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发布时间:2020-05-25 17:05:51

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作者:(日)汤之上隆

出版社:机械工业出版社

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失去的制造业:日本制造业的败北

失去的制造业:日本制造业的败北试读:

前言

世界巨头接连陨落

很多曾屹立于世界之巅、尊享过荣耀的产业和企业也会在顷刻间衰败、陨落、倒闭。

我自1987年进入日立制作所成为半导体技术人员以来,曾多次目睹世界巨头陨落的悲剧。其间,我本人也曾卷入此类悲剧。

我于20世纪80年代中期成为半导体技术人员,当时日本的半导体存储器DRAM(动态随机存取存储器,dynamic random access memory)在世界市场上的份额为80%,以世界最高质量著称,被称为“产业中枢”,然而在2000年,它却不得不黯然退出半导体市场。

仅存的一家NEC和日立的DRAM合资企业尔必达,虽然其技术实力优于三星,但它还是在2012年2月破产,被美国镁光科技并购。

日本半导体产业退出DRAM后,开始进军数码家电及汽车用半导体SOC(system on chip,即片上系统)市场,并上马了大量国家级项目。但这些项目无一例外地陷入赤字,尤其是日立、三菱和NEC合资成立的瑞萨电子,虽然在汽车用半导体领域,以世界市场占有率超过40%这一有绝对优势的市场份额和世界最高品质闻名业界,但最终却陷入倒闭危机,被以官民资金(株)产业革新机构为中心的官民联合收购。

过去日本的核心产业——电视产业,在数字电视领域以世界最高画质闻名,然而在2013年3月,索尼、夏普、松下的赤字合计达到100.6万亿日元,三巨头纷纷更迭社长,采取大规模裁员措施。

类似事件不仅发生在日本,自1992年后,世界半导体销售额曾高居榜首,致力于开发世界最先进半导体技术的美国英特尔公司也在一夜间面临经营危机。更新换代与创新窘境

上述日本的半导体、电器产业以及英特尔等都有共同点,那就是它们产品的世界市场占有率都曾位居第一,都曾创造出世界的最高品质,都拥有世界最先进的技术。尽管如此,它们最终都失去了市场,从产品制造中退出、破产、覆灭,最终陨落。

若逐一探索其原因,你会发现每个公司都有各自特殊的原因。但是,诸多因素中均有一个共同的原因。

简而言之,这个原因就是它们所涉及的各行业和企业都没有与时俱进,没能及时更新换代,陷入了“创新窘境”。

所谓“创新窘境”,即世界巨头企业过于忠实地倾听现有顾客的要求,因而导致被那些尽管产品性能和质量不高,却具有“便宜、小巧、方便”等特征的颠覆性技术的企业所淘汰。

哈佛商学院的克莱顿M.克里斯坦森教授在详细调查了硬盘驱动器发展史后,在其著作《创新者的窘境》(The Innovator's Dilemma,日译版已由翔永社于2001年出版)中进行了阐述。

世间万物无时无刻不处于变化之中。世间的普遍真理即是“变”。虽然世人皆知此变,但无论是世人、产业甚至连国家都谈“变”色变。

那些世界市场占有率第一、拥有世界最高品质、最先进技术的世界巨头企业因为拒绝改变,最终走向衰落。更新换代,10年一轮回

接下来,我们来看一下1970~2013年间电脑、电话、汽车三大产业的变化(见表0-1)。

在电脑业界,经历了20世纪70年代的大型机到1990年的PC,以及2000年的笔记本电脑,再到2013年的平板电脑及智能手机,可以说这已不再是手机,而是具有通话功能的微型电脑。表0-1 各种机器的更新换代

从过去的固定电话到2000年前后手机的普及,再到现在的智能机,电话产业发生了巨大变革。

2000年之后,以配研法制造的显像管模拟电视也已经转型为由模块式制造的液晶电视或等离子数字电视。

在汽车产业,长期以来的主流燃油车似乎也已被混合动力车、电动车(EV)等环保车所取代。

换言之,日本的半导体产业及电器产业并未能成功顺应上述转型。如果用飞机来打个比方,这就好比尽管已经进入喷气式飞机的时代,日本却依然还在生产过时的螺旋桨式飞机。

目前,日本的汽车产业顺利地适应了时代潮流的变化,以集成技术造就的汽油发动机及混合动力车引领世界。然而10年、20年后,当电动车及燃料电池车的时代悄然而至时,日本的汽车产业能否像现在一样安然处之,就不得而知了。但凡一步走错,便可能会重蹈半导体产业和电器产业的覆辙。与产品共变化的半导体

电脑、电话、电视等数字家电产品以及汽车等,都使用了大量半导体。

准确说来,半导体是指半导体集成电路,本书中将之简称为半导体。它的英文是IC(integrated circuit),大规模IC被称为LSI(large-scale integration)。

半导体是上述产品的核心零部件,通过组装到产品中来实现产品的功能。当时代更替,产品寿命殆尽,且为其他产品取而代之时,过时的核心零部件——半导体产品自然会滞销。半导体产业也无法逃避被更新换代的命运。

那么,我们来观察一下1971~2012年世界半导体销售额前10的更迭(见表0-2)。

从表0-2中可以一目了然地看到,1990~2012年约20年间,一直保持前10的只有东芝、德州仪器、英特尔三家公司。另外,自1971~2012年约40年间,稳居前10的企业只有德州仪器一枝独秀。表0-2 半导体销售额排名变迁

资料来源:电子杂志《半导体数据手册》中我的“VLSI报告”(Press Journal出版)。

由此可见,半导体制造商的盛衰荣枯是如何激烈。而相反,也可见40年间一直立于不败之地的德州仪器是多么的伟大。

如此一来,可见各个产品基本是以10~20年为单位进行更新换代的。同时,产品中使用的半导体也发生了转型。

2000年日本退出DRAM市场,尔必达的破产,日本的SOC业务一蹶不振,电视产业的凋敝,以及美国英特尔陷入危机,这些都源于它们没有适应各自产业的转型,从而陷入了创新的窘境。日本半导体产业与零战的共通性

