日本存儲，新的希望？

20世紀80年代和90年代，日本半導體產業風光無限，曾佔據全球半導體市場半壁江山。1989年，全球十大半導體廠商中，有6家是日本半導體企業。然而，令人唏噓的是，至2023年，日本半導體企業已無一躋身前十。

內存曾是日本半導體產業的「頂樑柱」，為其在全球市場上的主導地位奠定了堅實基礎。但隨著技術革新和市場競爭的加劇，日本在存儲領域逐漸喪失了優勢。目前，DRAM市場主要被南韓三星和SK海力士以及美國美光三大巨頭所壟斷，三家公司合計佔據約90%以上的市場份額。日本企業中，僅有鎧俠（東芝2021年分拆出來的內存部門）在NAND閃存領域仍具有一定競爭力。

為應對日益激烈的市場競爭，日本企業開始將目光轉向新型存儲技術，試圖在這一新興領域尋求新的增長點。

存儲大國的興起與衰敗

說到存儲，最開始佔據優勢地位的是美國公司。1970年代初，美國公司如英特爾和Advanced Memory Systems率先推出了1K DRAM，主打大型機市場。憑藉出色的性價比，英特爾迅速攫取市場份額，佔據了領先地位。

日本雖試圖追趕，但DRAM這種「商品」，生命週期短暫，價格波動劇烈，從1974年至2000年間，DRAM的平均生命週期僅為2～3年。因此，誰能率先推出更新的產品，誰就能掌控定價權。在追趕過程中，日本公司往往剛完成一代產品的複製，美國公司便已推出了下一代。這種情況在1K、4K到16K DRAM的發展過程中不斷重演，日本幾乎無法撼動美國在存儲乃至計算機領域的地位。

事情的轉折發生在1975年，在日本政府的支持下，日本啟動了重要的VLSI項目，即超大規模集成電路（Very Large Scale Integrated Circuits）。VLSI項目聚集了日本五大半導體公司——富士通、日立、三菱電機、NEC和東芝，該項目直到1980年才結束，正是這一項目為日本在微加工工藝的各個部分獲得了一千多項專利。使得日本在兩個關鍵行業中取得領先地位：光刻技術和矽晶體技術。直到現在，日本在半導體制造相關技術方面仍然保持領先地位。

2023年全球半導體制造設備廠商銷售額前15名中，日本企業就佔據了7席，日本在全球塗料/顯影機（Tokyo Electron、Screen Holdings）市場佔有88%的份額，在矽片（信越化學、Sumco）市場佔有53%的份額，在光刻膠（信越、JSR、東京應化工業）市場佔有50%的份額。日本主要的半導體制造設備製造商的海外銷售比例超過80%，許多外國半導體公司都依賴日本製造的設備。

繼續說回存儲，VLSI項目也為日本率先研發出64K DRAM奠定了基礎。1977年4月，日本電報電話公司（N湯臣）宣佈成功研製出世界上首款64K DRAM芯片。兩年後，NEC、日立和富士通與美國公司幾乎同時將64K DRAM推向市場，日本的存儲技術首次追上了美國。1980年，日本更是率先推出256K DRAM，比美國早了整整兩年。

更為重要的是，日本企業不僅在技術上逐漸超越美國，而且在產品質量和成本上也具有顯著優勢。1980年，惠普公司的一項研究對美國和日本產品質量進行了比較，發現最好的美國公司生產的產品的錯誤率仍然比最差的日本公司生產的產品多6倍。日本企業對半導體生產線進行全面自動化改造，在關鍵的鍵合工藝中引入計算機控制，大大提高了產品質量和生產效率。相較之下，美國公司更傾向於依賴廉價的海外勞動力來完成這一最後工序。

隨著日本DRAM芯片大規模湧入全球市場，內存價格一度暴跌，短短一年內價格下降了60%。到1985年前後，美國除美光和德州儀器外的大多數DRAM公司面臨破產被迫退出存儲業務。到1987年，日本已佔據全球DRAM市場近80%的份額，成為全球存儲市場的霸主。

