存储芯片巨头环伺，中国企业何以破局？

图片来源@视觉中国

文丨芯锂话

12月1日，沉寂许久的A股芯片龙头公司兆易创新股价突然异动，并在接下来两个交易日延续上涨，三日内的涨幅一度超过20%。

对于兆易创新这样市值千亿的巨头公司来说，20%的市值上涨可谓意义重大，究竟是怎样的利好才能撬动如此大的杠杆呢？

就在股价上涨的前一日，兆易创新曾一口气发布了25条公告，抽丝剥茧之后，一则看似不起眼的《兆易创新关于2022年度日常关联交易预计额度的公告》引起了我们的关注。

在这则公告中，除了以往代销长鑫存储产品和向紫光展锐销售产品相关交易外，另有一项巨大的变化：在2022年公司预计从长鑫存储自有品牌采购代工交易额将达到1.35亿美元，逼近代销长鑫DRAM产品的采购金额。

这表明，兆易创新自有品牌的DRAM产品将在2022年大放异彩；同时也意味着，国产DRAM厂商队伍也迎来了一个强有力的队友，在应对国际巨头们的竞争时，也有相对更大的反击力量。

聚焦全球集成电路市场，存储芯片是市场份额最大的品类之一，2020年市场份额接近逻辑芯片。在某些年份内，存储芯片的市场份额更是超过了逻辑芯片，足以说明其是集成电路市场上最有价值的品类之一。

然而，在如此重要的赛道中，我们却鲜有机会在市场中看到国产品牌的身影。

中国是最大的消费电子生产和消费市场，每年对于存储芯片的需求无比庞大。但正如整个集成电路行业一样，国际巨头们近乎垄断了全部的市场份额。

技术封锁之下，国内存储芯片厂商们只能通过不断的技术进步，谋求一条突围之路。

01、国际巨头瓜分核心赛道

存储芯片可谓人类最伟大的发明之一。

在存储芯片技术被发明之前，人类只能使用打孔卡、磁鼓技术、磁芯技术来进行存储，不仅效率低下，而且需要耗费很大的占地空间。直至1966年，晶体管DRAM内存技术的发明，才让人类正式进入了存储芯片时代。

按照产品功能特性，储存芯片共可以分为两大类：一类是易失性存储芯片，断电后存储信息即消失，主要有SRAM和DRAM两种；一类是非易失性存储芯片，断电后存储信息仍留存，主要有ROM、闪存和EEPROM。

纵观整个存储芯片市场，目前主导行业的是DRAM和NAND Flash两大品类。以2020年数据统计，这两大品类合计占比97%，而NOR Flash仅占比1%，其他产品合计占比2%。

DRAM和NAND Flash常见于电子产品中。在电脑中，DRAM就是内存条。在智能手机中，DRAM即是运行内存，现在主流的是8G和12G DRAM产品；NAND Flash即为机身存储，256G、512G、1T即是此类产品。

在DRAM和NAND Flash两个最大子市场上，国际巨头凭借先发优势和技术壁垒处于垄断性地位。

自从英特尔量产DRAM产品以来的51年间，美国、日本、韩国存储芯片企业激烈竞争，目前形成了韩国三星和SK海力士、美国美光半导体寡头垄断的市场格局，三巨头占据了约95%的市场份额。

截止2021年Q1季度，三星、SK海力士、美光半导体分别占据市场约42%、29%和23%的市场份额，留给其他二流、三流厂商的市场空间总共仅有6%。

相对而言，NAND Flash产品在2010年前后才开始大规模商用，起步较晚。

正因此，NAND Flash行业目前市场集中度并没有DRAM那么高，三星、铠侠、SK海力士、西部数据、美光、英特尔六大行业巨头瓜分市场，今年Q3季度，六巨头合计市场份额达96.7%。

不过随着行业的发展，NAND Flash行业或将迎来属于它的“洗牌时代”，目前西部数据正在谋求收购铠侠，如果并购成功，闪存市场格局将重新改写。

显而易见，在DRAM和NAND这两个市场规模最大的存储芯片产品市场中，韩、美、日三国处于垄断性地位，获得了最大头的利润。

对于起步较晚的中国产生而言，想要获得一席之地，必须必备抗衡国际巨头的实力。无论是技术层面，还是产能层面，中国企业都或将面临极其巨大的挑战。

02、来自中国的“挑战者们”

在巨头强力垄断下，中国主流的储存芯片企业大多规模较小，技术水平较国际巨头仍有较大差距。

由于福建晋华在2018年遭到美光半导体的诉讼，因此陷于停摆状态，这让合肥长鑫成为了国产DRAM“全村的希望”。

长鑫以IDM模式生产DRAM产品，目前可量产19nm DDR4和LPDDR4产品，DDR5和LPDDR5技术正在研发中。虽然这个水平距离国际巨头仍然差距很远，但也是国产DRAM企业最顶尖的水平。

