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    脱离困境:半导体行业的重生之道|脱离困境的英文

    时间:2020-03-10 07:34:41 来源:雅意学习网 本文已影响 雅意学习网手机站

      站在十字路口的半导体行业:是加速垄断,还是重排座次      “在选择半导体供应商时,最关键的考虑因素有两点:第一,厂商在其产品与技术方面是否具有长期的发展规划;第二,厂商的供货体制是否可靠,这包括交货周期等。只有完全符合这两点标准的半导体厂商,我们才会考虑是否与之合作。”日本某大型电机生产商的零部件采购负责人一针见血地道出了选择半导体厂商的关键所在。
      
      由于半导体元器件直接影响到设备的附加价值,所以设备生产商必须选择最可靠的半导体供应商(见图1)。比如,PC(个人电脑)行业的领先厂商戴尔公司的产品中采用的大部分DRAM均来自全球最大的DRAM供应商――三星电子。苹果公司的iPod便携式媒体播放器及iPhone手机等畅销产品也都采用了三星电子的大容量NAND闪存。
      正因为在上述两方面无法妥协,所以设备生产商有时也不惜中途与其半导体伙伴取消合作,而转向其他供应商。最近的例子是在2005~2006年,苹果公司Mac电脑的微处理器合弃了IBM的PowerPc架构,转而采用英特尔的x86系列芯片。
      2008年7月8日,发行过《怪物史莱克》、《功夫熊猫》等动画影片的好莱坞巨头美国梦工厂动画公司(DreamWorks Animation SKG)宣布,将结束与AMD公司自2005年建立的战略合作伙伴关系,而选择英特尔公司为其新的芯片供应商,这在微处理器行业成为标志性事件。据报道,梦工厂动画公司会将原有集成了AMD微处理器的约1500台服务器与1000台工作站更换为英特尔的系统。对于AMD来说,损失这样一个关键客户可谓事关重大。
      
      欠缺精彩表现的AMD公司
      不难想像,这一声明会对AMD产生怎样巨大的冲击。2008年7月17日,AMD公司当时的总裁兼CEO Hector Ruiz就被迫因此事而辞职。
      最近几年,AMD公司一直未有精彩表现,2006、2007、2008(1月~9月)年已连续三年营业亏损(见图2a)。过去几年中,AMD公司投入了大量资金用于建设最先进的晶圆厂,又花费巨资收购了图形芯片厂商ATI公司,致使公司的资产负债表日益恶化。据有关方面评价:“在这种情况下,AMD公司不得不将经营资源同时投入到微处理器产品的开发以及晶圆厂建设与工艺技术的开发两个方面,但结果是,两方面都做的不够好。”最终,在产品开发方面也出现了问题。
      
      AMD公司的发展陷入停滞,使得英特尔公司轻松赢得关键客户。英特尔公司的业绩与AMD形成鲜明对比;其营业利润率持续维持高增长,2006年约为16%,2007年升至约21.5%,2008年前9个月约为25%。
      
      存储器市场也存在类似情况
      在PC微处理器市场上,英特尔公司的市场占有率高达79.7%,而AMD公司的市场占有率则仅为19.7%。从竞争力来看,行业领先厂商的市场占有率远远高于其它厂商的现状并不只存在于PC微处理器市场,同样也体现于存储器市场(见图2b)。
      在存储器市场中,2007~2008年,DRAM与NAND闪存的价格继续下跌。在这种形式下,海力士(Hynix)半导体公司(DRAM市场占有率为19.5%,居全球第2位)、尔必达存储器公司(DRAM市场占有率为15.4%,居全球第3位),甚至东芝公司(NAND闪存市场占有率为27.5%,居全球第2位)等主要存储器厂商在2008年7月~9月期间均出现财政赤字。只有在NAND闪存与DRAM市场均居首位的三星公司(NAND闪存市场占有率为42.3%,DRAM市场占有率为30.3%)在存储器业务方面仍维持营利。
      
