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近來，關於福建晉華、臺灣聯華電子與美國美光有關DRAM專利侵權的事件成為產業熱點。從晉華和美光的三次互訴，到美國商務部對晉華禁售和聯電暫停與晉華的合作，在中美貿易戰背景下，這不禁讓人聯想到中興因美國製裁而運營停擺的事件。晉華事件走向如何尚不得而知，本文僅從專利與產業鏈角度，結合全球市場格局，解構我國發展存儲芯片產業的困難、現狀和潛力。雖然存儲芯片產業發展道阻且長，但是我們別無選擇。
01
存儲芯片是什麼
存儲芯片是半導體元器件中不可或缺的組成部分，幾乎存在於所有的電子設備中。隨著大數據、雲計算、物聯網、人工智能等產業的發展，其在整個產業鏈中扮演的角色越來越重要。
存儲芯片的種類很多，按用途可分為主存儲芯片和輔助存儲芯片。前者又稱內存儲芯片（內存），可以與CPU直接交換數據，速度快、容量小、價格高。後者為外存儲芯片（外存），指除內存及緩存以外的儲存芯片。此類儲存芯片一般斷電後仍然能保存數據，速度慢、容量大、價格低。按照斷電後數據是否丟失，可分為易失性存儲芯片和非易失性存儲芯片。易失性存儲芯片常見的有DRAM和SRAM，前者就是這次晉華事件的主角。非易失性存儲芯片常見的是NAND閃存芯片和NOR閃存芯片。
圖1 存儲芯片分類
相對於CPU，存儲芯片的設計和製造複雜度略低。但其技術含量依然非常高，對於行業後來者，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，主要涉及五大類技術。
存儲單元設計包括電容器設計和電路設計，是存儲芯片最核心的部分。電容器存儲數據，電路負責控制數據的訪問。常見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。早期的存儲單元電路包含3個晶體管和一個電容器（3T1C）構成，慢慢演變為1T1C或1T等多種類型。
陣列架構是存儲單元的矩陣排布形式，芯片通過wordlines和bitlines訪問和控制存儲單元。常見的bitlines包括開放式架構、摺疊式架構等。同時陣列設計上還需要設計行、列冗餘，以適應可能出現的壞點等。
錯誤檢測與修正用以解決存儲單元受環境、宇宙輻射導致的電位自發反轉問題。通常需要設計冗餘存儲單元或額外的電路來檢測和修復這些錯誤bits。另外，DRAM存儲芯片還包括芯片安全和芯片製造與封裝技術。
02
專利：集中於韓、日、美企業
我國存儲芯片產業發展較晚。目前，以投入NAND Flash市場的長江存儲、專注於移動存儲芯片的合肥長鑫和致力於普通存儲芯片的福建晉華三大企業為主。但發展存儲技術，國際企業的專利壁壘是繞不過去的坎。
我們選取2000年1月1日至2018年10月31日的全球存儲專利分析發現，有效專利和專利申請最多的國家/地區依次是美國、韓國、日本、中國和中國臺灣，如圖2。從這個數據看，我國（主要指大陸）專利並不弱。2002年就已經有大量申請，2010後申請大量增加。
但是，從申請主體可以發現，如圖3，我國的專利申請主要來自國際和中國臺灣的企業，如三星電子、旺宏電子、臺積電、SK海力士、美光科技、英特爾、華邦科技、IBM等。而申請前十的大陸企業只有中芯國際和兆易創新，且所申請專利多數是相對邊緣化的技術，還有部分前沿技術。
圖2 存儲芯片專利全球主要申請國家/地區及其申請趨勢
數據來源：incoPat，華夏幸福產業研究院
圖3 在中國申請專利的主要企業及其申請趨勢
數據來源：incoPat，華夏幸福產業研究院