目前三星等DRAM巨头的LPDDR5产品已经大量应用于智能手机市场，并成为现有智能手机的主打卖点之一；DDR5产品已经量产，但目前来说从性价比上尚未能大规模替代DDR4，这也是长鑫和国内DRAM企业为数不多的好消息。

与合肥长鑫存在千丝万缕联系的兆易创新，在年内也宣布，由长鑫代工的19nm 4Gb DDR4产品已经量产。在此之前，兆易创新主要代理销售长鑫DRAM产品，未来自有品牌DRAM产品将成为主导。兆易创新预计，在2022年，代销长鑫DRAM产品采购额为1.7亿美元，稳定增长；而自有品牌采购长鑫代工的关联交易将达到1.35亿美元。

除长鑫和兆易创新，西安紫光国芯也能够量产DDR4产品。此外，刚刚在科创板IPO的东芯半导体能够量产DDR3产品，北京君正在收购北京矽成（即美国芯成半导体母公司）之后，也有DRAM产品业务。

在NAND Flash市场上，国产玩家也并不多。

根据存储原理的不同，NAND Flash存储可以分为SLC、MLC、TLC和QLC四大类，从结构上又可以分为2D、3D两大类。

目前，国产NAND玩家多集中于最原始的SLC NAND市场，处于TLC和QLC的国产厂商仅长江存储一家。

据今年九月消息，长江存储128层TLC 3D NAND已经量产，且良率已做到相当水准；128层QLC 3D NAND也已经准备量产。与三星等国际巨头相比，长江存储技术差距正在逐渐缩小。

从整个NAND市场看，SLC NAND占比仅2%。在SLC NAND市场上，韩国企业爱拓科技、台湾地区企业旺宏电子和华邦电子、美国赛普拉斯和美光、日本东芝占据较大份额。

在大陆地区，目前兆易创新、复旦微电、东芯半导体均有SLC NAND量产产品，其中兆易创新产品技术更为领先，已达到行业主流水平。

除此之外，北京君正旗下ISSI在汽车级NAND市场有量产产品，芯天下则通过购买海外SLC NAND晶圆自行封装策略生产相关产品。

03、国内厂商的另类突围路

虽然在DRAM和NAND市场，中国企业的竞争力暂时薄弱一些，但在NOR Flash和EEPROM两个市场上，国内企业实则表现出不俗的竞争力。

由于下游需求端的迅速放量，全球存储芯片巨头的产能已经不足以满足迅速膨胀的市场需求。在这种情形下，国际巨头往往将产能集中于最大市场上利润最高的板块，从而逐渐退出了SLC NAND、NOR Flash和EEPROM这三个利基市场，国产企业也有了崛起的机会。

具体来看，NOR Flash在2020年占据整个存储芯片市场1%的份额。这种存储芯片的应用，主要集中于手机模组、网络通讯、数字机顶盒、汽车电子、安防监控、行车记录仪、穿戴式设备等消费领域，典型应用场景有智能手机中AMOLED面板和TWS耳机。

NOR Flash已经成为存储芯片国产替代的主要战场。

在2020年，全球NOR Flash市场前两位分别为台湾地区企业华邦电子和旺宏电子，第三名即是近年来迅速崛起的兆易创新。目前，兆易创新已量产55nm工艺NOR Flash产品，处于行业内主流技术水平。

除兆易创新外，复旦微电、东芯半导体、普冉股份均已量产55nm小容量NOR Flash产品，芯天下、珠海博雅、武汉新芯和恒烁半导体亦有相关产品量产。

在另一种非易失性存储芯片EEPROM市场上，国产芯力量也正在崛起。

EEPROM产品市场规模虽然较小，但应用十分广泛。小容量EEPROM代表应用领域包括电脑显示器等领域，中容量EEPROM代表应用领域包括手机摄像头模组CCM等领域，大容量EEPROM代表应用领域包括智能电表等。

复旦微电、聚辰股份、普冉股份、珠海博雅均有EEPROM产品，不同企业各有侧重。

据赛迪顾问数据，2018年聚辰股份EEPROM市场份额排名全球第三，在智能手机摄像头模组这一细分市场，聚辰股份市场份额自2016年以来即一直排名全球第一；普冉股份的产品亦主要应用于摄像头模组，2020年出货量为15.79颗，逊色于聚辰股份的17.13亿颗出货量。

复旦微电则在电脑显示器这一细分市场，2020年市场占有率在30%以上。

可以看到，在巨头逐渐退出的存储芯片利基市场上，国产存储芯片厂商们已经通过研发投入和技术进步赢得了更广阔的市场空间。

这些小赛道的意义并不仅仅体现在营收上，更是给起步薄弱的中国存储芯片企业提供了迭代的机会。放眼未来，这些持续迭代的“小公司”中，或许可以诞生出引领行业发展的领先企业，这也是中国存储芯片的一条另类突围之路。

