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存储器大战略(上):从DRAM产业兴衰 看台韩半导体竞争策略

半导体是高科技产业,高科技产业的特徵是持续的投入尖端技术开发,以创造新的经济价值,挟以先进入市场的优势,获取超额的利润,然后再以此利润,重复投入更先进制程的开发,以扩大先进制程的领先进度,并投入更多的资本支出,建立更强大的规模经济,这是高科技产业建立良性循环以在竞争中胜出的不二法门。

存储器是半导体产业最大的次领域,存储器包括DRAM、NAND Flash、NOR Flash、EEPROM等产品,以及新兴存储器,其产值大约占半导体市场的25~30%左右。以半导体产业个别产品的产值而言,依次为DRAM(约13%)、NAND Flash(约11%)、CPU(约9%)。这些数字虽然每年会略有变动,但是大小次序约略如此,所以存储器的竞争策略影响半导体产业的发展至钜。

存储器次产业的发展大致可分为下列四个阶段:一、DRAM成为半导体制程主要驱动力的年代(1980~2000后);二、DRAM与平面NAND Flash享有制程与设备综效的年代(2000~2013);三、DRAM与3D NAND Flash分道扬镳的年代(2013~2022);四、引入存储器新增值方式的年代(2022后)。我们将以这四个阶段切入,向各位读者分享存储器产业的兴与衰。

一:DRAM当成半导体制程主要驱动力的年代

为什麽DRAM过去能够成为整个半导体产业制程推进的主要驱动力?原因有三:一是技术面的理由。DRAM的主体由密集而重复的存储器单元所构成,制程的先进与否与成本息息相关。二是DRAM有产业的共同规格,无法在产品效能差异化相互竞争,产品成本成为竞争力的主要因素之一。三是经济面的理由。DRAM是半导体产业中最大的次产业,才有资格产生足够的营业利润,投入最先进半导体制程的研发。

在这里要引入一个「公司技术独立研发阈值」的概念。尖端技术研发显然是一个极端耗费金钱的活动,这些经费要从营运的营业利润所积累,公司营业额显然先要达到市场的一定比例,其所累积的营业利润才能够跨越这个门槛。从经验法则上来看,一个半导体公司要能够占所属次产业的15%营业额以上,才能够具有独立先进制程研发的经济能力。这个法则适用于存储器次产业,也适用于逻辑代工次产业。

由于上述存储器产业的现实以及所受竞争架构的限制,所有存储器的公司无不努力的朝向扩大规模经济、加速先进制程研发的方向进行。到现在在存储器产业硕果仅存的几家领导厂商,不管是透过背后集团的资金挹注、产业中公司的横向合并或技术合作开发、或者以其他方式,最后均能跨越此一门槛,得以持续营运、研究发展。

在DRAM作为半导体制程主要驱动力的年代中,最主要的商业模式是由技术领先厂商透过技术授权/合作,以交换被授权对象的产能保留。这样做对于技术授权方显然有军火资敌之嫌,其所得是无需透过大幅资本支出就可以获得相对便宜的产能,藉以扩大自己的生产以及研发规模经济,分担研发经费;而被授权方可以立即取得最先进的制程,节省技术追赶时间,代价是资本支出只能获得较低的利润,在长期的竞争中不利于资本累积。但是商业模式的形成,自然对双方都是各取自己所需的利益,所以在这个发展阶段,以技术授权换取产能保留变成盛行的商业模式,这也是台湾DRAM次产业兴起的缘由。

无论如何,DRAM在此一阶段的确扮演半导体先进制程的主要推手,只要回想在现代半导体制造中扮演重要角色的12寸厂,以及DUV、CMP等重要制程、制造设备是由哪个次产业先引进的就可以验证这个叙述。

二:DRAM与平面NAND Flash享有制程开发与设备利用的综效

NAND Flash由东芝(Toshiba)在1989年发明,于2000年初逐渐进入商业量产。由于其写入速度远高于机械式硬盘,而且移动应用开始盛行,小容量的永久存储器产品蓬勃发展,NAND Flash开始成为存储器公司的注目焦点。

平面NAND Flash与DRAM在技术上有极高的相似性:基本上一个存储器细胞都有一个晶体管,用以控制存储器的读写,于晶体管上的存储器元件都是以复晶来制作(DRAM的电容以及NAND Flash的浮栅),最顶层的金属连线只需要极少数几层。

此时DRAM的制程容易受到电容面积与制程微缩的两难问题,进展已开始趋缓,而平面NAND Flash的制程发展才方兴未艾,开始超越了DRAM的制程发展进度,于是同时发展二者的存储器公司便开展了平面NAND Flash与DRAM之间制程开发以及设备利用的雁行序列综效:先行开发NAND Flash的制程、购买生产设备,进入生产模式,获取先进者利润。待制程开发费用充分摊提、设备折旧完成,转而生产DRAM。此时DRAM的生产基本上只剩下变动成本,公司具有极高的竞争力,二者的制程大约相差1.5~2个时代。

纯DRAM市场景气,原本就有以5年左右的周期波动循环。当市场需求旺盛时,存储器公司推进制程、扩充产能,直到供过于求,DRAM价格开始下跌,利润缩减、甚至亏损,研究经费为之缩减,进而影响制程开发的速度,产能成长因而趋缓,逐渐被市场需求所超越,从而开始进入下一波的景气循环。DRAM公司习惯这样子的景气循环模式,赚2年、赔3年,在没有遇到总体经济重大灾难时(如1997年的亚洲金融风暴、2009年的金融海啸),倒也能生存自若。