日本的半导体及电器产业的盛衰荣枯让人联想起活跃于第二次世界大战战场上的零式战斗机(以下简称“零战”)。

零战亮相之际,以其出色的战斗能力及远航距离闻名,被视为“无敌”战斗机。开战初期,美国战斗机应对零战的策略便是“逃跑战略”。

然而,随着战争不断激化,到战争后期,零战逐渐失去无人能敌的优势。这是因为美军对零战进行了彻底研究,找到了零战的致命弱点。零战在超高度性能、超高速性能及防弹性能方面均存在问题。美国战斗机F6F(地狱猫战斗机)为攻击零战的这一弱点,以超高度为庇护,采取一击制胜法,接连击落了大量零战。

零战的防弹性能之弱尤其致命。为实现海军要求(当初被认为不现实)的战斗能力及远航能力,零战机体必须非常轻盈。结果,日本海军失去了很多经验丰富的飞行员。

针对大型机厂商曾提出的“给我们生产永远不坏的DRAM”的要求,日本的DRAM厂商不计成本,真的生产出了质保高达25年的高品质DRAM。无独有偶,丰田要求瑞萨电子生产零缺陷的汽车半导体(微型电脑),于是,瑞萨电子一次次反复测试,即使公司在财政上陷入赤字,入不敷出了,也没有放弃生产高品质的微型电脑。

在此,可以看出日本半导体与零战的共同点。零战是在海军的要求(无防弹墙)下定制生产的,而DRAM及微型电脑也是按照大型机厂商及丰田对品质的要求(无视成本)定制生产的。零部件标准化及通用化未能实现

时过境迁,沧海桑田,然而日本人依然操持就业,止步不前。

零战与半导体的共通性难道是源于日本人的本性吗?

零战最大的问题在于其构造不适应进行批量生产。零战由中岛飞机及三菱重工制造。我听说其制造方法是将缜密的“集成技术”运用到极致。正因如此,日美战争甚至被称为“名手技艺与现代科技的交战”。(『零戦と戦艦大和』文春新書,2008年)

据该书介绍,中岛飞机与三菱重工虽然都生产零战,但因产品没有实现标准化,出现了各种问题,比如即使是同一型号,三菱制造的油箱却无法安装到中岛制造的飞机上,生产一线上使用的维修方法也不尽相同。

说到底,战争以数量取胜。然而,虽然仅有两家制造工厂,但两个厂之间却不能实现零件标准化和通用化,单凭工人用手工一台一台制造,只能说日本从一开始就没有任何胜算。

可见,日本人没有整体最优意识,倾向于追求局部的最优化。

在我看来,零战的例子与日立和NEC合资成立的尔必达公司的情况非常相似。虽说都是DRAM,但是日立和NEC的生产方法完全不同,毫无兼容性可言。因此,尔必达成立仅两年后,其市场占有率就降到了原来的1/4,公司濒临破产倒闭。

进一步分析可知,零战开始参战时的确是以压倒性优势凌驾于其他国家的战斗机之上。但是开战后,厂家并没有进行深入的技术研发,而是(按照海军命令)不断进行一些(可有可无的)微调。在这种毫无意义的反复中,它被美国迎头追赶并赶超。

可以说,半导体和电机也走了同样的老路。对最多5年就会更换掉的PC,却要求用于其中的DRAM具备25年质保的高品质;对于那些安装在汽车上,却很可能一次都不会使用的气囊用半导体(微型电脑),日本厂商一心追求着零缺陷;虽然电视的画质早已超越人眼的辨别范围,但日本厂商依然在追求画质的提高。

曾经,日本索尼销售了随身听,改变了人们享受音乐的方式,但在当下的日本,已经没有这类社会性变革了。半导体和电器产业所进行的变革都是框架内的,若要打个比方,我只能将其比喻为像在鸡蛋里挑骨头一样的改善和改良。未能与时俱进的企业和产业走向衰落

即便只是进行类似鸡蛋里挑骨头一样的改善与改良,但只要产品能够销售出去那也无可厚非。然而在各领域,每隔10~20年产品就会更新换代。很自然地,产品中的半导体也会更新换代。结果,原本畅销的产品会突然间滞销,而沿用至今的技术也就沦为无用之物。

本书将分别详细阐述日本退出DRAM市场(第3章)、尔必达的破产(第4章)、瑞萨电子的衰落(第5章)、日本电视产业的崩溃(第6章)、英特尔的危机(第7章)的原因。其实,导致这些悲剧发生的一个共同原因就是:遭遇产业转型的洪流,陷入产品创新的窘境,最终导致公司陨落。日本“技术实力神话”的危害

如上所述,我与日本的半导体产业共进退,一直走到了今天。我起初作为技术人员亲身制作半导体,后来转型为社会科学人员及顾问,研究日本半导体产业没落的原因。在此过程中,我发现日本半导体未能与时俱进,陷入创新窘境,从而走向衰落。

在我近30年的“半导体人生”中,最常听到的说法就是“日本技术实力雄厚”。一般的日本人、媒体、评论家及学者对此似乎都深信不疑,天真地认为日本是“制造业大国”,“日本技术实力雄厚”。

本书则要告诉大家,正是这个技术实力神话使得日本制造业陷入困境。

的确,1998年,日本在半导体、电视及电子领域以“Japan as Number One”(日本世界第一)之势席卷全球。

我感到无奈的是,在30年后的今天,日本的媒体、评论家、学者们等仍旧坚信“日本的技术实力依然是世界第一”。这些人到底是认为日本的哪个领域的哪项技术是世界第一呢?恐怕,这些人并无深刻见解,只是凭感觉说“日本的技术实力世界第一”吧。

技术实力有这样几个判断标准:实现高品质的技术实力、实现高性能的技术实力、以低成本生产的技术实力、以短时间生产的技术实力。仅凭某一标准判断拥有很高的技术实力,便得出“日本技术实力雄厚”的结论是完全错误的。

此外,一些幸运儿于20世纪70年代、80年代进入公司,他们搭载日本高度经济增长期的快车,现在成了日本电子企业的管理层。这些人依然敢于公开宣称“日本技术实力世界第一”,这让我感到头疼。