串行NAND在汽车电子领域的应用

NOR Flash多年来一直作为汽车的一种可靠技术，如今已应用于各种汽车系统，包括仪表集群、信息娱乐和远程信息系统。

在这些应用程序中，这种非易失性内存为应用程序代码提供了存储容量，提供了可靠的操作和足够快的读取速度来支持实时执行(Execute-in-Place, XiP)，即主机处理器直接从Flash运行代码，绕过外部DRAM。

NOR Flash在ADAS概念的新兴实现中也扮演着重要角色，ADAS概念在现有的汽车中已经实现了半自治的高速公路驾驶功能，如自适应巡航控制和车道保持。自动驾驶技术的发展速度非常快，因此在未来几年里，越来越多的汽车程序将由包含Flash的电子系统控制。

在ADAS，以及仪表集群和其他地方，Flash是安全关键系统中的一个组件:这样一个系统的任何不受控制的故障都有可能使车辆变得不安全或无法控制。为管理及减低系统未能按指定操作的风险，汽车业界已实施ISO26262功能安全标准，其中包括:

在设计阶段强制要求对系统设计功能失效的方式进行严格分析

为整个系统指定非常低的最大故障率

要求系统可靠、快速地检测功能故障

要求系统采用可靠的方法安全生存，并从任何可预见的功能故障中恢复

因此，汽车系统原始设备制造商开始要求开发一种新的Flash集成电路，这种电路能够比前几代设备更好地支持系统级的功能安全设计要求。本文研究了传统的Flash集成电路的工作模式，并说明了新汽车串行Flash产品如果要完全支持系统设计者遵守ISO26262标准的努力，将需要提供的特征。

这些功能性的安全特性很可能在串行或闪存(目前在嵌入式系统中用于引导代码存储的闪存类型)和单级Cell (SLC) NAND闪存中都可以看到。实际上，对于不需要很高的程序/擦除周期，也不需要实现XiP的应用程序中的代码存储，串行NAND是NOR Flash的有效替代方案。华邦电子（华邦电子）的SLC NAND技术采用46nm工艺制造，该工艺已被证明是高质量，在功能性安全应用方面优于采用新的、更小的几何形状制造的系列NAND产品。它还提供的数据保留期可与55-65nm或闪存相媲美。

串行NAND的优势在于其固有的低成本——一个NAND闪存单元比NOR闪存单元小四倍。与NOR Flash相比，NAND Flash的写入时间要短得多，因此在执行无线(OTA)软件更新的系统中，它是一项有价值的技术。由华邦电子提供的车载纠错码(ECC)引擎和支持跨页面和块边界的高速连续/顺序读取能力，串行NAND现在正被汽车功能安全应用程序的设计者纳入考虑范围。

诊断数据的重要性

需要说明的是，NOR闪存技术非常可靠，而且设备的运行寿命是可预测的。而Flash集成电路没有在该领域证明自己的品质，汽车原始设备制造商对这项技术的偏爱是基于其在当今道路上数百万辆汽车上的使用经验。ISO 26262标准规定了四个“ASIL”等级(汽车安全完整性等级)的可靠性和其他参数。最严格的等级ASIL-D适用于最安全关键的系统，如转向系统或刹车系统，它将系统级的最大故障率设置为<10 FIT(在时间上的故障)，即每十亿个设备小时的故障率。

单点和潜在故障的最低检出率，以及ISO 26262标准规定的最大故障率

尽管如此，汽车制造商为遵循ISO 26262的合规性，要求找到一种方法来识别NOR闪存IC理论上仍然可能发生的任何故障。在传统设备中，用户无法获得维持数据完整性和数据保留的功能。这种封闭操作与功能安全原则相冲突，功能安全原则要求主机系统监视部件的故障，或监视表明可能发生故障的不正常行为，并执行旨在保持正常功能的应对措施。

这意味着NOR Flash IC在ISO 26262兼容系统中使用时，必须向主机控制器提供诊断数据，并提供主机修改IC操作的方法，以应对数据显示的更高的故障风险。

NOR Flash IC的两个主要特性提供了这些数据:

ECC引擎，它通过检测和纠正读操作中的位错误来维护数据的完整性

允许对ECC引擎的运行进行定期测试的用户模式

ECC数据如何支持功能性安全操作

在传统的NOR Flash IC中，ECC引擎在后台运行，以多字节粒度检测和纠正位错误，不通知主机控制器。然而，事实上，这些ECC[1]数据可以以各种方式促进功能性安全合规。ECC引擎能够纠正单位错误(当主数据位和奇偶校验位之间只有单位差异时);检测(但不纠正)双位错误。