從全球企業的專利申請趨勢看，如圖4，目前以三星、SK海力士、東芝和美光科技四家企業佔據絕對優勢。其中前三家是老牌專利巨頭，美光科技在2008年後申請逐漸增加，趕超東芝和海力士，直追三星。2007年後，旺宏電子、英飛凌、臺積電和富士通的申請明顯減少，可能來自金融危機的影響。這也印證了存儲芯片產業向頭部企業集中的趨勢，特別是韓、美、日三國的四家企業。
圖4 全球存儲芯片專利主要申請企業及其申請趨勢
數據來源：incoPat，華夏幸福產業研究院
圖5 高引用存儲芯片專利的主要分佈企業
數據來源：incoPat，華夏幸福產業研究院
如今，我國要發展存儲芯片產業，不得不面對來自國際巨頭的專利壁壘，而專利許可可能是相對高效的一個選擇。通過前1000件高引用存儲專利分析發現，其技術方向分佈相對集中，且美國企業佔據絕對優勢，如美光科技、閃迪、AMD、IBM和英特爾。這也導致目前頭部企業間專利許可成為普遍做法。
03
產業鏈：受制於人
無論是長江存儲的NAND Flash還是晉華、長鑫的DRAM，都是IDM項目。分析產業鏈各環節，無論是設計、EDA軟件，還是材料、裝備，我們普遍都受制於人。尤其在EDA軟件和裝備領域，幾乎無法避開美國的技術與產品。
1、 設計環節
晉華的技術主要來自聯電。美光懷疑其前員工盜取公司技術，並交給聯電，聯電又將技術分享給了晉華，這才導致美光起訴聯電和晉華，以及後續一系列事件。但是，晉華的DRAM技術到底是否構成侵權，只有產品問世後才可知。
長江存儲主攻NAND閃存芯片。它與美國飛索半導體（Spansion）聯合開發了NAND閃存技術，並與中科院微電子所共同研發32層3D NAND Flash芯片技術。從技術角度看，長江存儲在自主研發的道路上有一定積累。2018年8月，長江存儲對外發布其突破性技術——Xtacking™，該技術可為3D NAND閃存帶來前所未有的I/O高性能、更高的存儲密度，以及更短的產品上市週期。
無論對於晉華、長江存儲還是長鑫，技術來源都是首先要解決的問題，無論技術授權、合作開發，還是自主研發，只有從技術源頭掌握關鍵技術，才能避免被卡脖子。
2、 EDA軟件
全球EDA軟件市場被三巨頭——Synopsys（美）、Cadence（美）、Mentor（德）所壟斷，國內IC設計公司幾乎100%採用國外產品。雖然國內EDA軟件開發龍頭華大九天近期獲得了超過億元的融資，但和三巨頭相比差距巨大，短期內難以追趕。就EDA軟件來說，美國輕易就可以通過停止服務等手段，對國內存儲芯片廠商甚至集成電路設計企業造成巨大的影響，迫使停止設計研發工作。
3、 材料
國產集成電路材料已經佔據一定市場份額，並逐步在個別細分領域擠佔國際廠商的市場空間。其中，靶材、溼電子化學品、CMP材料等細分領域產品已經取得較大突破。部分產品技術水平達到國際一流水平，本土產線已基本實現大批量供貨。電子氣體、硅片、掩膜版等產品技術水平達到國際一流水平，本土產線已實現小批量供貨。只有光刻膠等產品與國際一流水平還有較大差距。
表1 日、美、德企業在全球集成電路材料市場仍然占主導地位
數據來源：SEMI，華夏幸福產業研究院
但是，我們也需要認識到與國外龍頭廠商相比的巨大差距，日、美、德企業在全球集成電路材料市場仍然佔據主導地位。針對美國未來有可能在材料領域的產品管制，除了加大對國內供應鏈的扶持，降低材料的對外依賴度外，還可以拓展非美系供應商，畢竟在材料領域，美系廠商的市場份額和對其依賴度還沒有那麼高，如表1。
4、 裝備
集成電路裝備產業具有極高的技術壁壘和市場壁壘，是一個高度壟斷的市場。細分市場TOP3市佔率超過90%甚至一家獨大的現象普遍存在。晶圓製造核心裝備光刻機、刻蝕機、CVD和PVD，都呈現寡頭壟斷局面。如在PVD領域，美國企業應用材料（AMAT）佔據85%市場份額。