经历过这些年代的人拥有强烈的成功自豪感,他们毫无根据地坚信“日本在技术实力上绝对不会输”,阻碍了企业的变革。东山再起的第一步:承认失败

如上所述,日本大部分电子企业不能够与时俱进,更新换代,从而陷入创新窘境最终导致落败。而另一方面,它们在技术层面则完全输给了成功转型的韩国、中国台湾地区的企业。

有人说“日本在技术层面是赢家,但败在经营管理上”,这种看法是错误的。如果正视现实,可以说日本“无论在技术上还是在经营管理上都一败涂地”。

日本的电子领域若要重获辉煌,首先必须要老老实实地承认自己“输了”。因为只要不承认自己“输了”,便不会彻头彻尾地进行自我革新。

幸运的是,据我分析,日本虽在某些技术上力不从心,但对某些技术却是得心应手。而灵活运用这些擅长的技术,进行技术创新,才是东山再起的唯一途径。

这里所说的“创新”(innovation),我也多次强调过,并不是指《日经新闻》经常误译的“技术革新”。根据经济学家约瑟夫·熊彼特的定义,所谓“innovation”,就是“发明与市场的新的结合”。

近来,我将“迅速普及的技术和产品”称为“innovation”。本书构成及各章节内容

第1章我将简单概述自己如何与半导体结缘。我从研究生院毕业进入日立制作所,开始一个半导体技术人员的人生征程是在1987年。当时正值日本经济的鼎盛时期,亦是日本半导体的黄金时代。此后的25年间,日本半导体产业一直在走下坡路。

第2章我将说明何谓半导体,如何制造半导体,其中用到何种技术。如果读者觉得内容繁杂,可越过此章不读。但是,机会难得,如果读者能借此稍微了解一下半导体,对我来说也是无上光荣。

此外,有学者及媒体人认为“只要买来设备排成一排,按下按钮,人人都可以制造半导体(尤其是DRAM)”,但是读完此章你就会明白,事实并非如此。

第3章将论述日本为何退出DRAM市场。另外,我还将从借调到尔必达时的工作经验出发,阐述同样是DRAM,日立和NEC的生产技术大不相同。NEC重视统一性,而日立则优先采用新技术。从结果来看,双方都将手段和目的张冠李戴了。

第4章将在第3章的基础上,通过与三星电子进行对比来阐明尔必达倒闭的原因。

第4章正文之后将增加一个“小专栏”,根据我所知道的信息,介绍三星电子强有力的信息网。这在半导体业界虽然已是公开的秘密,但是登载在出版物之上尚属首次。

第5章将论述退出DRAM市场、转战SOC的日本半导体产业为何纷纷陷入经营赤字不能自拔。我还将阐述以下三个因素与瑞萨科技落败的关联性:国家项目和合资企业均未能产生协同效应;未能看清SOC本质;错误选择产生附加价值的技术。

第6章通过阐述曾经辉煌一时的电视产业如何从集成技术制造的显像管模拟电视转型为由模块式制造的液晶和等离子体等数字电视,进而说明索尼、夏普、松下等企业的电视业务相继崩溃的原因。

第7章将论述1992年以后,曾高居半导体行业销售额榜首、独占鳌头的英特尔所陷入的困境。正如过去PC淘汰大型机一样,现在PC也正遭遇智能手机的淘汰。英特尔受到此次更新换代的直接打击,陷入创新的窘境。

第8章通过分析数十种半导体制造设备,从而推导出日本既有强项技术亦有弱项技术这一特点。

第9章将论述:日本“制造业”若要东山再起,必须进行创新(innovation)。重拾创造性模仿能力

第9章是本书的结论,读完此章后,想必读者就会明白日本“制造业”今后的目标。

提到创造,一般认为其意味着“从无到有”,这种认识其实是错误的。我想要强调的创造是:统合两个以上的事物。其实这是一种模仿能力,过去曾是日本的杀手锏。

然而,日本的电子产业在登顶之后的瞬间便失去荣光,遭受重挫。日本若要重新获得竞争力,就必须重拾曾经抛弃的创造性模仿能力,进行创新,这才是日本重生的捷径。

我们不可能去预测未来的更新换代(转型)。但是,我想再次强调的是:世间万物的普遍真理就是“变化”。换言之,更新换代终究会到来。

因此当务之急是,尽早抓住转型的契机,并与之适应以未雨绸缪。为此,我们必须时刻关注全世界70亿人的动向,窥探创新的机会。

这一条不仅适用于半导体和电器产业,对于目前国际竞争力较高的汽车产业来说也同样适用。

现在,我们用一幅图来解释一下频繁出现在本书中的专业术语。

在您阅读过程中,如果遇到“这是什么?”的疑问时,请您参考一下本页。

在各位读者中,也许有人曾经拆卸过台式电脑。现在市面上出售的台式电脑基本上都是由十多个零部件组装而成。

在这几个不多的零部件中,半导体(此处不是指“半导体”这种介于导体和绝缘体之间的材料,而是指由半导体制成的半导体集成电路),也就是LSI(Large Scale Integration,大规模集成电路)至少有2件(最近有3件)。

让我们沿着从电脑启动到正常工作的这一系列流程,来看看半导体在其中都发挥了何种作用吧。

◆DRAM

打开PC电源后,就会听到卡塔卡塔的响声。这是设备在读取HDD存储装置内的OS信息的声音。所谓OS,即是Windows 7及Windows 8等系统。HDD的结构与录放机类似。这是源于它由储存OS等信息并旋转的磁盘以及从中读取信息的磁头所构成。紧接着,从HDD读取的OS信息会被传输到半导体储存器DRAM之中。如此一来,才有此PC。接着,我们便可以用Word写文章,用Excel制作表格,用PowerPoint绘图等。

◆CPU

使用PC进行的操作是以键盘录入的信息为基础,由半导体处理器“CPU”进行演算完成。计算结果由DRAM储存。那么,为何最初会从HDD中将OS信息传输到DRAM之中呢?这是因为HDD虽然可以存储大量的数据,但是读取和录入却非常耗时。DRAM的存储量虽然无法与HDD比拟,但是读取和录入速度却相当之快。因此,从HDD这个数据“仓库”中将需要的OS信息取出放到DRAM这个“桌面”上,然后和CPU一块高速地工作。如上所述,DRAM和CPU是PC中不可或缺的两种半导体。

◆NAND闪存(SSD)

近来,很多PC将HDD换成了NAND闪存半导体,亦有人将此存储器称为“SSD”(solid state drive)。NAND是1987年由东芝开发。HDD类似录放机,因此不耐撞击,且零件繁多,结构复杂。但是NAND闪存半导体耐撞击,且只需存储芯片和调节器即可,因此设计简单。它的不足之处在于读取、录入次数有限,且价格比HDD要高。但是,随着存储器制造商的技术进步,NAND闪存的读取录入次数飞速提升,价格也有所降低,起初仅用于上网本等低价PC,后来开始用于高性能PC及服务器。

