從晉華DRAM事件出發(fā)，了解我國(guó)存儲(chǔ)芯片產(chǎn)業(yè)瓶頸在哪里

　　近來(lái)，關(guān)于福建晉華、臺(tái)灣聯(lián)華電子與美國(guó)美光有關(guān)DRAM專(zhuān)利侵權(quán)的事件成為產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)。從晉華和美光的三次互訴，到美國(guó)商務(wù)部對(duì)晉華禁售和聯(lián)電暫停與晉華的合作，在中美貿(mào)易戰(zhàn)背景下，這不禁讓人聯(lián)想到中興因美國(guó)制裁而運(yùn)營(yíng)停擺的事件。晉華事件走向如何尚不得而知，本文僅從專(zhuān)利與產(chǎn)業(yè)鏈角度，結(jié)合全球市場(chǎng)格局，解構(gòu)我國(guó)發(fā)展存儲(chǔ)芯片產(chǎn)業(yè)的困難、現(xiàn)狀和潛力。雖然存儲(chǔ)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展道阻且長(zhǎng)，但是我們別無(wú)選擇。

　　01

　　存儲(chǔ)芯片是什么

　　存儲(chǔ)芯片是半導(dǎo)體元器件中不可或缺的組成部分，幾乎存在于所有的電子設(shè)備中。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中扮演的角色越來(lái)越重要。

　　存儲(chǔ)芯片的種類(lèi)很多，按用途可分為主存儲(chǔ)芯片和輔助存儲(chǔ)芯片。前者又稱(chēng)內(nèi)存儲(chǔ)芯片(內(nèi)存)，可以與CPU直接交換數(shù)據(jù)，速度快、容量小、價(jià)格高。后者為外存儲(chǔ)芯片(外存)，指除內(nèi)存及緩存以外的儲(chǔ)存芯片。此類(lèi)儲(chǔ)存芯片一般斷電后仍然能保存數(shù)據(jù)，速度慢、容量大、價(jià)格低。按照斷電后數(shù)據(jù)是否丟失，可分為易失性存儲(chǔ)芯片和非易失性存儲(chǔ)芯片。易失性存儲(chǔ)芯片常見(jiàn)的有DRAM和SRAM，前者就是這次晉華事件的主角。非易失性存儲(chǔ)芯片常見(jiàn)的是NAND閃存芯片和NOR閃存芯片。

　　圖1 存儲(chǔ)芯片分類(lèi)

　　相對(duì)于CPU，存儲(chǔ)芯片的設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜度略低。但其技術(shù)含量依然非常高，對(duì)于行業(yè)后來(lái)者，絕非一朝一夕可以追趕。以此次晉華事件涉及的DRAM芯片為例，主要涉及五大類(lèi)技術(shù)。

　　存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)包括電容器設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)，是存儲(chǔ)芯片最核心的部分。電容器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，電路負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)的訪問(wèn)。常見(jiàn)的電容器有平面型電容器、溝槽型電容器和目前流行的堆疊型電容器。早期的存儲(chǔ)單元電路包含3個(gè)晶體管和一個(gè)電容器(3T1C)構(gòu)成，慢慢演變?yōu)?T1C或1T等多種類(lèi)型。

　　陣列架構(gòu)是存儲(chǔ)單元的矩陣排布形式，芯片通過(guò)wordlines和bitlines訪問(wèn)和控制存儲(chǔ)單元。常見(jiàn)的bitlines包括開(kāi)放式架構(gòu)、折疊式架構(gòu)等。同時(shí)陣列設(shè)計(jì)上還需要設(shè)計(jì)行、列冗余，以適應(yīng)可能出現(xiàn)的壞點(diǎn)等。

　　錯(cuò)誤檢測(cè)與修正用以解決存儲(chǔ)單元受環(huán)境、宇宙輻射導(dǎo)致的電位自發(fā)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。通常需要設(shè)計(jì)冗余存儲(chǔ)單元或額外的電路來(lái)檢測(cè)和修復(fù)這些錯(cuò)誤bits。另外，DRAM存儲(chǔ)芯片還包括芯片安全和芯片制造與封裝技術(shù)。

　　02

　　專(zhuān)利：集中于韓、日、美企業(yè)

　　我國(guó)存儲(chǔ)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚。目前，以投入NAND Flash市場(chǎng)的長(zhǎng)江存儲(chǔ)、專(zhuān)注于移動(dòng)存儲(chǔ)芯片的合肥長(zhǎng)鑫和致力于普通存儲(chǔ)芯片的福建晉華三大企業(yè)為主。但發(fā)展存儲(chǔ)技術(shù)，國(guó)際企業(yè)的專(zhuān)利壁壘是繞不過(guò)去的坎。

　　我們選取2000年1月1日至2018年10月31日的全球存儲(chǔ)專(zhuān)利分析發(fā)現(xiàn)，有效專(zhuān)利和專(zhuān)利申請(qǐng)最多的國(guó)家/地區(qū)依次是美國(guó)、韓國(guó)、日本、中國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣，如圖2。從這個(gè)數(shù)據(jù)看，我國(guó)(主要指大陸)專(zhuān)利并不弱。2002年就已經(jīng)有大量申請(qǐng)，2010后申請(qǐng)大量增加。

　　但是，從申請(qǐng)主體可以發(fā)現(xiàn)，如圖3，我國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)主要來(lái)自國(guó)際和中國(guó)臺(tái)灣的企業(yè)，如三星電子、旺宏電子、臺(tái)積電、SK海力士、美光科技、英特爾、華邦科技、IBM等。而申請(qǐng)前十的大陸企業(yè)只有中芯國(guó)際和兆易創(chuàng)新，且所申請(qǐng)專(zhuān)利多數(shù)是相對(duì)邊緣化的技術(shù)，還有部分前沿技術(shù)。

　　圖2 存儲(chǔ)芯片專(zhuān)利全球主要申請(qǐng)國(guó)家/地區(qū)及其申請(qǐng)趨勢(shì)

　　圖3 在中國(guó)申請(qǐng)專(zhuān)利的主要企業(yè)及其申請(qǐng)趨勢(shì)

　　從全球企業(yè)的專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)看，如圖4，目前以三星、SK海力士、東芝和美光科技四家企業(yè)占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。其中前三家是老牌專(zhuān)利巨頭，美光科技在2008年后申請(qǐng)逐漸增加，趕超東芝和海力士，直追三星。2007年后，旺宏電子、英飛凌、臺(tái)積電和富士通的申請(qǐng)明顯減少，可能來(lái)自金融危機(jī)的影響。這也印證了存儲(chǔ)芯片產(chǎn)業(yè)向頭部企業(yè)集中的趨勢(shì)，特別是韓、美、日三國(guó)的四家企業(yè)。

　　圖4 全球存儲(chǔ)芯片專(zhuān)利主要申請(qǐng)企業(yè)及其申請(qǐng)趨勢(shì)

　　圖5 高引用存儲(chǔ)芯片專(zhuān)利的主要分布企業(yè)

　　如今，我國(guó)要發(fā)展存儲(chǔ)芯片產(chǎn)業(yè)，不得不面對(duì)來(lái)自國(guó)際巨頭的專(zhuān)利壁壘，而專(zhuān)利許可可能是相對(duì)高效的一個(gè)選擇。通過(guò)前1000件高引用存儲(chǔ)專(zhuān)利分析發(fā)現(xiàn)，其技術(shù)方向分布相對(duì)集中，且美國(guó)企業(yè)占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，如美光科技、閃迪、AMD、IBM和英特爾。這也導(dǎo)致目前頭部企業(yè)間專(zhuān)利許可成為普遍做法。