圖6 晶圓製造等關鍵核心設備仍呈現寡頭壟斷局面
數據來源：SEMI，華夏幸福產業研究院
目前，國內裝備在關鍵領域初步實現了產業鏈成套佈局——曝光Liho、刻蝕ETCH、薄膜CVD、溼法WET、檢測、熱處理、測試等環節，且部分工藝製程能夠滿足國內客戶的需求。國內廠商有多項產品已經批量出貨，其中主要的廠商有北方華創、中微半導體、睿勵科學儀器和上海盛美半導體等。
從晉華的裝備採購清單看，核心關鍵裝備還是從美、日、韓等國採購，比如刻蝕工藝機臺、薄膜沉積工藝機臺、膜厚檢測機、晶圓邊緣檢測機、各類缺陷檢測機等都需要從美國進口。國產裝備採購比例較低，除了中微半導體的刻蝕機，其餘集中在低技術壁壘的各類清洗裝備。
圖7 晉華部分裝備採購清單
當下，任何一座晶圓廠的順利投產，幾乎不可能離開美國產的設備。正如上表中所列，應用材料、科磊（KLA-Tencor）等都是晉華重要的供應商。退一步講，由於裝備產品是複雜而精密的系統級產品，即使採購非美供應商裝備，其中關鍵零部件、核心軟件及操作系統也有可能是美國企業所供應。因此，可以說在裝備領域，國內存儲芯片企業或者製造企業最容易被美國卡脖子。
04
全球千億美金市場：寡頭壟斷
隨著全球信息化浪潮洶湧澎湃，存儲芯片市場保持了高速增長態勢。根據WSTS統計數據，2017年全球存儲芯片產業營收達1319億美元，佔半導體產業收入30%左右，過去五年複合增長率高達37%。其中DRAM和NAND市場規模達到730億和550億美元，分別佔存儲芯片市場的56%和40%。
圖8 存儲產業在半導體產業佔比逐步提升
數據來源：WSTS，華夏幸福產業研究院
圖9 DRAM和NAND市場規模
數據來源：WSTS，J. P. Morgan，華夏幸福產業研究院
全球存儲產業迅速發展的源動力主要來自PC、智能手機、平板、數據中心服務器對存儲的需求，以下是DRAM和NAND按應用的需求佔比以及變化情況。
圖10. DRAM和NAND需求分析與增長情況（按應用分）
數據來源：Gartner，Bloomberg，J. P. Morgan，華夏幸福產業研究院
隨著智能手機出貨量放緩，5G等新應用尚未形成大規模需求，DRAM及NAND產品需求與價格均進入下行通道。WSTS預測，2018-2020年存儲產業年複合收入增速將維持在8%上下。
圖11 DRAM和NAND現貨價格走勢
數據來源：Wind，DRAM Exchange，華夏幸福產業研究院
存儲芯片產業的競爭格局，歷經多年整合，呈現寡頭壟斷局面。據IDC統計，2018年一季度DRAM實現營業收入232億美元，三星、SK海力士、美光三家分別擁有46%，27%，23%的市場份額，合計市佔率超95%。2018年一季度NAND實現營業收入136億美元，三星、西部數據/東芝、SK海力士、美光分別擁有42%，29%，13%及12%的市場份額，合計市佔率超96%。
圖12 DRAM和NAND競爭格局分析
數據來源：IDC，IHS，華夏幸福產業研究院
海關數據顯示，2017年中國進口存儲芯片889億美元，比2016年增長39.6%。DRAM、NAND的寡頭壟斷造成下游客戶毫無議價能力。2017財年，三星、SK海力士、美光三家存儲巨頭的半導體業務在中國的營收分別為104、254、89億美金，合計達到447億美金，超過中國存儲芯片進口額度的半數。
因此，無論從經濟安全，還是信息安全角度，我國都亟待發展存儲芯片產業。
05
我國存儲芯片市場：短期格局難變
作為全球最大的存儲芯片消費市場之一，面對產業基礎薄弱，自給率極低的窘境，在政府引導和支持下，產業界全力以赴追趕超越，加快發展。目前，國內有三大存儲項目：紫光集團與武漢、南京及成都合作展開的NAND與DRAM項目，兆易創新與合肥合作的DRAM項目（合肥長鑫），聯電與福建省合作的DRAM項目（福建晉華）。