◆SOC

目前,长期用于PC的主流存储装置HDD正在被NAND闪存(SSD)这一创新技术所取代。此外,最近流行的微型PC、智能手机以及平板电脑的主要存储装置一开始便舍弃了HDD而使用了NAND闪存。这些终端与PC相比,必须在极其微小的空间内装入所需零件,因此包括存储器在内的处理器基本都是单芯片。我们将这种LSI称为SOC(system on chip)。也有人将SOC称作“LSI系统”。

如此一来,智能手机、平板电脑等的处理器与PC用的处理器不同,被称为“AP”(即应用处理器)。

总而言之,PC、智能手机、平板电脑等信息通信器材所使用的主要半导体有DRAM、NAND闪存、CPU、SOC等。另外汽车上还使用车载半导体(微电脑)。

半导体行业的世界巨头分别是:DRAM和NAND闪存是韩国三星、PC用CPU则是美国英特尔,SOC的制造为中国台湾地区的台积电、微电脑则是瑞萨电子。第1章 我的半导体技术人生首相真的理解“制造业”吗

在叙述我的半导体人生之前,先引用一下2013年6月5日安倍首相“第三次经济增长战略演讲”(于内外情势调查会)的部分内容。

对于此次演讲,各种负面评价层出不穷,如“内容浅薄空洞”“缺乏具体性”“东拼西凑”等。而我更为担心的是,首相、政治家以及官员们是否真正理解“制造业”的本质。

安倍首相在演讲的开头部分做了如下发言。“现在正是日本引领世界经济复苏的时机。

世界也开始行动。奥巴马总统在呼吁‘复兴制造业’。欧洲也将重点转向经济增长,制造业再次受到瞩目。

世界在推动‘工业资本主义’的振兴,而此时,日本应该成为引领世界强有力的引擎。”

按照字面意思理解,就是说日本也应该学习美国“振兴制造业”,这是首相亲自发表的宣言。是非常振奋人心的,方向也是正确的。但是,安倍首相却完全没有谈及振兴的具体措施和路径。

演讲内容涉及解禁药品的网上销售以及放宽政策、建立特区的构想等内容。但既然日本是“制造业大国”,那就应该谈一谈如何重振制造业的竞争力。遗憾的是,首相完全没有谈及这一点。

至今为止,这样的场面已经反复了很多次。作为一名半导体技术人员,作为从事本国制造业工作的一员,我感到深深的遗憾。

究其原因,从某种意义上可以说,正是由于这些政治家、官员的不理解,我作为技术人员的大半人生才会几经沉浮,跌宕起伏。奥巴马总统突然造访AMAT

与日本首相安倍晋三形成鲜明对比,美国总统奥巴马似乎是真心希望振兴美国制造业。下文将介绍一则新闻,包括5大主要报纸在内的日本媒体无一对此进行报道。

2013年5月9日,奥巴马总统突然造访位于得克萨斯州奥斯汀的AMAT(Applied Materials,应用材料公司)。此新闻在美国成为热门话题,然而日本报纸却未对此进行任何报道。

AMAT公司是一家设备制造厂商,1992年以后该公司的半导体制造设备销售额稳居世界第一。2013年9月24日,AMAT宣布与世界排名第三的东京威力科创(Tokyo Electron)合并,引起了业界的广泛热议。

图1-1是奥巴马总统视察AMAT的生产设备装配工厂时的情形。图中左侧进行解说的就是AMAT当时的CEO迈克尔R.斯普林特。据说公司的超级VIP即使进入无尘室也不用穿戴清洁套装(防尘服)。二人之间有两种直径不同的硅晶圆。前方的就是目前用于半导体芯片标准化生产的直径为300mm的硅晶圆。而内侧有奥巴马总统倒影的就是即将开始批量生产的直径为450mm的硅晶圆(摄影师的技术着实高超!)。

提供450mm硅晶圆的是研制了最先进半导体光刻技术的Molecular Inprints公司,据说英特尔的领导也一起参加了视察。图1-1 突然造访应用材料公司的奥巴马总统

资料来源:Molecular Inprints。奥巴马真心寄望美国回归制造业

我听说奥巴马总统参观了工厂之后,还在1000多名AMAT员工面前发表演讲,称“美国政府将全力支持半导体等高新制造业”。

奥巴马总统在自己第一任期的初期就提出了5年内实现美国工业产品出口倍增的计划。起初所有人对此都持怀疑态度,但美国国内的氛围却发生了巨大的变化。

虽然以再生能源的普及为依托的绿色革命以失败告终,但是我们可以看到,3D打印机、机器人、脑科学以及网络安全等产业都取得了长足进步。而且,从此次突然造访我们也可以看出,美国下定决心要加强最尖端的半导体产业。页岩气革命也助推了其发展。

可见,奥巴马总统真心寄望美国回归制造业。

就在2012年5月,奥巴马总统也曾突然访问过位于纽约州立大学奥尔巴尼分校(State University of New York at Albany)的纳米科学与工程学院(College of Nanoscale Science and Engineering,CNSE),并在该校发表了如下演说,“贵学院是唯一一所注重纳米技术的优秀大学,这里汇聚了世界顶尖研究人员。希望你们的研究能够扩展到全美。”

奥巴马连续两年访问半导体相关机构,受到了各界的关注。据奥尔巴尼分校的平山诚教授介绍,该事件被大大小小近百家媒体广泛报道。

而日本媒体未对该新闻进行任何报道,这是否意味着其已对半导体毫无兴趣了呢?虽说日本的半导体产业萎靡不振,但是对美国半导体业界的大事件日本媒体却完全不予报道,这可以说是一种失职。安倍经济学的第三支箭“刺激民间投资的经济增长战略”可以说相当于奥巴马总统的回归制造业战略。如此说来,安倍首相应该访问相当于CNSE的筑波创新竞技场(TIA)以及在半导体设备方面可以与AMAT匹敌、名列世界第三的东京电子。

如果说对衰落的半导体产业心有余而力不足的话,那么访问丰田汽车也是一个选择。这是因为如果能够直接得到本国领导人的鼓励,对于员工来说毋庸置疑是一针强心剂。而从这一点,我们可以感受到日本和美国认真程度的差距。停留于考察、分析层面的“制造业白皮书”