      生死关头
      那么,今后前景将会如何?是资金雄厚的市场领先者建立占绝对优势的垄断体制、进一步垄断市场?还是居第二或第三位的厂商展开反攻,与市场领先者正面交锋?
      微处理器与存储器芯片长期影响着半导体微细加工技术的发展。正是由于微处理器及存储器厂商之间的良性竞争,以及与设备厂商的通力合作,才造就了新技术的不断涌现,并为SoC、微控制器、模拟IC及其它产品的微细制造带来很多好处。就目前的形式来看,在微处理器、存储器及其它关键领域中,除了居各行业首位的厂商以外,其它任何厂商都有可能退出市场,这将会削弱采用更先进工艺的竞争环境,从而对未来半导体行业的技术发展趋势产生巨大影响。整个行业正面临着至关重要的决策点。
      
      根据半导体行业过去的经验,不景气的时候,各市场领先者反而会变得更强大。当经济不景气时,各公司的收益都会恶化,这意味着处于第二及第三位的厂商由于资金有限而不得不控制投资。而资金雄厚、量产规模占绝对优势的市场领先者即使在困难的情况下,也能够继续投入必要的投资。结果,两者之间的差距被进一步拉大。从该经验总结进一步引申,在半导体行业也常说:不景气时更需要投资。而英特尔和三星公司是这一策略的忠实执行者。实际上,从2001年IT泡沫破裂后第2年(2002年)的业绩来看,英特尔公司与AMD公司之间的差距已进一步拉大(见图2a)。
      
      行业领先者将扩大领先优势
      由于2008年9月在美国爆发的金融危机,电子行业处于前所未有的不景气之中,英特尔、三星电子及其它公司也受到直接影响。
      尽管如此,英特尔、三星及其它厂商在2009年也仍计划进行大规模的设施及设备投资。2008年,英特尔公司在设施及设备上的投资额约为50亿美元,三星公司的投资额约为7万亿韩元(约合347亿元人民币)。虽然目前两家公司尚未公布2009年的投资额,但多位证券分析师认为,英特尔在09年的设施及设备投资额同比减少30%,约为35亿美元;三星公司的投资额同比减少30%~50%,约为3.5万亿~4.9万亿韩元(约合173亿~243亿人民币)。英特尔公司准备针对32nm逻辑IC制造设备进行投资,三星公司主要的投资目标是56nm DRAM和42nmNAND闪存方面的研发制造。两家公司都致力于依靠占绝对优势的量产规模来进一步增强成本竞争力。
      
      追赶者投资乏力
      英特尔与三星公司仍在继续大规模的设施及设备投资,证券分析师表示:“行业中很多人都认为,三星公司与存储器行业内的其它厂商,以及英特尔与AMD之间的差距将会进一步扩大。”
      从半导体设施及设备上的投资金额来看,业界第二位及以下的厂商存在明显的劣势。例如,AMD公司在2009年的投资额将仅有3亿美元。尔必达存储器公司则表示,如果市场状况没有明显改善,则公司在2009财政年度内的投资额将会控制在500亿日元(约合37.5亿人民 币)以内。东芝公司仍然在对2009财政年度的投资预算进行评估。该公司在2008财政年度内的投资预算为3670亿(约合275亿人民币)日元,但实际金额并没有达到预算。东芝公司资深副总裁、东芝半导体公司总裁兼CEO齐藤升三表示:“除非一切好转,否则我们在2009财政年的投资肯定会少于2008财政年。”
      
      设法降低成本
      对于资金不足的厂商来说,只能寄望于技术上的创新。尔必达存储器公司与AMD公司都希望能够凭借技术能力,在不需要大量投资的情况下,尽量维持与市场领先者在内的其它竞争对手相当的成本竞争力。
      领先厂商利用大规模的设备投资继续向前迈进,而资金不足的厂商则通过技术力量与之抗衡。这种局面并不是首次出现,但与以往明显不同的是,这一次,工艺技术的微细化变得不那么重要了。每一代新的设计工艺都需要比前代工艺更大的投入,投资回报率也在大幅下降(见图3)。即使厂商大胆投入了巨额投资,也很难获得以往的低成本、高速及其它优势。所以,如果掌握了实现产品差异化的新技术,就能够与资金雄厚的领先厂商相抗衡。
      减少设施及设备投资并控制成本的方法主要有两种:其一就是改善架构、采用创新技术;另一种则是利用目前尚未与很多半导体公司合作的其它公司的力量。采用前一种方法的有尔必达存储器公司及东芝公司等;AMD公司则选择了后一种方法。
      
