内存衰退周期要来了吗？

作者：汤之上隆

编译：小芯

内存衰退周期要来了吗？令人担忧的Intel EUV、封装基板短缺和战争

存储器市场规模占半导体超过1/4，是半导体的支柱产业，其庞大的市场体量能够较大程度上影响到半导体行业的景气波动（存储器的周期性波动高于半导体行业）。

从供给端看，受缺”芯“潮影响，各国的半导体企业进入创世纪的晶圆厂扩产潮，而在需求端，疫情致使众多终端装置如智能手机、服务器、PC 至利基型消费性电子产品零组件供应受阻，间接导致采购端对于相对长料的存储器拉货意愿下滑，不禁让人担忧：“内存衰退周期要来了吗？”

日前，日本半导体行业研究专家汤之上隆对这一问题作了分析。

作者简介：

汤之上隆，微细加工研究所所长。1961年出生于日本静冈县，毕业于京都大学研究生院（原子核工学专业）后进入日立制作所工作。之后的16年间，在中央研究所、半导体事业部、尔必达存储器（借调）、半导体尖端技术公司（借调）从事半导体微细加工技术开发。2000年被京都大学授予工学博士学位。现为微加工研究所所长，从事半导体、电器产业相关企业的顾问及新闻工作者工作。著有《日本半导体战败》（光文社）、《电机半导体大崩溃的教训》（日本文艺社）、《日本型产品的失败零战半导体电视》（文春新书）。

以下为编译全文：

《存储器衰退要来了吗？令人担忧的Intel EUV、封装基板短缺和战争》

01 、最可怕的存储器衰退

看着2021年半导体厂商疯狂的资金投入，以及各个国家和地区超常补贴投入的趋势，笔者吓得脊背发凉。仅去年一年，全球就至少投资了 12 万亿日元，开工建设了 29 家工厂（图 1）。

图1：各国家/地区半导体待加热资金投入及补贴政策

我不得不认为，如果我们以这样的速度建设半导体工厂，最终会变得供过于求，导致价格暴跌和半导体衰退。尽管上述 29 家工厂尚未开工，但除 MOS memory（半导体存储，即内存）外，各种半导体的出货量均创历史新高（图 2）。

图2：按类型划分的半导体出货量  来源：作者根据WSTS数据制作

而令人担忧的是，自 2020 年后新冠时代以来，各类半导体的出货量都以不同的斜率增长。如果把 2021 年开工建设的 29 家工厂的半导体加入其中，会发生什么？

我不禁特别好奇 MOS memory的扩产行为。原因是其中包含的DRAM的供需平衡容易被打破，接着经历价格暴跌，这种影响往往会到扩产的厂家自己头上。

例如 DRAM 价格在 1995 年因 Windows 95 的销售预期而飙升，然后在 1996 年暴跌。当时笔者在日立制作所工作，受此影响，从中央研究所被赶到了DRAM工厂。IT 泡沫在 2000 年也达到顶峰，并在 2001 年破灭。日立建议所有40岁以上及科长以上的员工提前退休，而曾借调到前尔必达存储器（elpida memory）和半导体尖端技术公司 Selete的笔者被迫退休。接着，在创办芯片回收利用风险企业的2008年，雷曼冲击波爆发后，出资的公司开始倾斜，风险企业也随之破产，而笔者则沦落为无业、无薪，去了Hello Work（“公共职业安定所”，日本政府专门免费帮人找工作的机构）。

2018年存储器泡沫破灭之际，笔者奇迹般地平安无事。但存储器萧条在2019年触底，此后出货量再次增长，倾斜度与 2016-2018 年内存泡沫期间相同或更大。或许出货价值将再次见顶，内存衰退将在未来到来。当我这么想的时候，我感到无法用语言表达的焦虑。