眼見日本存儲如日中天，美國坐不住了，包括美光、英特爾、國家半導體等在內的廠商對日本提出反傾銷訴訟，1986年，美國裡根政府與日本簽訂了《美日半導體協議》，並對日本存儲芯片徵收100%的關稅。協議要求日本擴大美國半導體公司在日本市場的份額，同時限制日本企業的出口。這一措施直接削弱了日本在存儲市場的競爭力，成為日本半導體產業衰退的轉折點。

在日本半導體產業衰退之際，南韓迅速崛起。南韓政府採取了與日本相似的支持策略，通過政策扶持、融資支持等手段，推動本土半導體企業的發展。三星和SK海力士通過大量投入研發和生產，不斷提高製程工藝、降低成本，並在市場上迅速取得突破。

與南韓企業的持續進步相比，日本的存儲企業由於創新不足、市場策略失誤以及內部管理上的問題，逐漸失去了競爭優勢。許多日本公司相繼退出存儲業務，例如富士通自2000年起逐步退出了SRAM和DRAM市場，2005年停止了NAND Flash和NOR Flash的生產。在存儲這個市場當中，套用日本的一句話：美國搗米，日本揉麵糰，南韓吃DRAM蛋糕。

面對傳統存儲領域的衰退，日本的存儲巨頭們開始尋求新的發展方向。

新型存儲，日本最後的希望？

新型存儲技術的崛起，是日本存儲企業轉型的一大方向。

隨著人工智能和數字化轉型的廣泛應用，市場對高密度、高速度、低功耗的非易失性存儲器的需求日益增大。相較於傳統的DRAM和NAND Flash，新型存儲技術如MRAM、FeRAM等，在速度、功耗、耐久性等方面展現出顯著優勢。這些優勢不僅能夠滿足日益增長的數據存儲需求，而且為物聯網、人工智能等新興應用提供了更廣闊的發展空間。

鎧俠的MRAM之路

在日本的半導體企業中，鎧俠（前身為東芝存儲）在新型存儲技術上的佈局備受關注。早在2011年，東芝就與南韓的SK海力士簽署了聯合開發協議，共同研發S湯臣-MRAM（自旋轉移力矩磁性隨機存取存儲器）。S湯臣-MRAM的核心存儲元件是磁隧道結（MTJ），其工作原理依賴於改變自旋狀態來實現數據的存儲。為提高存儲密度和降低成本，縮小MTJ的尺寸成為實現高密度S湯臣-MRAM的關鍵技術目標。儘管這一領域的研究已持續多年，但至今仍然處於研發階段，尚未實現大規模量產。

S湯臣-MRAM的結構和工作原理

（來源：TEL）

據報導，鎧俠將在2024年12月的國際電子器件會議（IEDM 2024）上展示其最新的MRAM技術。鎧俠與SK海力士聯合研發的高容量交叉點MRAM技術，通過結合適合大容量的選擇器與磁隧道結，以及交叉點陣列的精細加工技術，實現了MRAM最小單元半間距20.5納米的讀寫操作。

然而，隨著存儲單元的進一步小型化，可靠性往往會下降。兩家公司通過開發一種利用選擇器瞬態響應的全新讀出方法，並減少讀出電路中的寄生電容，嘗試提升MRAM在小尺寸下的性能和穩定性。這一潛在的技術突破，或許能為MRAM的商用化奠定基礎。

富士通的FeRAM與ReRAM佈局

富士通半導體則在FeRAM和ReRAM上發力。富士通早在1995年就開始開發FeRAM，1996年Ramtron公司首先把FeRAM推入市場，Ramtron是fabless，當時富士通給Ramtron做wafer process代工服務。1999年富士通量產了FeRAM，量產至今已超過20年，累計交貨44億片。

跟傳統的存儲產品相比，FeRAM的讀寫速度更快，因為傳統的NOR Flash、EEPROM需要擦除的操作，而FeRAM的寫入方式是覆蓋寫入，所以FeRAM要更快一些，是納秒級的，遠遠超過NOR flash、EEPROM。另外，讀寫耐久性也是FeRAM最大的特點之一，其讀寫次數有1013、1014之多，在某種意義上相當於無限次，一般EEPROM、NOR Flash都有寫入次數的限制。基於這兩個特點，在實時寫入、掉電保護等，比如需要讀寫次數比較高的電表應用當中，FeRAM有不可替代的絕對優勢。