      尔必达存储器公司重新修改了其DRAM芯片的电路架构,从而使其可继续沿用公司现有的已实现了高良率及高生产率的65nm制造工艺,成功地将单个300mm晶圆上可切割出的芯片数增加了约20%(见图4)。该产品被称为65nm“瘦身版”1Gb DDR2 SDRAM,已于2008年内实现量产,将成为2009年的主力产品。
      推出瘦身版DRAM技术的关键是要推迟向5Xnm工艺的转移。5Xnm工艺需要采用浸液式ArF光刻系统等,因此要进行巨额投资。尔必达存储器公司表示:“50nm制造工艺在量产初期需要增加新的浸液式光刻系统及其它设备,从而会加重投资负担。考虑到这一点,我们开发的65nm瘦身版DRAM在成本方面应该不会逊色于采用5Xnm工艺的其它公司的产品。”
      尔必达存储器公司做出这一决策的另一个主要原因是DRAM价格正遭遇前所未有的低迷状况(见图5)。2008年12月8日,1Gb DRAM产品的价格为0.61美元。尔必达存储器公司执行董事兼CTO安达隆郎表示:“坦率的说,0.61美元的价格几乎已没有利润空间。换而言之,如果我们转移到新的5Xnm工艺,那公司将不可避免地出现赤字。所以,进行巨大投资以获得5Xnm工艺的制造能力实际上没有太大意义。”
      在NAND闪存方面,东芝公司已采用了创新技术。在3位/单元、4位/单元等多值技术的开发上,该公司已处于业界领先地位。
      采用多值技术意味着,即使基于比三星公司落后一代的工艺技术,东芝公司也能够以大致相同的成本制造NAND闪存。这表示东芝可以依靠技术力量来弥补其在资金方面的不足。
      
      与阿布扎比政府投资公司开展合作
      成功借助外力的是AMD公司。该公司借助此前与半导体行业基本无关的外部公司的力量,在抑制自家公司投资额的同时,成功实现了降低成本的目的。AMD公司于2008年10月宣布,与阿联酋阿布扎比政府的投资公司AdvancedTechnology Investment公司(ATIC)合资成立新的半导体制造公司TheFoundry Company。AMD公司将其制造部门分离出去,使得AMD成为一家Fabless(无晶圆厂)的半导体供应商,将专注于产品开发与销售。
      通过上述举动,AMD公司的投资负担大幅减少,资产负债表已大为改观。ATIC已向The FoundryCompany投资21亿美元。此外,The Foundry Company从AMD公司继承了12亿美元的负债。AMD持有新公司34.2%的股份,ATIC则持有剩余65.8%的股份。
      
      投资负担的减轻使得AMD公司可以专注于产品开发。AMD公司表示: “今后会将经营资源集中投入到产品开发中,避免出现产品延期上市的问题,并将继续扩展公司的产品线。”实际上,AMD公司将会发布一款用于迷你笔记本电脑的微处理器。
      在与英特尔公司的竞争中,AMD公司需要解决的问题是能否在微处理器的开发过程中将设计与制造进行完美的集成。为了提升微处理器的性能和功能,协作的开发模式非常重要,转型为Fabless的AMD公司的设计部门必须要与TheFoundry Company进行非常紧密的合作。
      
      告别专卖店模式
      如果市场的不景气继续延续,或在经济恢复后又卷土重来,那么,除了行业领先者的其它所有半导体厂商都需要调整自己的业务方向。具体来说,是要摆脱以往的专卖店模式,转而向多元化业务模式发展。
      尔必达存储器公司和TheFoundry Company已开始利用其在制造方面的专业技术,进入硅晶圆代工业务。但是,其它竞争对手则认为;“进入硅晶圆代工业务并不是一件容易的事情,特别是对于逻辑芯片的制造,厂商必须要具备所需的IP内核、完善的设计环境及其它元素。”
      
