAND閃存芯片約50%的市場份額。在DRAM領域，這兩傢公司更是占據主導地位，占據瞭全球近70%的市場份額。現在，韓國想在存儲領域再贏一次，怎麼贏呢？

韓國在存儲芯片大獲成功的幾點原因

知史可明鑒，首先，讓我們來看看韓國在存儲芯片領域是如何獲得成功的呢？

大額的研發投入：1983年，三星開始積極進軍半導體領域，從DRAM開始入手。SK海力士也是這時候誕生，由現代汽車建立。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%，幾乎是行業平均水平21%的近兩倍。在DRAM方面的研發投入也是其他競爭對手的兩倍。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生產商，如今，三星占據全球43%的DRAM市場份額（2021年IC insights的數據）。

向下一代晶圓尺寸及時過渡：三星等韓國DRAM生產商率先投資更大直徑的晶圓。這種策略帶來瞭豐厚的回報，因為設備供應商為最初的少數（冒險）客戶提供折扣。在 90 年代初期，該行業可以選擇從 6 英寸晶圓轉移到 8 英寸晶圓。但這段時間恰逢DRAM市場衰退，日本芯片制造商對投資8英寸產能尤為猶豫。然而，資本雄厚的三星則沒有這樣的顧慮，是業內第二傢（僅次於IBM）轉向8英寸晶圓的公司。也因此，三星在8 英寸設備價格上獲得瞭15%的折扣，並早早受益於8英寸制造的1.8倍更高的生產率。在當時競爭激烈的DRAM產業中，無論是設備折扣優勢還是良率的提高，都讓三星嘗到瞭不小的甜頭。

同樣，在2000年代初期從8英寸到 12 英寸晶圓的轉變中，三星也是早期參與者。三星獲得瞭24%的設備價格折扣，過渡到12英寸之後，三星的制造生產力提高瞭2.3倍。這為三星在2000年代初期擴大瞭市場份額。

逆勢擴產，價格戰擊敗競爭對手：在2008年左右，DRAM價格跌破成本價，然而三星電子卻將前一年的利潤全部用於擴大產能，通過增大產能來發動價格戰，一舉擊敗瞭德國的奇夢達和日本國傢隊爾必達。

低成本制造的優勢：就生產制造而言，韓國要比美國和日本的制造成本更低，韓國的企業所得稅在25%范圍內，美國和日本為35%-40%。韓國的勞動力成本也明顯較低。再加上當時韓國政府對企業給予瞭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生產制造存儲芯片的成本更低，這一因素也在韓國存儲領域的成功中發揮瞭重要的作用。

韓國在存儲芯片上的成功還有諸多因素的影響，包括天時地利人和，政府的支持等等。總的來說，韓國半導體產業的崛起離不開多方面的支持和努力。

在存儲領域的繼續進擊

近年來，隨著中國等國傢在存儲領域的崛起，韓國存儲產業的地位已經不再穩固。因此，韓國存儲企業需要加強技術創新，提高產品競爭力，才能在激烈的市場競爭中占據一席之地。

在NAND Flash領域，最重要的是持續的性能改進和每比特成本的降低，因此，為瞭降低每比特成本，需要增加堆疊層數，同時降低堆疊層之間的間距。如今各廠商在3D NAND 蓋樓方面的競爭異常激烈。在3D NAND增加層數方面，SK海力士處於領先地位。目前SK海力士的3D NAND存儲器為238層，2022年11月，三星宣佈一開始量產其大概為236層的3D NAND存儲器，這是其第八代V-NAND。而且SK海力士在ISSCC 2023的會議上，提交瞭一篇論文，展示瞭他們開發出300層以上的3D NAND技術，可以以194GBps的速度讀取數據。

而在DRAM領域，其在工藝上的演進和擴展呈現出放緩趨勢，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接近基本物理定律的極限。由於工藝完整性、成本、單元泄漏、電容、刷新管理和傳感裕度等方面的挑戰，DRAM存儲單元的縮放正在放緩。而且即使是通過EUV光刻，平面縮放也不足以在下一個十年提供行業所需的位密度改進。

為瞭進一步擴展DRAM，從而降低成本和功耗，並提高速度。單片3D DRAM技術成為存儲巨頭們正在探索的技術。Yole在2022年年初曾經報道，三星電子準備開發世界上第一個 3D DRAM，並正在加速 3D DRAM 的研發。SK海力士也正在大力投入其中。但3D DRAM的未來還有很多的不確定性。

總之，在傳統存儲領域，存儲廠商們還需要不斷在創新材料、工藝、結構和產品來挑戰DRAM和NAND技術的擴展限制，才能繼續維持住其在存儲領域的領先地位。

發力新型存儲，韓國想再贏一次

隨著超大規模人工智能和機器學習等下一代創新技術的發展，內存技術不僅要提供高性能、低功耗、低成本和高容量等所有傳統價值，而且還要提供更智能的解決方案，來有效消除所謂內存墻的固有問題。