政府每年都会出台《制造业白皮书(关于制造业基础技术的振兴政策)》。《制造业白皮书》是依照《制造业基础技术振兴基本法》第8条,每年向国会报告的年度报告书,由厚生劳动省、文部科学省、经济产业省共同完成。自2001年开始制作,目前已经出台12册,今年将出台第13册。

各省厅跨部门总结并出台这样的白皮书,是日本政府重视“制造业”的佐证。然而其内容却让人难以苟同。

因为虽然每次都进行考察和分析,但是缺乏具体建议。

2012年度的《制造业白皮书》于2013年6月7日在内阁会议上通过。该白皮书的梗概指出,关于日本制造业,“日元贬值使得企业的短期业绩好转,但是由于生产基地转向海外、研究开发经费削减等因素,企业中长期竞争力的下降令人忧虑”,并敦促企业加强研发以及增加设备投资。

但是,关于如何才能强化研发、促进设备投资这一点,白皮书并没有明确的叙述。

譬如,该白皮书对日本的电器产业、索尼、松下、夏普等纷纷陷入危机的状况,做了如下考察和分析。

在新兴国家市场,日本企业在规划、市场营销、销售等方面落后于他国企业。市场营销能力较弱的原因在于“经营战略”和“缺乏国际化人才”;销售能力弱在于严重缺乏“价格竞争力”以及“缺乏国际化人才”和“销售渠道”。该考察、分析的大方向是正确的。但这只是研究的一个结果,并不意味着解决了“国际化人才不足”“销售渠道”匮乏的问题后,日本的制造业就一定会复苏。

此外,白皮书还指出日本制造业的研发经费减少这一问题。日本制造业的研发经费在2007年达到12.2兆日元的顶峰后,2010年减少到10.5兆日元,2011年国内的设备投资仅为1990年的70%。以电器产业为例,松下、索尼、夏普3家公司的设备投资金额合计为100.0136万亿日元,还不及韩国三星1家公司的100.5788万亿日元。

在此基础上,白皮书建议:日本制造业的技术实力依然处于较高水平,但还需要通过跨太平洋伙伴关系协议(Trans-Pacific Partnership Agreement,TPP)等国际组织进行灵活的经济合作、推行促进设备投资的政策、缓解由行业整合引起的过度竞争等手段来提高企业的国际竞争力。

这里再次提到了“日本制造业技术实力依然处于较高水平”,那么是否如白皮书所宣称的那样,只要“促进设备投资”,“缓解由行业整合引起的过度竞争”,日本制造业就能复苏了呢?我只能遗憾地说,并非如此。

换言之,《制造业白皮书》完全没有触及日本技术实力所面临的根本性问题。我于日本半导体产业高峰期入职日立

接下来我将简单概述一下,我的半导体人生是如何不断被这一系列对制造业缺乏理解的国家政策所戏弄的。

我完成京都大学的核能工程专业的硕士课程之后,于1987年4月进入日立制作所。当时日本半导体产业称霸世界,半导体储存器DRAM的世界市场占有率高达80%。可以说半导体产业是当时日本的镇宅之宝,是日本的核心产业。

图1-2包含了曾经支撑日本半导体产业的DRAM的各国市场占有率的演变和我作为半导体技术人员的人生变化。看完此表,读者便可以了解我的人生起伏和日本半导体的衰落是一致的。图1-2 与DRAM的兴衰共沉浮的技术人生

资料来源:DRAM数据来自Gartner公司。

我在日本半导体发展顶峰时期成为半导体技术人员。起初被分配到中央研究所,负责研发新一代半导体精密加工设备。

8年后的1995年,我调职到日立的半导体事业部的武藏工厂(DRAM工厂),从事用于批量生产4~16MB DRAM的精密加工技术的研发。1998年,我又调到日立的设备开发中心,而这次是开始负责研发用于1GB DRAM的精密加工技术。

我在日立中央研究所、DRAM工厂、设备研发中心时,从未怀疑过日本的技术和技术实力。日立所有员工都深信日本技术无疑是世界最强的,我也认为自己的技术是世界第一的。

当时我们只将竞争对手锁定于国内的东芝和NEC,根本没有把韩国和中国台湾地区放在眼里。

然而,自20世纪90年代初开始,韩国三星电子公司迅速成长,与此相反,日本DRAM的市场占有率却不断下滑。结果,仅凭1家公司难以独立运营,1999年12月,日立和NEC成立了DRAM的合资公司尔必达。而东芝、富士通、三菱电器等不得不退出DRAM舞台。

尔必达储存器在经济产业省的支持下,成为走投无路的日本半导体产业最后一颗棋子。

当时主导合资经营的前经济产业省官员福田秀敬回忆道:“母公司NEC和日立制作所虽无投资能力,但是有技术。我相信它们可以上市,因此支持它们合资。”(《东洋经济在线记事》,半导体国家政策的失败、接连失败的20年、脱离母公司和国家,2012年4月24日。)借调尔必达,见证惊人现实

我于2000年2月自愿从日立借调至尔必达。后来耳闻,最初借调至此的800人中,毛遂自荐地只有我一人。或许是因为没有人愿意接手连日立和NEC都维持不了的DRAM这个烂摊子。

日立和NEC的800名借调人员集中到了NEC相模原的工艺研发中心。在约1年的时间里,我在NEC工厂内与NEC的技术人员共同开发256MB DRAM。

那时,我才开始怀疑日本的技术和技术实力。让我震惊的是,即使是生产同样的DRAM,日立和NEC竟有如此差别。工艺流程、装配、相关的技术人员种类和人数等都大相径庭。最大的分歧在于两个公司对技术和技术实力的看法及哲学思考完全不同。

打个比方,尔必达开会提到“技术开发”时,日立和NEC的技术人员脑海里描绘的是不同的画面。

结果,在尔必达内部,日立与NEC掀起了一场波澜壮阔的技术霸权争夺战。因为日立和NEC都认为自己的技术实力是世界第一。尽管三星电子已夺取市场,只有成立合资企业才能生存下去,但就算是在这样严峻的现实面前,双方依然深信自己在技术(实力)上并没有输给三星。这一问题将在第4章详细叙述。

我在尔必达内部斗争中成了NEC的手下败将,被贬为科长,失去了部下也失去了工作,最终被尔必达扫地出门。后来,从2001年4月开始,我进入半导体前沿技术公司研发协会(通称Selete)。