但如果只是一味地害怕，那也无济于事。笔者彻底分析了世界半导体市场统计（WSTS）的数据。由此，我们得出“内存衰退暂时不会到来”的结论。因此在本文中，我想解释一下分析结果。但对于这一结论，也存在一些令人担忧的问题：一是英特尔能否推出应用EUV（极紫外）光刻技术的工艺，二是能否确保封装基板充足，三是俄罗斯对乌克兰的军事入侵影响在哪里，如何影响？尤其是最后一个问题，我不禁希望战争早日结束。

02 、DRAM出货量及出货量分析

正如我开头所写，Mos Memory中DRAM的供需平衡很容易被打破，导致过去多次价格暴跌。因此，甚至出现了"硅周期"的说法。

我们来看看1991年到2021年DRAM出货量和出货量的变化（图3）。可见，受价格影响，出货价值波动较大。运输价值的这种变化极大地改变了笔者的生活（这很乏味）。

图3：DRAM出货金额及出货数量 来源：作者根据WSTS数据制作

在这里，我们重点看出货量，大致可以分为四个时期。

（1）1991-2003年：出货量适度增加的时期

据了解，这主要是受日本、美国和欧洲等发达国家对个人电脑和电器产品需求的推动。

（2）2003-2011年：出货量急剧增加的时期

进入21世纪，以中国为首的金砖四国（巴西、俄罗斯、印度、中国）等发展中国家经济发展迅速。其原因是，由于这些新兴国家的人们购买了手机、电脑、各种电器产品，所以对搭载在这些产品上的DRAM绝对数量的需求增大。

（3）2011-2018年：出货量每年约150亿颗，几乎保持不变的时期

DRAM制造商逐渐被淘汰。尤其是2012年尔必达破产并被美光科技收购后，全球DRAM厂商实际上集中到三星电子、SK海力士、美光这三家公司。这三家公司垄断了DRAM市场，为了防止供过于求导致价格暴跌，它们进行了隐性谈判，各家公司都调整了产量。因此，估计出货量已经趋于平稳。

（4）2018年后：当DRAM出货量再次开始暴增时

笔者认为原因如下。DRAM的主战场正从 PC经由移动而转移到数据中心的服务器（图 4）。于是，三大DRAM厂商又开始争夺服务器的DRAM霸主地位。随着数据中心投资变得更加活跃，人们产生了增加 DRAM 绝对数量的需求。据估计，由于这些因素，出货量正在迅速增加。

图 4：DRAM 各应用产量（单位：100 万个，2Gb 换算） 来源：Mark Liu，《大流行后服务器供应链的机遇与挑战》，2020 年 6 月，TrendForce 主办，作者基于网络研讨会的材料

元宇宙加速了存储器需求的增长

此外，在当今世界，"metabase"（元宇宙）已成为流行语。起初我不确定它是什么，但它似乎意味着在线构建的 3D 虚拟空间。我还没有研究过它是如何工作的，但我知道我比以往任何时候都更需要一个数据中心。因此，不难想象，数据中心需要大量的服务器，这些服务器对DRAM的需求将迅速增加。而这样的需求扩张不仅应该扩展到DRAM，还应该扩展到NAND闪存和处理器（MPU）。下面我们来定量的看一下。

03 、NAND出货价值及出货数量

图 5 显示了 NAND 出货价值和出货数量的变化。与 DRAM 一样，如果关注出货量，这可以分为三个时期。

图5：NAND出货金额及出货数量 来源：作者根据WSTS数据制作

（1）2000-2016：出货量线性增长时

随着 NAND 市场扩展到 iPod、数码相机和手机等音乐播放器，对 NAND 的需求增加，出货量似乎有所增加。

（2）2016-2018：出货量稳定在每年约110亿台时

大约在 2016 年左右，NAND 的结构从 2D 转变为 3D。在 3D NAND 中，存储单元垂直堆叠以增加存储容量。在 2D 下，存储单元做得更精细，因此芯片尺寸变得更小，从一个晶圆上获得的芯片数量增加了，因此出货的芯片数量也增加了。但是，在 3D 中，芯片尺寸基本没有变化。因此，虽然出货位增加了，但估计出货个数并没有增加。
 

（3）2018年后：当NAND出货量再次开始增加时

这被认为与DRAM出货量同时增加的原因相同。也就是说，随着对数据中心的需求扩大，对服务器的需求也急剧增加，对安装在服务器中的SSD的需求也增加了，结果作为核心部件的3D NAND出货量也随之增加。SSD的数量开始增加......