儘管FeRAM在特定市場領域具有優勢，但其發展也受限於兩個主要瓶頸：容量和成本。目前市場上FeRAM的最大容量為8Mbit，遠低於主流存儲器的容量需求，此外，FeRAM的生產成本相對較高，導致其在大規模應用中難以競爭。目前，全球FeRAM主要有兩家供應商有兩家：富士通和英飛淩。英飛淩方面是因為收購了CYPRESS（收購了Ramtron）獲得了FeRAM業務。

此外，富士通也在ReRAM（電阻式隨機存取存儲器）上有所佈局。ReRAM是一種備受關注的非易失性存儲技術，許多人認為其有望替代NOR Flash，特別是在傳統工藝接近瓶頸的情況下。目前，富士通是少數實現ReRAM量產的公司之一，最大容量為12Mbit。然而，據RAMXEED（原富士通半導體）總經理馮逸新在最近的一次論壇中指出，要替代NOR Flash，ReRAM的容量需要達到16Mbit到1Gb才行。

TEL的設備支持：加速S湯臣-MRAM的產業化

日本半導體設備巨頭Tokyo Electron（TEL）也在助力新型存儲的產業化，其重點研發的薄膜沉積設備EXIM濺射系統被認為對S湯臣-MRAM的生產至關重要。EXIM系統集成了薄膜沉積的最新技術，具有高達230%的磁阻比，使得大容量存儲芯片的生產成為可能。這一設備的推出不僅標誌著TEL在設備技術上的領先地位，也為日本半導體企業的存儲轉型提供了有力的支持。

TEL還與比利時的全球知名納米電子研究機構IMEC合作，進行先進圖案化技術的聯合研究。TEL希望通過這項合作，推動更高密度的存儲單元製造，解決新型存儲在量產化過程中的成本和可靠性問題。

日本發力新型存儲的優勢和挑戰

傳統存儲尤其是DRAM的市場競爭格局已經比較成熟，新型存儲，不失為是日本企業在細分領域突破的方向之一。

日本在發展新型存儲技術方面具備以下幾項顯著的優勢：

日本企業在材料科學和精密製造領域有深厚的技術積累，這在存儲器研發中起到關鍵作用。新型存儲技術，如MRAM、FeRAM、ReRAM等，涉及複雜的材料應用和工藝，例如磁性材料、鐵電材料和電阻材料的開發與加工。

日本在半導體設備領域能提供強有力的支持，先進的新型存儲設備如S湯臣-MRAM的製造需要高精度的薄膜沉積和圖案化工藝，如前文所述的TEL所研發的設備支持為日本在新型存儲技術的產業化提供了有力保障。

日本企業在傳統存儲（如DRAM和NAND Flash）領域曾長期佔據領先地位，積累了豐富的存儲技術研發經驗。在存儲技術領域也擁有大量專利儲備，這些專利涵蓋了材料、工藝和器件結構等多個層面。儘管傳統存儲市場份額被南韓和美國企業佔據，但日本公司在存儲器件的設計、材料選擇和量產技術方面的積累，能夠直接應用到新型存儲的開發中，降低技術門檻並加快開發進度。

儘管這些老牌企業在新型存儲領域的探索取得了一定成就，但它們依然面臨諸多挑戰：

技術壁壘：新型存儲技術的研發和應用需要大量的資金投入和技術積累。如何在保持現有市場份額的同時，平衡新技術的開發，是企業面臨的重大挑戰。

市場接受度：新型存儲技術的市場推廣需要時間，客戶對於新技術的接受度和適應能力也是企業成功轉型的重要因素。

競爭激烈：除了傳統競爭對手，這些企業還需面對來自全球範圍內新興存儲公司的競爭，這些公司往往擁有更靈活的市場策略和創新能力。

結語

新型存儲技術，能否成為日本半導體業重回巔峰的救命稻草？在MRAM、FeRAM和ReRAM等新型存儲技術的探索和推動下，日本企業展現了重回存儲市場的決心。然而，市場變化莫測，技術難題猶存，未來的成功與否取決於日本企業能否保持創新和耐力，並在全球半導體競爭中找準自己的定位。儘管前路漫長，但在新型存儲的浪潮中，日本半導體行業仍有望在未來的存儲市場中佔據一席之地。

參考：

【1】The Rise and Peak of Japanese Semiconductors，asianometry