表2 主要存儲芯片企業分析
數據來源：光大證券研究所，CICC，華夏幸福產業研究院（2018.05）
紫光集團（長江存儲+紫光南京+紫光成都）
紫光集團在南京、成都各有一座半導體產業基地，又與武漢新芯合作成立長江存儲國家存儲芯片基地。南京半導體產業基地主要生產DRAM以及NAND芯片，成都基地和長江存儲將專注於3D NAND閃存芯片。
長江存儲2016年7月成立，由紫光集團、國家集成電路產業投資基金、湖北集成電路基金、湖北科投聯合投資240億美元。
2016年12月，以長江存儲為主體的國家存儲芯片基地正式開工，建設3座全球單座面積最大的3D NAND Flash廠。項目一期2018年建成投產，實現零的突破，成功進入市場，預計2019年毛利轉正，2020年月產能30萬片，2023年月產能100萬片，年產值達1000 億人民幣。
圖13 長江存儲項目重要時間節點
數據來源：長江存儲，企名片，華夏幸福產業研究院
紫光南京/成都半導體產業基地均由紫光集團投資建設，目前處於建設期，未來產能均為30萬片/月。
合肥長鑫
合肥長鑫存儲由兆易創新與合肥市產業投資控股合作，建設19nm、12寸晶圓DRAM芯片項目，預算金額180億元。
合肥長鑫2018年一季度已完成設備安裝，一期計劃產能12.5萬片/月，三期全部滿產產能為37.5萬片/月。第一階段主要生產基於19nm平臺的8GB LPDDR4產品，用於智能手機。目前已開始投產，預計2018年底良率可達10%，2019年底良率可達80%左右，實現大規模量產。
圖14 合肥長鑫項目重要時間節點
數據來源：合肥長鑫，光大證券研究所，企名片，華夏幸福產業研究院
福建晉華
由福建省電子信息集團、晉江能源投資集團有限公司等共同出資，與臺灣聯電展開技術合作，總投資56.5億美元，建設12寸內存晶圓廠生產線，從事利基型DRAM的研發和生產銷售，產品主要應用於PC及數據中心，未來瞄準消費電子產品。雖然消費電子的存儲需求步入存量博弈階段，但市場規模依舊龐大。
該項目共4期，每期設計產能6萬片/月，總計24萬片/月。預計4期滿產總產值500億人民幣。規劃第一階段提供25nm 4GB DDR4/DDR3產品，爭取2018年研發成功，後續繼續研發1xnm產品。此次美國禁售，原計劃很大可能將會推遲。
圖15 福建晉華項目重要時間節點
數據來源：福建晉華，光大證券研究所，CICC，企名片，華夏幸福產業研究院
圖16 中國大陸主要半導體制造產線分佈圖
數據來源：CICC，華夏幸福產業研究院
從上述規劃看，我國廠商仍處於起步階段，存儲芯片研發、良品率、成本控制等能否達到預期，還有一定的不確定性，產能釋放將是一個緩慢的過程。從產能規劃看，國產存儲芯片市佔率短期內將維持較低水平，2-3年內難以超過1%，2020年後有望得到較大提升。
從存儲芯片產業的專利分佈、申請趨勢以及產業鏈環節的深入分析看，我們清晰的看到自身技術積累的薄弱，在人才儲備、產能規模、企業體量與國際巨頭還有顯著的差距。雖然晉華事件走向何方還不明朗，但我國發展集成電路產業的決心只會更加堅定。面臨挑戰，我們必須著眼於產業生態打造，進一步整合資源，完善產業鏈佈局，同時加大力度佈局前瞻性技術研發，尋找技術變革帶來的新發展機遇。可喜的是，10月26日，中國存儲芯片產業聯盟在武漢成立，行業抱團取暖，團結就是力量。雖然產業發展道阻且長，但是我們別無選擇。
（本文作者：華夏幸福產業研究院 王方林、郭建楠、李佳玉）
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