综上所述，DRAM和NAND出货量自2018年以来大幅增长。可以推断，这是因为数据中心对服务器的需求越来越大。那么作为服务器的大脑的MPU的出货趋势如何呢？

图6：MPU出货金额及出货数量  来源：作者根据WSTS数据制作

从2016年到2018年，我们进入了全面的大数据时代，亚马逊、微软、谷歌等云厂商都开始建设数据中心。数据中心需要配备最先进的服务器。

但是，如前所述，英特尔未能成功批量生产10nm MPU，这个状态持续了5年以上，第7任CEO Bob Swan 甚至表示："2020年，英特尔有可能成为Fabless。"

不久前，IBM出身的Lisa Su就任AMD CEO，将MPU的生产委托方从Global Foundries（格罗方德）变更为TSMC（台积电），以最先进的微型化工艺开始推出高性能MPU。（详见报道《这是处理器市场的衰落吗？让 AMD 在追赶英特尔的过程中实现飞跃的两个关键参与者》 /2020 年 5 月 15 日）

为了解决这个问题，英特尔已采取措施增加 MPU 内核的数量，同时延长 14nm 工艺的寿命，以提高 MPU 的性能。然而，核心数量的增加减少了可以从一个晶圆获得的芯片数量，并降低了良率。

由于英特尔的不景气，2016 年出货量为 5.18 亿台的 MPU 下降到 2019 年的 3.83 亿台，减少了 1.35 亿台，导致全球 MPU 短缺。结果，用于数据中心服务器的量产 DRAM 和 NAND 充斥市场，导致价格暴跌。事实上，作为典型DRAM的DDR4的8Gbit产品从8.2美元跌至2.8美元。此外，作为典型NAND的MLC的128Gbit产品，从5.6美元跌至3.9美元（图7）。

图 7：典型 DRAM 和 NAND 大宗交易价格（截至 2022 年 1 月  来源：作者根据 DRAMeXchange 数据制作

换言之，2019年的存储器衰退可以说是因为英特尔未能量产10nm MPU（详见拙著文章《Intel 10nm工艺的推迟引起的存储器衰退》/2018年12月7日）。那么，这种存储器衰退今后有没有可能发生危险？

04 、暂时会不会出现存储器衰退？

图 8 显示了 MPU、DRAM 和 NAND 出货量的变化。MPU 出货量在 2019 年下降到 3.83 亿颗，但随后有所回升，2021 年出货量为 4.99 亿颗，接近 1900 万颗，直到 2016 年的峰值。

图8：MPU、DRAM、NAND出货量  来源：作者根据WSTS数据制作

MPU出货量增加，可以举出英特尔的10nm勉强启动、以及向TSMC委托生产的AMD的MPU的出厂数增大等原因。如果 MPU 继续增长，我认为不会出现存储器衰退（我真的希望如此）。

然而，也有担忧。就像我开篇写的，一个是英特尔的EUV推出，一个是封装基板不足，另一个是战争。

英特尔能掌握 EUV 吗？

英特尔公布了 2021 年 1 月成为第 8 任 CEO 的 Pat Gelsinger 的新路线图（相关文章：《英特尔重命名工艺，远离“nm”》/2021 年 8 月 03 日）。在这个路线图中，我写了开始量产年份和台积电技术节点的比较（图 9）。

图 9：英特尔的新路线图   来源：英特尔

英特尔将于 2021 年开始量产“英特尔 7”，并于 2022 年出货。这与 2016 年量产启动失败的 10 nm 同代 (结构、材料、工艺可能已经改变 )，并且与 TSMC 的 N7(ArF 液浸版 )相同。而且，随着该量产的发展，估计全球出货的 MPU 数量正在增加。然而，除此之外还有许多棘手的问题。