Selete是由13家半导体生产商共同成立的半导体共同研究机构。在日本产业界,伴随着世界市场占有率的降低,就会由国家主导成立类似这样的联盟。

但是,与半导体产业相关的联盟中,除了1976年设立的超LSI技术研究工会之外,其他无一例外均以失败告终。换言之,自日本半导体产业陷入低谷后,成立的联盟不计其数,但均以失败告终。联盟越是成立,日本半导体反而更加衰弱。详情将在第5章论述。国家项目“Asuka计划”的失败

此时除尔必达,日本半导体产业的各大公司均退出DRAM市场,转向了SOC。所谓SOC是“system on chip”的简称,是将处理器和储存器等集成在一个芯片上,实现一系列功能(系统)的半导体,也称为“系统LSI”。

Selete作为国家项目“Asuka计划”的开发单位,负责SOC基础工艺技术的研发。我承担了SOC之中精密加工技术的研发工作。

国家项目“Asuka计划”的目的被定位为“日本半导体产业的复兴”。但是,我并不明白怎样才算是日本半导体产业复兴,即不知道复兴的定义是什么。此外,我也不明白在Selete开展的技术研发与“日本半导体的复兴”有何关联。

我在尔必达公司萌发的对日本技术实力的疑问,在Selete不断增大。

从结果来看,尽管成立了以“Asuka计划”为代表的诸多联盟和国家项目,投入了大量资金,集结了日本半导体厂商的技术人员,但是日本的SOC依然陷入不可挽回的状态。最终,瑞萨电子面临破产,富士通和松下合并了设计部门,东芝SOC业务的规模大幅缩小。

在那之前,业界一直夸耀“日本的工艺技术实力雄厚”,对此,不仅无人质疑,而且还要将之变得更强。但结果正如各位亲眼所见。

我们只能说,一定是在哪一步走错了。

到底是在哪一步、如何走错的呢?日本的工艺技术实力真的强大过吗?SOC要想获得成功真的需要加强工艺技术吗?到底是谁做了这样错误的判断呢?

“咎由自取”后仅拿到100万日元退休金

2000年IT泡沫破灭,半导体产业陷入极度萧条。这导致日本半导体厂商进行了大规模裁员。日立裁员2万人,东芝1.8万人,富士通1.64万人,NEC400人……

我所在的日立,对半导体相关部门提出了“希望40岁以上、科长职位以上的人员全部自行退休”的提前退职劝告。

我当时正好40岁,并且担任主任研究员(科长级),接到了3次提前退休劝告。估计由于我那时正借调到Selete,所以情况更是雪上加霜。

在日立,一旦调职就无法再回到日立公司。所以,调职的职员只能永远反复被调职。在日立来看,这样的职员可能“眼不见心不烦,更容易辞退”吧。

如此一来,2002年10月,我决定离开工作了15年的日立。然而虽然接受了日立的提前退休劝告,却没有享受到《提前退休制度》,说得更准确点儿,就是无法享受到。

由于用于转职事宜的时间大大超出预期,等到我提交辞呈时,已经过了提前退休制度的最后期限(大约1周左右)。

结果,我被定为因个人原因退职,最终只领到了100万日元的退休金。我为何对技术实力抱有疑问

回顾从进入日立到退职这段时间,正如图1-2所示,我和日本DRAM的衰落一同度过了技术人生。其间,日本的DRAM从未有过复苏迹象。随着日本退出DRAM,我作为技术人员的人生也画上了句号,因为有人劝我放弃这一职业。这一结果是我进入日立时万万没有预料到的。

所有人对于“日本技术实力雄厚”这一点都深信不疑。那,为何日本在半导体储存器DRAM上输给了韩国,被迫退出市场,而仅存的一家尔必达也濒临破产呢?退出DRAM转战SOC后,为何瑞萨科技会陷入崩溃的境地呢?

此外,与日本半导体一样,在超薄电视等数码家电方面理应拥有超高技术实力的索尼、夏普、松下又为何会集体崩溃呢?

正因为我走过了这样悲壮的技术人生,才会对那些媒体、评论员、学者们一直深信的“日本技术实力雄厚”的说法抱有巨大疑问。第2章 何谓半导体对半导体制造的误解

本章首先将解说何谓半导体、如何制造半导体。虽然有些哲学家和记者撂下狂言,“只要买来最先进的生产设备排成一排,按下按钮,每个人都可以轻松制造半导体。”但这与制造半导体的实际情况相差甚远。

制造半导体,需要经过由高度集成技术构筑的500多道工序,所谓买了装置排成一排按下按钮就可制造,简直是无稽之谈。

读完本章,各位读者便可理解我的观点。如果感觉本章内容有难度,您可跳过不读。半导体到底是何方神圣

所谓半导体,正如其字面意思所示,是指电阻介于金属等“导体”和“绝缘体”之间的物质(见图2-1)。图2-1 硅晶体既可成为导体亦可成为绝缘体

资料来源:菊地正典的《科技时代的先锋:半导体面面观》(日本实业出版社,1998年)中的P.13中的图1,由我制作。

有很多物质都是半导体,地球上最多的就是硅(Si)。硅属于元素周期表中的IV族,最外层有4个价电子,这使硅原子相互之间以共价键结合,化学性质非常稳定。因此,纯硅晶体虽说是半导体,但由于电阻高,属于近乎绝缘体的半导体。

如此一来,如果向硅中加入如磷(P)或者硼(B)等杂质,硅的电阻会下降,从而成为导体。另一方面,高温加热硅,并使其与氧气接触,其表面便会形成硅氧化膜SiO2。硅氧化膜SiO2是极为稳定的绝缘体。也就是说,往硅中注入杂质后,它便成为导体,而将之氧化后,它又会成为绝缘体。

利用硅的此类性质,可以在硅片上安装电开关或者放大元件。这就是晶体管。只是,我们通常所说的“半导体”并不是指半导体物质,多数情况都是指“半导体集成电路”。因此,“半导体产业”更准确的说法应该是“半导体集成电路产业”。

只是由于这个名称过长,最终“半导体”这个简称便成了固定用法。因此本书也将“半导体集成电路”简称为“半导体”。

那么,何谓半导体(集成电路)呢?