      因此,尔必达存储器公司与The Foundry Company计划分两个阶段来扩大晶圆代工业务。
      第1阶段是接受入门门槛较低的芯片制造的委托。尔必达存储器公司将从2009年中开始量产NOR闪存及液晶驱动IC。该公司表示:“对于这两类产品,我们都将采用将生产线借给客户使用的方式,由顾客来建立他们自己的工艺技术,这会使我们的负担较轻。”而TheFoundry Company在最初几年内将主要制造AMD公司的微处理器。
      第2阶段是推出逻辑IC的代工业务,这意味着它们将与TSMC(台积电)公司展开竞争。The FoundryCompany已将其视为明确目标(见图6)。尔必达存储器的安达则表示,目前公司还不太可能开展逻辑IC的晶圆代工业务。但是,该公司正在对其IP内核与设计环境等资源进行整合,并在寻找与逻辑IC厂商进行合作的机会。
      东芝公司也在扩展其NAND闪存产品线。过去,东芝几乎所有的产品都采用了多值设计。今后,该公司计划增加2值产品的生产。除了大容量的8Gb~32Gb的2值产品外,公司还将生产中等容量的512Mb~4Gb的2值产品。
      之所以会增加2值产品,主要原因是多值产品由于供应过剩而导致价格急跌,相比之下,2值产品 的价格仍维持在相对较高的水平(见图7)。东芝希望能够通过产品的多元化来尽量避免由于市场波动而引起的负面影响。
      
      不再追求微细化
      如果AMD、东芝、尔必达存储器等厂商的反攻战略能够奏效。那么,对于设备厂商来说,应该是个好消息。AMD公司总裁兼CEODirk Meyer认为,客户正在期待能够与行业领先者相抗衡的厂商的出现。如果英特尔公司在x86系列微处理器市场还将继续增强其绝对领先的地位,或者三星公司在NAND闪存与DRAM市场也继续占据绝对优势,那么,当设备厂商作为用户与英特尔或三星进行价格谈判时,就会处于被动地位,价格可能会被抬高。如果能有与之抗衡的厂商出现,设备商就能有更大的选择空间,也能在价格谈判中占据有利地位。此外,厂商之间的良性竞争还有利于加速技术开发。
      很多半导体厂商都在寻找能够获得发展的新方法。与传统的追求微细化工艺的方法不同,新的方法包括:采用目前尚未实用的新材料来提升性能,或进入全新领域以带给IC新的附加价值等。
      
      突破常规 以独特性取胜
      
      
      Spansion(日本)公司总裁田口真男在谈到目前的半导体行业时说:“如果只是对现有产品进行改善,已经没有什么意义。必须要从零开始,做以前没人做过的事,才能获得用户可接受的附加价值。”在摩尔定律的长期影响之下,半导体即使放着不用也会贬值,这几乎已经成为许多设备厂商的共识。如果只是对功能或性能进行些微的改进,其附加价值也很难得到终端用户的认可。
      在这种情况下,半导体行业的各公司开始启动一些新的项目,在全新的起点上谋求发展。它们不再延续以往的微细化设计技术,而引入了完全不同的技术、创新和其它突破常规的构想,以大幅提高产品的附加价值。
      具体来说,今后的研究方向分为以下几种类型:采用新型材料,实现更高性能;重新审视半导体的用法,开拓全新市场,开发独特的业务模式,从行业中脱颖而出(见图8与图9)。
      
      利用新材料提供附加价值
      罗姆(Rohm)公司的策略就是采用SiC等新材料使性能获得大幅提高。将SiC应用于功率半导体,可能会使导通电阻减小为现有硅材料的1%。罗姆公司很早就意识到SiC材料的应用潜力,并计划在2009年内实现实用化。目前,试制品已完成,公司董事成员兼产品开发部总监高须秀视表示:“我们几乎每天都会接到汽车厂商打来的咨询电话。”
      该公司之所以在SiC的实用化方面具有领先优势,主要有两点原因:第一,公司没有投资基于硅的功率半导体;其次,公司能够迅速地制定决策。第一点原因与东芝及三菱电机公司形成鲜明对比,这两家公司已经在硅产品上进行了大规模投资。高须重点强调了公司的灵活性,他表示:“那些已经在硅芯片上进行投资的厂商现在应该不会转向SiC。而我们没有任何阻碍,可以从零开始。另外,在与总裁进行会谈之后,公司也立刻做出要推进SiC实用化的决策。”
      CIGS(CuIn1-xGaxSe2)是太阳能电池的材料,罗姆公司正准备将其应用于高灵敏度图像传感器。利用材料的量子效率,可以实现比现有基于硅的CCD传感器高100倍的灵敏度。由于该产品在漆黑的环境下也能够检测到物体,因此可被用于车载摄影头等应用。公司希望能在2~3年内实现实用化。
      铁电材料此前已用于非易失性存储器中,而现在它们将被用于逻辑IC及传感器等产品中(见图10)。罗姆公司正在进行相关开发工作。为了推进业务开发,罗姆公司目前正在京都建设130nm制造工艺的200mm晶圆生产线。该生产线预计将于2009年上半年完成,完工后将成为业界最先进的铁电IC生产线。罗姆公司的高须表示:“如果未来的需求还继续增加,公司还将会在静冈县浜松市建设采用90nm制造工艺的300mm晶圆生产线。”
      京都的生产线将主要生产非易失性逻辑电路、铁电逻辑电路、铁电存储器等。非易失性逻辑电路是指具有利用铁电材料形成的非易失寄存器的逻辑IC,它能够使芯片功耗减少70%。铁电逻辑电路是采用少数几个晶体管与铁电电容构成的逻辑电路。例如,以往需要30多个晶体管的逻辑电路,在铁电逻辑电路中仅需4个晶体管与2个铁电电容。罗姆公司已经试制出采用该技术的CAM(内容可寻址存储器),芯片面积只有以往产品的1/3,工作功耗只有原来的2/3,待机时的功耗更减小到原来的1/7700。该试制品计划于2010或2011年进入实用化。
      