首先，当我们比较英特尔和台积电时，认为“英特尔4”对应台积电5nm，“英特尔3”对应台积电3nm，“英特尔20A”对应台积电2nm。假设这种对比是正确的，英特尔将不得不在 2022 年底量产“英特尔 4”，它有大约 15 层 EUV。

不过英特尔只有大约3个EUV，推测不是量产的NXE3400而是研发机NEX3300。在这种状态下，台积电的 5nm 等效“Intel 4”在 2022 年下半年推出的可能性很小。说到这一点，2023年下半年推出“英特尔3”和2024年推出“英特尔20A”似乎是无望的。

如果英特尔无法掌握 EUV，“英特尔 4”和“英特尔 3”的量产不启动，可能会再次导致 MPU 短缺。为了不造成这样的MPU短缺，期待英特尔将"英特尔 4"和"英特尔 3"完全委托给台积电生产，以及 AMD将填补英特尔漏洞规模的 MPU给台积电生产等。

那么，英特尔会怎么做？会不固执地依靠台积电吗？

服务器封装板不足

另一个担忧是，即使英特尔和 AMD 可以通过外包给台积电来生产 MPU，搭载该 MPU的 FCBGA（Flip Chip-Ball Grid Array：倒装芯片球栅阵列）基板也不足。

该FCBGA基板是日本Ibiden（伊维登）和Shinko Denki（新光电子）的独家舞台（合著的《半导体制造装置和材料，日本的占有率为何高？2021年12月14日，"日本人特有的气质"产生的竞争力），但由于世界性的服务器需求增加，FCBGA基板严重不足（图10）。

图10：FCBGA基板供需展望  来源：Tadashi Kamewada（AZ Supply Chain Solutions）《2022 Semiconductor Backstage Process Outlook》，2022年2月18日，环球网主办。摘自研讨会材料

根据前英特尔合著者 Tadashi Kamewada 的说法，FCBGA 板的短缺预计将持续到 2024 年。如果板子持续不足，可能会成为瓶颈，导致MPU for Server（服务器）不足。这是英特尔和 AMD 都无法解决的问题，所以 Ibiden 和 Shinko Denki 只能尽力而为。

盼望战争早日平息

英特尔的 EUV 启动问题和 FCBGA 板短缺问题是和平时期的技术和产能问题（尽管在新冠灾难中能否称为“和平时期”值得怀疑）。

然而，俄罗斯对乌克兰的军事入侵显然是“紧急情况”。2022年3月10日，岸田首相表示，“根据形势的发展，世界和日本都将陷入战后最大的危机”（日经新闻3月10日）。然而，这种说法是在“（日本）能源价格飙升”的背景下使用的。该作者认为，“不会那么远。”

仅从半导体产业来看，在这种"非常时期"，很难预测哪里会出现什么供应链断裂、哪些领域会出现何种影响。在半导体制造中，在全球范围内形成了一级供应商、二级供应商、三级供应商等非常复杂的供应网络，因此即使延迟了一种原材料，都可能出现芯片完全不能被制造的情况。换句话说，这场战争很有可能导致半导体行业的大衰退。

（根据《俄罗斯入侵乌克兰对半导体市场有何影响？》，乌克兰是氖、氩、氪、氙等稀有气体和C4F6等半导体原材料的主要供应国。首先，如果稀有气体供应延迟，将会阻碍KrF和ArF曝光设备的生产及其光源的维护。此外，氩气、氙气和C4F6是用于绝缘膜蚀刻的重要气体，因此如果延迟供应，将无法制造所有半导体。如果战争延长，或者即使战争结束后天然气工厂也无法运转，将对全球半导体行业产生巨大影响。我希望它不会发生。）

最后，我希望战争早日结束，希望不会因为缺少 MPU（或因为战争）而导致存储器衰退。