当两种存储器的技术开发与设备利用综效模式开始的时候,存储器市场的景气循环模式发生变化。一般而言,由于NAND Flash是新产品,而且参与竞争的厂商家数较少,价格相对稳定。在DRAM市场进入价格低迷的时候,生产两种存储器的厂商的反应便与以前有所不同。因为此时DRAM的新时代技术基本上已经有NAND Flash先行开发完成大部分,提前一个时代上场基本上不用太长的时间,也无需大量的经费,而机台设备也折旧了大半,所以对市场低迷的对策就是生产更多的DRAM以降低平均成本,导致DRAM的价格进一步下跌。这种情?对于生产两种存储器的厂商仍在可接受的范围之内,但是对于只生产DRAM的厂商而言却是致命的灾难,价格低迷的期间由于缺乏景气循环的制约,被大大的延长了。

所以DRAM产业在经历了2006年的高峰期之后,按照惯例景气开始下滑,又恰好遭逢2009年的金融海啸,而产业的供需平衡模式已经有根本的改变,景气持续更久的低迷、无法回复。至2012年左右,只生产DRAM的公司,无一幸免、均受重创,或者重整、或者直接收场。

表面上存储器产业发生根本性变化的原因是因为竞争的主轴有新的因素、综效,开始影响竞争结果,但是归根结底这还是研发的规模经济因素。在竞争中受创公司都是市场占有率比较低的,支付一种存储器DRAM的研发经费已是捉襟见肘,虽然知道另外一种存储器NAND Flash对未来的发展至关重要,但是哪有另一只手可腾出的余裕呢?

弦外之音:台湾的DRAM产业

藉这个机会来回顾一下台湾DRAM产业发展的兴衰史。

台湾的DRAM产业肇始于90年代的初中期。刚开始时固然也有公司想要靠自力研发来奠定技术的基底,但是多数的公司还是采取上述以技术授权及产能保留合约的方式,将生产技术一步到位,推进到世界最前端的方法。这样的做法当然有惰于技术开发、将受制于技术授权方的批评。

所以DRAM公司下一步就是将技术授权合约修改成技术合作开发合约,以掌握先进技术的开发能力,大部分公司也的确能够做到这一点。所以在技术合作开发的夥伴关系出现中间空档时,有些公司已经能够利用这些已建立的研发能力独立开发1、2个时代的DRAM新制程技术。

但是最基础的症结还是回到研发规模经济不足的老问题。

2000年初,台湾的DRAM产业占全球20%上下的市场,是仅次于韩国的世界第二大DRAM生产地,但是有3、4个DRAM公司贡献于此总产能,所以单一公司还远远达不到独立研发的规模经济阈值。因此台湾个别的DRAM公司都必须和其他的外国公司进行技术合作开发,大幅降低了资本累积能力。

台湾的公司并不是没有意识到此一问题,所以在2000年初,因为工研院一个大型计划被意外的中止,有大量的研发人员处于闲置状态。以此团队为基础,产业中大部分的企业愿意出钱、出人,参加一个叫做Advanced Semiconductor Technology Research Organization(ASTRO)的共同研发组织来分担研发费用,以建立台湾DRAM制程独立研发能力。但是这个政府以及台湾DRAM产业的共同努力,因为产业外的半导体公司有异议,最终功败垂成。

至于在2009年金融海啸后,因台湾各DRAM公司所面临的经营困窘情况而提出的TMC整并计划,其实已经为时已晚,DRAM可以单独用制程推进以产生经济价值所剩余的年限已经不长,而且更重要的,这个计划根本没有提到当时台湾在竞争中无法取得优势的原因:缺乏NAND Flash技术,无法产生综效。一个没有对症下药的计划是不可能成功的。

两点评论。一个是台湾在发展DRAM产业的过程中,前半场的表现还算差可,产能规模以及产业部落已隐然成形,而且制程开发的能力已经初步见效。但是在形成研发规模经济的后半场,速度迟缓,合并、募资、共同研发等可以采取的手段没有实际进展,最终是功亏一篑。

另一点是后见之明。当时的DRAM产业外的半导体公司没有支持ASTRO的成立,台湾的DRAM产业终究无法建立研发规模经济,导致近乎溃败的失利。这让韩国的存储器产业在以后的营运有近乎垄断的力量,其所积累的利润就是现在韩国用于投资代工以及系统IC产业的资本。如果台湾DRAM产业当时能继续存在,对韩国存储器产业形成牵制,韩国今日断无伸手逻辑代工的余裕。

存储器与逻辑代工在半导体产业中似乎泾渭分明,但半导体各次产业其实祸福相倚。这需要比较高远的产业视野才有机会高瞻远瞩、未雨绸缪。

林育中为DIGITIMES顾问。1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任谘询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长 (Chairman of Supervisory Board, Taiwan Semiconductor Industry Association)。现在于台大物理系访问研究 (Visiting Research Fellow),主要研究领域为新材料新机制、量子信息 (quantum information) 的基础研究,担任台湾量子计算暨信息科技常务监事 (Standing Supervisor, Taiwan Association of Quantum Computing and Information Technology)。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任谘询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。