所谓半导体(集成电路),就是在半导体材料硅基板上集成无数个晶体管、电容、电阻等,使其实现一定功能的电子电路(见图2-2)。图2-2 何谓半导体(集成电路)

在直径20~30cm的硅片上同时植入成百上千个半导体,然后逐一切分出来使其形成芯片,最后封装到瓷器或者塑料等材料内。

半导体最大的优点是可以在极小范围内形成电路。接下来,我们来看看收音机电路的制作过程(见图2-3)。图2-3 半导体(集成电路)的特征

当使用晶体管、电容器、电阻等离散元(discreet)制造收音机时,将这些离散元插入印刷电路板,焊接后形成电路。这种电路的大小是长为10cm、厚2cm左右。

但是,如果在硅片上制造功能完全一样的电路,其厚度只有前者1/200(图中为0.1mm),而大小也仅是前者的1/10万(图中为1μm=0.001mm)。换言之,在极小范围可形成具有一定功能的电路。这便是半导体最大的优点。摩尔法则与精密化“在极小范围内形成电路。”

有一种方法可以将半导体的这一优点再次升级。那就是将植入到半导体内的晶体管等离散元做得更小。如果使晶体管更加精密、细小,那么就可以将更多的晶体管集成到更小的范围内。

如此一来,便可完成更复杂、更高性能的电路。并且还可降低成本。因此,这种精密化和集成化本身便是半导体的发展史。

美国英特尔于1971年发售了用于计算器的半导体处理器“4004”。该处理器中大约集成了2300个10μm的晶体管。从芯片价格逆推计算的话,平均每个晶体管成本约1 美元。

英特尔创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)曾预测“晶体管的集成度将在3年内提高4倍”。这就是著名的“摩尔定律”。英特尔按照该定律不断开发电脑用处理器。

2012年,世界最先进的处理器酷睿i7上晶体管的集成度达到了14亿个。

如果晶体管大小不变,那么酷睿i7的个头会是如何呢?,也就是说,这是个长达37cm的巨型芯片。

如果没有精密化,晶体管的单价也不会发生变化。那么,酷睿i7的价格就是1美元×14亿=14亿美元。如果1美元=100日元,那么酷睿i7就是1400亿日元。

将如此庞大且昂贵的处理器安装于PC或者智能手机,想必无人能够买得起,而且携带也十分不便。然而现实是,大多数人都有PC,口袋里都装着智能手机。

正因为想在一个芯片上植入更多功能,所以才要将晶体管高度集成,与此同时,晶体管自身也在不断精密化。晶体管的集成度如果在3年内提升4倍的话,其大小也要在3年间实现0.7倍的精密度。为什么说是0.7倍呢,是因为0.7×0.7≈0.5,也就是说,这是为了将晶体管的面积缩小到原来的1/2。

结果,自1971年至2012年的41年间,晶体管集成度提高了60万倍,但另一方面,其大小精密到了原来的1/1000。9

让人更不可思议的是,晶体管的成本单价下降到了最初的1/10美元以下。

虽说成本的降低不是完全得益于精密加工,但是据粗略估算,精密加工的贡献率高达80%。

这样,通过推进集成化和精密化,现如今人人才可能拥有自己的PC,也才能随身携带智能手机。如何制造半导体

上文讲述了精密加工技术对半导体的重要性。但是,半导体并不是仅靠精密加工技术就可以制造的。

制造半导体需要以下3个技术阶段:

①组件技术;

②集成技术;

③批量生产技术。

不断有学者及记者宣称“半导体(特别是DRAM)只要买来最先进的生产设备排成一排,按下按钮,每个人都可以轻松制造”。确实,如果去批量生产DRAM的工厂参观,就可以看到数百台生产设备整齐排列,操作人员按下按钮的情形。此外,技术水平的提高使得生产设备实现一体化也是不争的事实。

但是,仅仅靠购买生产设备,组装后按下按钮是制造不出任何半导体(DRAM亦是)的。因为在半导体制造过程中,还运用了很多集成技术等人眼无法看到的技术。

接下来我们就以DRAM为例,说明分3个阶段进行的半导体制造技术。1.组件技术

构成半导体制造工序的最小单位的工艺技术就是组件技术。具体来说,有以下技术:在硅片上形成薄膜的成膜技术,在其薄膜上形成抗蚀剂掩膜的光刻技术,按照抗蚀剂掩膜进行加工的蚀刻技术,加工后除去残渣及颗粒(异物)的清洁技术,测定加工后的图形尺寸以及检测是否有缺陷等的检测技术,等等。

我们将光刻技术与蚀刻技术共同称为精密加工技术。此外,还有CMP(chemical mechanical polishing,化学机械抛光)技术、离子注入技术、热处理技术,等等。

简而言之,半导体是在25~30次地反复进行《成膜→光刻→蚀刻→清洁→检测》这一循环后,通过在硅片上形成三维结构而制造出来的。

顺便一提,我曾在日立、尔必达和Selete负责研发蚀刻技术。蚀刻技术又分为使用药解的湿法蚀刻(wet etching)和使用等离子的干法蚀刻(dry etching)。目前主要使用后者。因此后来提到蚀刻技术一般是指干法蚀刻。2.集成技术

结合组件技术,将半导体植入硅片,构建这一工艺流程的技术就是集成技术。譬如在生产DRAM时,要制定500道以上的工艺流程。该工艺流程首先在开发中心制定。制定的工艺流程必须是可实际生产的,在晶圆上至少能制造出一个这样的DRAM,该DRAM必须满足半导体的电流电压特征、运行速度、功耗等性能规格,且能完全运行。

在制定工艺流程阶段,其组件技术的组合方法是无限的。即使是制造同样集成度、同样精密度的DRAM,不同半导体厂家采取的方式也各不相同。此外,不同的集成技术人员的工艺流程构建方式也会不同。

集成技术的难度在于,如何在短时间内完成从无限的组件技术组合中,制定低成本、满足规格且完全运行的DRAM工艺流程。

半导体厂商的集成技术人员的作用相当于乐队指挥。我们来想象一下某管弦乐队要演奏柴可夫斯基作曲的《天鹅湖》的情景。

首先编曲者需要想象该乐队在什么样的场合演奏,如何演奏,然后在原曲基础上进行编曲。而乐队指挥在此基础上,通过指挥管弦乐队的小提琴手、长笛手、长号手等各乐器演奏者,最终奏出交响乐。

与此如出一辙,生产由英特尔发明其基本原理的DRAM时,各半导体厂家的设计部,譬如设计用于PC的DRAM。集成技术人员根据设计结果制定其工艺流程。并且,集成技术人员根据工艺流程,指挥成膜、光刻、蚀刻、清洗、检查等的组件技术人员进行生产,以制造满足规格并完全运行的DRAM。