通过向主机控制器提供状态寄存器，NOR闪存设备可以指示最近的读操作是否有三种可能的结果之一:

1.良好的数据，不需要纠错

2.修正错误后的良好数据

3.无法纠正的错误数据

这些“事后”信息可用于帮助维护长期的数据完整性。但ISO 26262要求汽车系统在出现故障时进行检测，并立即采取相应措施。来自华邦电子的新型自动NOR Flash IC，可通过专用错误引脚提供实时错误信息。此引脚可以被断言，以指示无法纠正的数据的确切位置。用户还可以选择错误pin是表示纠正的单比特错误，还是表示检测到的不可纠正的双比特错误。

然后，主机可以使用来自状态寄存器、错误pin或两者的信息来构建错误寄存器——实际上是NOR Flash阵列的“映射”，记录位错误的位置。然后，主机可以设置一个阈值，以便当某个位置(例如某个特定块)发生的错误数量超过这个阈值时，该位置就从内存中“退休”了。

识别潜在故障的方法

到目前为止，上述所描述的措施是关于单点故障处理，ISO 26262标准为每个ASIL等级指定了最低检出率。但该标准还要求汽车系统检测“潜在故障”。潜在故障本身并没有违反功能安全要求，但是它可以与第二个故障一起违反这些要求。

在NOR Flash IC中，存在潜在的潜在故障- ECC引擎故障就是一个例子。正常运行时，NOR Flash技术可靠性高，很少需要纠错。因此，只要ECC引擎故障不会导致它错误地纠正好位，故障通常不会引起注意。但是，当由于ECC引擎故障(一个潜在的故障)导致单个坏位未得到纠正时，这两个故障的组合将对功能安全构成风险。

为了检测潜在的ECC引擎故障，华邦电子的automotive NOR Flash IC提供了特殊用户模式和ECC编码器读取命令:这使用户能够将主数据模式注入到内存中，并从ECC引擎中读取主数据和它生成的奇偶校验数据。如果奇偶校验数据不正确，可以将ECC引擎标记为错误。

同样，用户模式可用于检查ECC解码操作:在用户模式下，用户将主数据和奇偶校验数据加载到ECC引擎中，并使用特殊的ECC解码器Read命令将主数据读回。在主数据和奇偶校验数据中可能会引入单位和双位错误，检查ECC引擎是否正确执行单位错误校正和双位错误检测。华邦电子的建议是，每次系统启动时都应该执行ECC引擎检查。

新的安全功能可用于生产部件

为了满足ADAS产品和其他汽车系统制造商的需求，华邦电子现在正在将上述功能安全特性集成到一个新汽车NOR Flash系列产品中。Quad 3V系列具有最大80MB/s的数据传输速率，可用于256mbit和512mbit密度的采样。1Gbit 3V部件(两个堆叠的512Mbit模具)将在2020年下半年面世。

华邦电子还将在2020年提供高密度(512Mbit和1Gbit) 1.8V的NOR闪存设备，部分设备将有四进制或八进制接口。

串行NAND具有快速的OTA更新写入时间

华邦电子还提供了一系列具有功能性安全特性的NAND产品:3V和1.8V产品均可用于512Mbits和1Gbit采样密度，以及由两个堆叠的1Gbit模具组成的2Gbit部件。华邦电子的第一代串行NAND系列提供的最大吞吐率为40MB/s(在1.8V部件中)，在3V部件中为52MB/s。第二代NAND系列产品W25N01JW/W25N02JW产品在1.8V部分提供了更高的80MB/s吞吐量。这是在Quad DTR(数据传输速率)模式下实现的，并且是连续的数据输出，在页面和块边界上没有间隙。华邦电子最近还推出了W35N01JW，这是一款1Gbit的1.8V八进制NAND闪存设备，读取速度为240MB/s，比W25N01JW快三倍。

华邦电子系列NAND产品，如1Gbit 3V W25N01GV，通过向状态寄存器提供信息来支持功能性安全合规性，该状态寄存器显示在有无ECC的情况下读出的数据是否正确或者是否不可纠正。串行NAND页面大小为2kbytes，在扇区级别提供1-bit嵌入式ECC(512字节)。这意味着在2kbyte页面上最多可以执行4-bit的校正。华邦电子串行NAND还提供了在用户命令提示时读取失败页面位置的功能。

通过为功能性安全应用程序提供SPI NOR和串行NAND解决方案，华邦电子为用户提供了根据其设计要求选择适当的闪存类型的自由。

[1] ECC是“Error Correcting Code”的简写，ECC是一种能够实现“错误检查和纠正”的技术，ECC内存就是应用了这种技术的内存，一般多应用在服务器及图形工作站上，可提高计算机运行的稳定性和增加可靠性。

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