      
      电力成本将成为竞争要素
      Spansion公司的研究方向是将半导体产品用于全新领域。公司建议采用非易失性的NOR闪存替代DRAM用作服务器内存,这样可将数据中心的电力成本缩减到现有的1/4。以往该公司主要为手机市场提供NOR闪存,但由于受到NAND闪存与DRAM组合方案的价格冲击,收益率不断下降。因此,该公司开始关注日益重视“绿色IT”的服务器市场。Spansion公司的田口真男表示:“我们可以将竞争重点从芯片成本转换为电力成本。”他解释说,即使芯片价格略高,但如果包括耗电在内的整体成本能够下降,那么应该也可以被客户接受。
      NOR闪存结合了大容量及低功耗特性。目前服务器内存所使用的4GB DRAM DIMM的功耗较大,约为10W;如果改用NOR闪存,在功耗不变的情况下,DIMM的容量可达32GB。而且,虽然NOR闪存的写入速度较慢,但其读取速度较快,与DRAM相当。因此,在搜索服务器等需要频繁读取的应用中,NOR闪存完全可以取代大部分的DRAM。
      搜索服务器的整体系统性能主要取决于内存容量。Spansion公司推出新型EcoRAM闪存解决方案,可以使用大容量NOR闪存取代服务器中的DRAM(见图11)。例如,在集成了4个微处理器的服务器上,可将其中2个处理器更换为定制的ASIC,并连接至DIMM插槽中插入的EcoRAM。这样一来,与只使用DRAM时相比,每台服务器的内存容量就相当于增加了大约4倍。于是,实现相同性能时所需的服务器数量可以减少为现有的1/4,而且,数据中心服务器房屋面积、所需的租赁成本、电力成本等均可减少到现有的1/4。虽然由于需要增加用于处理器插槽的专用ASIC与相关软件,因此服务器的初始投资并不能相应节省3/4,但通常也仅需原有成本的1/2。目前已有约12家服务提供商对该方案进行了评估,采用新技术的服务器有望于2009年上半年出货。
      
      提供客户定制的CMOS传感器
      
      索尼公司是采用独特业务模式 的公司之一,具体来说,索尼开始向外购市场(merchant market)推出定制的CMOS传感器。索尼公司的CMOS传感器业务可以说是日本最成功的半导体业务之一。过去,索尼通常采用在公司内部生产关键部件的做法,来提高公司的产品竞争力。不过,索尼在CCD领域拥有全球第一的市场份额,其图像业务一直以来多采取对外销售的策略。该公司的CMOS图像传感器也将采取与CCD同样的战略,在必要时还将提供定制开发服务。
      最能体现这一点的示例就是卡西欧计算机公司于2008年3月推出的消费类数码相机EX-F1,其中采用了索尼的高速CMOS图像传感器,能够实现1200fps的超高速摄影。卡西欧计算机公司正是索尼数字相机部门的竞争对手,但索尼公司仍愿意为其提供最新技术,这一点令人震惊。
      