因此，在保證傳統的DRAM和NAND存儲芯片繼續發展之餘，韓國近日公佈瞭首份芯片產業研發藍圖，該藍圖中其中很重要的一個規劃是開發下一代存儲芯片，涉及下一代芯片器件、鐵電RAM、磁RAM、相變RAM和ReRAM，或電阻式隨機存取存儲器。

三星和SK海力士作為韓國的兩大關鍵性支柱，都投入瞭大量資金來研究RRAM、PCM、MRAM等新型的內存技術。

在新型存儲領域，三星正在追逐MRAM。在IEDM 2022上，三星介紹瞭其在MRAM上的進展。三星研究人員介紹瞭有關 28 納米嵌入式磁性隨機存取存儲器 (MRAM) 技術的信息。該器件的寫入能量僅為 25 pJ/bit，有效功率要求為 14mW（讀取）和 27mW（寫入），數據速率為 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 E14 周期）。摘要稱，將 MTJ 縮小到 14 納米 FinFET 節點後，面積縮小提高瞭 33%，讀取時間加快瞭 2.6 倍。三星正在將 MRAM 視為 AI 和其他需要大量數據的應用程序的低泄漏工作存儲器（高速緩存）。三星的研究人員聲稱，他們開發的這個產品是有史以來最小、最節能的非易失性隨機存取存儲器。

上圖顯示瞭嵌入14納米邏輯平臺的三星eMRAM位單元陣列的橫截面TEM視圖

與此同時，三星還在存內計算領域進行瞭深度的探索。2022年1月，三星的研究團隊在自然雜志上發表瞭“用於內存計算的磁阻存儲設備交叉陣列”的論文。該論文中指出，他們成功地開發瞭一種MRAM陣列芯片，該芯片通過用一種新的“電阻和”內存計算架構取代標準的“電流和”內存計算架構來演示內存計算，該架構解決瞭單個MRAM設備的小電阻問題。根據這傢韓國跨國公司研究團隊提供的數據，通過評估其在人工智能計算中的性能，該內存成功通過瞭測試，在分類手動輸入數字時達到瞭 98% 的準確率，在不同場景中檢測人臉時達到瞭 93% 的準確率。通過將MRAM(已經在系統半導體制造中實現商業規模生產的存儲器)引入內存計算領域，這項工作擴展瞭下一代低功耗人工智能芯片技術的前沿。

而SK海力士則青睞於鐵電存儲器（FeRAM）和相變存儲器（PCM）。

早在2000年，還是現代電子的SK海力士就開發出瞭新型鐵電RAM；2001年，SK海力士又開發出瞭1M FeRAM，它采用0.35微米工藝技術，以100ns（1ns = 1/ 10 億秒）的速度在 3V 至 5V 范圍內運行；2003年，SK海力士推出全球首款商用兆級 FeRAM，FeRAM樣品采用4Mb和8Mb密度，采用海力士先進的0.25um工藝技術制造，工作電壓為3.0伏，數據訪問時間為70納秒，能夠進行1000億次讀/寫重復。這是一個重要的行業裡程碑。

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用於傳統的3D NAND架構，隨著3D NAND設法通過堆疊更多層來繼續提高位密度，它面臨著具有挑戰性的工藝復雜性，例如高縱橫比接觸蝕刻和薄膜應力控制，由單元接近所引起的設備性能下降也是一個問題。SK海力士正在通過探索堆疊高度縮放、新材料和新的3D NAND單元架構來解決這些障礙。在IMW 2022上，SK海力士使用傳統的3D NAND制造工藝展示瞭具有多級功能的3D鐵電NAND器件。

將鐵電材料應用於傳統的3D NAND架構

在相變存儲器領域的研究上，SK海力士早在2012年就開始與IBM合作開發 PRAM。2021年，SK海力士宣佈，該公司已將PUC(Peri Under Cell) 技術和指定算法應用於其 PRAM，滿足其在性能和成本上被歸類為存儲類內存的要求。PUC技術是將外圍電路放在單元下方的單元上，以減小芯片尺寸並提高生產率。SK海力士表示，與10納米以下的存儲器相比，PRAM在縮放方面的限制更少。它也是無定形的，因此很容易以3D方式堆疊。PRAM結合瞭DRAM和NAND閃存的優點，被認為是數據中心業務的關鍵技術。

圖源：SK海力士

SK海力士的革命技術中心 (RTC) 一直在研究內存中的模擬計算（ACIM），SK海力士認為存內計算可能會同時為計算和內存帶來價值。他們已經成功展示瞭16級基於RRAM的突觸單元平臺，這些平臺具有良好的設置/重置特性，並能嵌入到 CMOS 技術中。

結語

隨著如NAND Flash和DRAM等傳統存儲的擴展逐漸飽和，新型存儲技術成為韓國存儲領域玩傢不得不重視的一點。但是這些新型存儲技術的研究不是為瞭來取代傳統存儲，而是在延遲、生產力方面更好的對其進行補充。未來，不同種類的存儲技術會共存，共同來滿足未來市場應用的不同需求。憑借在新型存儲等領域的佈局，韓國能否再贏一次呢？