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汽车存储:国产半导体的定鼎之战

随着自动驾驶和车联网的发展,汽车产业对存储器的需求与日俱增,将成为存储芯片中重要的新兴增长点和决定市场格局的有生力量。

PC时代,存储市场以个人电脑为主体,现在这个市场的比重正不才降,2016年约下降8%,目前移动设备和数据中心市场用存储器占比最大,其中移设式内存2016年占到整个内存市场的约42%。办事器内存2016年在整个内存市场的占比为24%。在后移动计算时代,车用存储将是未来新兴市场的增长点。

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(汽车半导体的增长带动存储器件的增长)

“自动驾驶需要更多的环境感知,随着传感器和额外MCU的安排,非易失性存储器件FLASH的需求也会在数量和容量上增长”,联电UMC的产品市场总监David Hideo Uriu分析。当然包孕其他半导体存储器件,如动态随机存储器件DRAM,NAND FLASH(非易失性闪存的一种,每Bit存储单元串联,写入速率高,但不能独立寻址)。

单论存储器件,2017年,每台车上要花费21$,这个数字通过2017年总的汽车销量和总的额存储容量相除得来。它仅仅包罗分离存储器件,不包孕集成到MCU内的存储单元。

市场研究机构Semico Research的总裁Jim Feldhan说,“对L1,L2级而言,每车存储容量不同不大,一般配置8GB DRAM和8GB NAND。但是L3,L4级另外自动驾驶时代正在到来,自动驾驶的高精度地图、数据、算法都需要大容量存储来支持。到2021年,一个L3级的自动驾驶汽车将需要16GB DRAM和256GB NAND;到2025年,一个L5级的全自动驾驶汽车估计需要74GB DRAM和1TB NAND”

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计算越来越快,与之匹配的存储也须越来大,总体来说,自动驾驶的到来催生了更大存储容量的需求。与此同时,复杂的ADAS,新兴的Infotainment应用正在改变汽车厂商的不雅观念,许多新型的存储器件正在应用于汽车电子上。例如ADAS系统,铁电存储器FRAM比传统的EEPROM(一种老式的电可擦除电可编程只读存储器)拥有更多优势。无需写等待,几乎可以实时存储重要数据(实际10us存储时间),这一点对ADAS 来说至关重要。EEPROM通常需要超过10 毫秒的写等待时间,因此不适用于高安适性应用。FRAM同时具备无写延迟和高速时钟速度,非常适合需要快速写入大量数据的应用。

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而Infotainment系统,需要HyperFlash(一种使用HyberBus接口的快速静态非易失性闪存)和HyperRAM(一种使用HyberBus接口的快速动态随机存储器)存储高质量图形。NOR FLASH(非易失性闪存的一种,每Bit的存储位并联,可独立寻址而且读效率高)则用于存储启动代码,而FRAM 用于存储设置信息。因此,即使汽车熄火后再立即启动,也可以正确地检索并恢复汽车设置。

自动驾驶所需的高精度地图,也对大容量的存储器件提出了要求,NOR FLASH在28nm以下遇到制程瓶颈,且大容量的NOR FLASH成本没有优势,不久的将来,NAND FLASH甚至eMMC(一种自带控制器和NAND型闪存,开发非常简单,容量可以做到很大)也会出现在汽车电子的应用中。

统计显示:全球eMMC市场预计将在2020年达到21亿片,驱动力是移动设备。汽车是增长最快的部分,预计2014~2021年器件年均增长16.4%。在汽车部分,信息娱乐预计年均增长20.5%,到2021年将近1.6亿片。

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岂论是哪一部分,RAM和NOR FLASH目前是汽车电子工程师们首选,但随着自动驾驶时代的到来,大容量,高速读写是趋势,NAND FLASH,eMMC, SSD(一种固态硬盘存储器),F-RAM甚至是MRAM(磁感存储器, 西安淋浴房,目前最新的一种存储器技术)都有可能大规模地应用于汽车电子。MRAM兼具NAND和NOR型闪存优点,可存储数据也可执行代码,而且读写速度比之快上1000倍,并提供几乎无限制的使用寿命。