      在这个实例中,卡西欧计算机利用新技术推出了具有出色特性的产品,而索尼公司不顾其它公司会推出更佳产品的风险,仍然继续其CMOS图像传感器的外部销售。索尼半导体业务本部图像传感器业务部业务推进部统括部长真城康人在谈及注重外部销售的原因时表示:“如果只是在公司内部应用,那么技术就只能够满足特定的需求,这样无法生产出真正优秀的产品。只有在外购市场上取得成功的技术才是真正具有竞争力的技术。”
      为了实现高速率与高画质,索尼的CMOS图像传感器采用了许多新的设计与制造技术(见图12)。设计中导入了被称为“列并行ADC(eolumn ADc)”的技术,即在每个像素列里设置一个ADc,以提升速度与画质。并行工作的ADC将速度提升至CCD的20倍,而且,由于A/D转换操作是在接近像素的位置进行的,因此大部分数据通路可被数字化,从而使信噪比(S/N)提高了10倍。制造中采用了铜布线工艺,布线层厚度比以往的铝布线层减小了40%,从而缩短了微镜与传感器受光面的距离,使灵敏度提高了20%。
      
      开拓新产品种类
      采用独特业务模式的还有Cirrus Logic公司。在模拟/混合信号领域,大多数厂商都采取自行制造的方式,而Cirrus Logic公司采取的则是Fabless的业务模式。由于负担较轻,在不景气开始的2008年7月~9月,该公司在销售额和利润方面均实现了较高的同比增长率。
      一般来说,模拟/混合信号IC的设计与制造很难分离,因此业界也普遍认为公司内部制造具有明显优势,但Cirrus Logic公司却没有这么做。利用Fabless公司的特点,Cirrus Logie公司可以在众多晶圆代工厂中选择最合适的制造工艺。实际上,该公司目前正分别与9家晶圆代工厂进行合作。CirrusLogic(日本)公司总裁兼Cirrus Logic公司日本与南亚区销售副总裁岛内秀先生表示:“Fabless公司的另一个优势在于,我们可以将资金与人力等资源集中在产品策划、设计及其它方面。”
      该公司专注于音频市场,致力于开发目前市场上还不存在的新产品。例如,CS2000能够通过消除时钟信号的抖动来改善音频设备中音频信号的质量,目前已形成了新的产品线(见图13)。很多工程师都知道,抑制时钟信号的抖动能够改善音质,但通常的做法是通过调整印制电路板的设计来处理。然而,Cirrus Logic公司开发的CS2000是将改进的时钟信号提供给音频IC。这款产品在市场上得到了较高评价,已经被多家大型音/视频设备厂商所采用,主要用于蓝光播放机等产品中。
      
      此外,Cirrus Logic公司还推出了许多采用独特技术的产品。集成了DSP与音频电路的CS47048采用专利技术,使数字噪声无法进入模拟电路,从而实现了较高的音质。CS42L55采用了独特的H类放大技术,能够降低功耗,延长便携式音乐播放器的电池工作时间。
      
      Fabless DRAH厂商
      DRAM行业内,大多数厂商也都采用自行制造的模式,但中国台湾地区的钰创科技(Etron)却是一家Fabless公司。根据iSuppli公布的2008年第2季度的DRAM厂商排名来看,钰创科技公司位列第9,也是前10大DRAM厂商中唯一的Fabless企业。 钰创科技公司擅长开发面向特定应用的DRAM产品(见图14)。该公司拥有广泛的×32结构(市场上较为罕见)的DRAM系列产品,主要用于数字消费类设备等。该公司的另一特点是,可以提供KGD(known good die,裸芯片)形式的DRAM产品。通常来说,KGD的品质很难保证,但钰创公司凭借独有的测试技术及其它能力,拥有10年以上的成功经验。该公司月生产总量为5000万片DRAM,其中有1000万~1200万片是以KGD形式提供的。
      钰创科技公司之所以采用这种方式开展DRAM业务,是因为面向特定应用的DRAM产品的市场规模都不大,所以该公司没有采用自己制造的模式。此外,钰创科技的CEO兼主席卢超群是沟槽式DRAM技术的发明者,在半导体行业内的知名度很高。利用他的人脉,公司与5家大型硅晶圆代工厂建立了密切的合作关系,从而撑起其数量少、品种多的DRAM业务。
      (南庭译)

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