当然,根据最初制定的工艺流程制造出的DRAM无法运行,这对技术人员们来说都不是什么新鲜事。这样一来,为了制造出至少一个能完全运行的DRAM,技术人员需要不断的变更工艺流程。

工艺流程的制定方法以及组件技术的指挥方法因半导体厂家不同而不同,或者说因集成技术人员不同而不同。世界上有一流的乐队指挥,亦有滥竽充数者。同样,集成技术人员的水平也是良莠不齐。3.批量生产技术

将研发中心通过集成技术构筑的工艺流程移交给批量生产工厂,在硅片上植入符合目标质量要求的半导体并进行大量生产的技术就是批量生产技术。

批量生产移交的方法有精确复制和基本复制两种。如果开发中心和批量生产工厂的设备属于同一机种,一般会直接复制工艺条件。这就是精确复制。但是如果两者设备不同时,为得到相同的工艺结果,就必须调整工艺条件。这就是基本复制。毋庸置疑,精确复制要比基本复制更容易进行批量生产。

但其实真正严格意义上的精确复制基本是不可能的。也就是说,即使开发中心和批量生产工厂的设备相同,在同样的工艺条件下也未必能够得到同样的结果。坦率地说,一般情况下难以得到相同的结果。

这是因为即使是同样的设备,两台机器之间也会存在微小的性能差异。这种差异称作机差。机差可以说是半导体制造设备厂家在生产同一型号的设备时,因不可控因素的存在而可能产生的设备差异。随着半导体精密化程度的不断提高,机差问题也日益显著。

也就是说,随着精密化程度的提升,需要实施高精度的加工,(此前生产过程中不会成为问题的微小的)机差都成了严重的问题。

有人说美国英特尔将精确复制发挥到了极致。

据说,英特尔要求位于爱尔兰、以色列以及美国的12英寸晶圆批量生产工厂不仅要统一制造设备的类型、型号,就连每一根管道的规格都要严格统一。此外,它还制定了设备维修、维护检查细节等的详细指南,要求上述三个工厂严格按照操作指南执行作业。

即便如此,上述三个工厂产品的成品率还是有差异。其根本原因还是在于设备的机差。

在批量生产技术方面,成品率具有重大意义。成品率就是植入硅片的半导体成品中合格产品所占比率。一般来说,刚从开发中心将工艺流程转移到批量生产工厂的阶段,批量生产工厂的成品率几乎是0%。

而将成品率尽快提高到100%,并且长期维持接近100%的成品率的技术,才是真正的批量生产技术。仅凭一个按钮无法制造半导体

开发中心的集成技术人员的使命就是尽最大努力制定DRAM的工艺流程,使至少一个DRAM能够完整运行。批量生产工厂的集成技术人员的使命则是在该工艺流程的基础上,完成能获得高成品率的工艺流程。毋庸置疑,此时,批量生产工厂的集成技术人员会指挥工厂里的组件技术人员。

但是,有时也会遇到成品率难以提高的情形。这时,有可能需要重新制定工艺流程。需要进行大规模调整时,该工艺流程就会被退回开发中心。更不幸时,则可能需要重新设计。

这样,从开发中心最初制定的工艺流程到形成能使批量生产工厂获得高成品率的工艺流程,通常需要5~10次反复。

如上所述,半导体的制造需要精密集成了各种组件技术的集成技术以及提高成品率的批量生产技术。只有这样才能制造出半导体。

尽管如此,还是有学者及媒体记者认为“只要买了设备、排列好,按下按钮,人人都可以生产半导体”。

这种观点误导了日本人,使他们认为三星电子凌驾于日本半导体之上的原因仅在于其半导体产业投资规模的大小。第3章 DRAM溃败与技术文化追求极限性能的技术文化的确立

如第2章所述,半导体制造技术需要精密的集成技术。而这些技术并不是一朝一夕就能形成的。在20世纪80年代中期,日本登了DRAM世界市场占有率第一的宝座,为此,日本用了将近10年的时间。

自1971年英特尔发明1kb的DRAM,DRAM便登上了历史舞台。在20世纪70年代,发明DRAM的美国的市场份额位居世界榜首。日本的日立、东芝、NEC、富士通、三菱等大型家电制造商共同将目光转向DRAM,扩大了DRAM的市场占有率,并于20世纪80年代中期超过美国,获得了世界80%的市场占有率。

当时DRAM多用于大型电脑和电话交换机等设备。当时大型电脑制造商以及日本电报电话公共公司(现为NTT)要求“制造不会出故障的DRAM”。其技术标准是,大型电脑要有25年质量保证,电话总机要有23年质量保证。可以说这种无理的要求简直让人无计可施。

但令人生畏的是,日本半导体制造商居然真的制造出了这种对可靠性要求极严格的高品质DRAM。因此,日本获得了绝大多数的市场份额。

此时,在技术上追求极限性能,生产高品质DRAM这一技术文化开始扎根于日本半导体企业的方方面面。而这种技术文化正是日本半导体竞争力的源泉。因为用户要求生产高品质DRAM,从商业角度看这种技术文化符合常理,也是必不可少的。

结果,日本半导体技术人员追求组件技术的极限性能、追求高品质DRAM的这种技术文化在日本成为企业常识,扎根于人们心中。

此外,伴随着这种高品质DRAM的成功,日本半导体制造商开始相信“自己的技术实力世界第一”的神话。当然,我也曾生活在这个神话世界里。电脑界的更新换代

然而进入20世纪90年代,电脑业界迎来更新换代。PC取代当时的大型电脑占据了主要市场。电脑界的更新换代也导致了DRAM需求的变化。DRAM的主要消费商也从大型电脑转向了PC。

伴随着这种更新换代,日本DRAM的市场份额不断萎缩。韩国取而代之,特别是三星电子获得了飞跃发展,并最终在1992年超过日本,成为世界霸主。此外,美国凭借镁光科技有限公司这家DRAM制造商,也于2000年在市场份额上赶超了日本。

为什么拥有世界一流技术的日本半导体制造商会被三星电子超越呢?

究其原因,主要在于大型电脑和PC所需要的DRAM规格是完全不同的。

PC用的DRAM所要求的就是低成本和数量(规模),而不需要25

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