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前景非常美好,但在汽车存储市场,技术会面临更多挑战。在消费类类市场,存储器件的应用可能主要关注容量、制程、产能。在汽车电子领域,可靠性关乎市场存亡。一个盒子,数据丢失了,大不了上了网、看不了电视;而在即将来临的无人驾驶时代,一辆汽车,哪怕分秒钟的数据丢失,面临的都将是一场灾难。

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可以必定的是,汽车电子是差别于大多数市场的。在消费电子领域,对于大温宽范围内的器件失效,有必然的容忍度;然而,在汽车电子领域,这是零容忍,而且有更为严苛的温宽要求。机会摆在那里,但岂论是三星、海力士还是镁光,所有想进军汽车存储的玩家都面临相同的挑战:更严格的车规尺度,更长的测试周期,更漫长的投入回报。

时间对所有人都是公平的,中国的存储半导体研发一直在追踪最新的技术,取得了不俗的成绩,岂论传统的还是新兴的存储器件,我们都有必然的技术储备。

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(大陆地区传统与新兴存储专利申请数据)

陪同着这些技术研发,存储半导体产业即将迎来一波高潮,而这高潮决不是如有些人所谓“有到来之可能”那样完全没有行动意义的、可望而不成即的一种空的东西。它是立于高山之巅远看东方已见光芒四射喷薄欲出的一轮朝日。

回首上世纪80、90年代日韩半导体的往事,三星、东芝的崛起借力于PC兴起带来的存储需求。为了对抗西方的半导体霸权,三星和东芝有联合,有反目,东亚两强的故事可以借鉴的很多,但其中的国家意志、本钱力量功不成没。如今三星和海力士已占据存储市场的豆剖瓜分,Toshiba逐渐式微,台系品牌只能走低端,在夹缝中保留。但就在这一片鏖战的红海,走来一支新军。

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建安十三年,刘备孙权联军在赤壁之战中大破曹操,一举奠定了三国鼎立的局面。如今中国存储半导体的发展有点类似这个格局,联吴抗曹。有国家意志、本钱力量加持,在台湾、日本存储芯片雇佣军的助力下,这两年中国掀起了建厂高潮。

2014年成立的国家集成电路产业投资基金,关注的第一位就是存储器战略。超过每年680亿美金,4500亿人民币的国内需求市场空间,使得存储器芯片是目前行业最确定的投资机会,存储器芯片最大的市场需求就是国产化。

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在这些大基金的鞭策下,我国存储产业已形成包孕发展NAND Flash的长江存储,专注DRAM的合肥长鑫以及福建晋华三大阵营。在这中间,不乏联电、台积电、尔必达的原班人马赶来助战。天时、地利、人和,存储器件市场已刮来一股东风,从芯片设计到晶圆厂、封测厂,都有国家队的身影。

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(我国存储芯片事件一览)

“两表酬三顾,一对足千秋”,这一次,我们谋好了开局:国家意志,本钱力量,智力资源都没有缺席。既得陇,复望蜀,如果选择一个汽车电子国产化的主战场,那么汽车级存储器件将是我们三分天下的定鼎之战。

幸运的是,在汽车级存储这个市场,传统的存储三大巨头三星,海力士,镁光也是才开始布局,在这片蓝海,我们并未落后太远。但是暗潮涌动,明争冷战正在上演:镁光除了供应汽车ADAS、仪表盘、信息娱乐系统需要的DRAM,还刚刚增加eMMC 5.0量产,提供8GB-128GB容量以应对大容量存储的需求,以及高端需求的SSD(一种固态硬盘存储器),美光嵌入式产品事业部市场副总裁KrisBaxter体现,2017年汽车存储的市场规模大约在22亿美元,汽车是鞭策美光嵌入式存储增长的第一大因素;东芝开始扩充其汽车级存储产品线,最新的eMMC 5.1将温度从-40℃~85℃扩宽至-40℃~105℃,应对新兴车载行业的兴起,并于2017年3月份开始批量生产。2015年12月三星电子成立汽车电子装备事业部吹响进军号角,2017年3月, 陕西苹果批发,三星电子花费80亿美元完成对哈曼国际的收购则成为一次成功的冲锋。三大巨头都在悄然进攻汽车存储市场。

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