半导体行业深度报告：海外观察系列十二：从Rambus看内存接口芯片投资机会

1.Rambus：专注内存接口芯片的创新厂商 1.1.内存接口芯片专家，两大业务条线产品矩阵完善 Rambus是全球领先的互连类芯片与硅IP解决方案提供商，面向人工智能、数据中心、汽车等多个领域，致力于为客户提供低延迟、低功耗、高可靠性的芯片解决方案。 得益于强大的技术优势和行业的高竞争壁垒，公司已成为全球仅有的三家内存接口芯片供应商之一，另外两家分别是澜起科技和瑞萨（原IDT）。 Rambus主要产品包括内存接口芯片、内存接口IP及安全IP方案。（1）内存接口芯片：公司深耕行业多年，实现从初代产品到最新一代DDR5产品的完整覆盖，目前在售产品包括业界领先的DDR4和DDR5系列芯片组；（2）高速接口IP：公司提供业界领先的互连和接口IP，包括完整的子系统解决方案、数字控制器和PHY IP，适用于PCIe、CXL、HBM、GDDR和DDR标准；（3）安全IP：支持数据中心、服务器中静态数据、动态数据的加密，为客户提供硬件级的安全IP方案。这些产品和方案精准契合了数据中心的应用需求，比如企业级内存条、AI加速芯片、智能网卡、网络交换机、内存扩展和池化等。 图1：Rambus产品结构 1.2.DDR5表现显著优于DDR4，普及有望带动新一轮增长 DDR即DDR SDRAM，是双数据率同步动态随机存储器的简称。作为SDRAM的第二代产品，其数据的传输速度是SDR（Single Data Rate，单倍数据速率）内存的两倍，通过允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿传输数据，不需要提高时钟的频率就能实现双倍的SDRAM速度。 内存标准升级，新一代产品性能大幅提升。2020年7月，JEDEC（固态技术协会）正式发布新一代主流内存标准DDR5 SDRAM的最终规范。为满足对高效内存性能日益增长的需求，DDR5相比其前身DDR4实现了性能的大幅提升：（1）传输速度更快：从DDR4内存的1.6Gbps起步提升到4.8Gbps起步；（2）能耗更低：工作电压从1.2V下降到1.1V，且集成PMIC（power management IC），优化电源管理，综合节能性提升30%； （3）稳定性提高：支持晶粒内建纠错（On-DieECC）机制，每128位元数据附带8位元纠错码；（4）内存密度更大：单内存芯片的密度从16Gb达到64Gb，40个元件的LRDIMM的有效内存容量达到2TB；（5）存取效率提高：采用彼此独立的40位宽双通道设计，每个通道的突发长度从8字节翻倍到16字节。 图2：DDR5与DDR4比较 JEDEC将DDR5描述为一种“具备革命意义”的内存架构，迎合AI、云计算、物联网等新技术带来的存储和数据的传输需求。继DDR5 DRAM成为英特尔“Alder Lake”第12代处理器的标准配置之后，AMD也宣布其7000系列处理器将支持DDR5内存，并已于2022年9月27日正式上市。2022年12月21日，存储芯片领军企业三星宣布，其利用12纳米级制程工艺成功开发出16Gb DDR5 DRAM，并在最近与AMD完成了兼容性测试，计划将于2023年开始批量生产。当前市场正在经历由DDR4至DDR5的更新换代，DDR5的普及有望为行业带来新一轮增长。 1.3.CXL浪潮将至，Rambus丰厚技术积累显优势 2019年，英特尔推出了CXL技术（Compute Express Link），短短几年时间，CXL便成为业界公认的先进设备互连标准，其最为强劲的竞争对手Gen-Z、OpenCAPI都纷纷退出了竞争，并将Gen-Z协议、OpenCAPI协议转让给CXL。 CXL趋势成为行业共识，服务器架构迎来重大变革。CXL能够让CPU、GPU、FPGA或其他加速器之间实现高速高效的互联，并且维护CPU内存空间和连接设备内存之间的一致性，从而解决了各设备间的存储割裂的问题，满足高性能异构计算的要求，能够大大降低内存的分割导致的浪费和性能下降。CXL可被视为PCIe技术的再提高版本，并在其基础上延伸了更多变革性的功能。CXL2.0内存的池化（Pooling）功能较好的实现了以内存为中心的构想，可以较大地节约数据中心的建设成本，同时也将带动DRAM的用量。CXL3.0则实现Memory sharing（内存共享）和内存访问，在硬件上实现了多机共同访问同样内存地址的能力。CXL 1.1和2.0旨在以32GT/s的速度利用PCIe 5.0协议，而CXL 3.0则扩展到PCIe 6.0协议，将传输速率提高一倍，达到64GT/s的速度，且大幅降低了搭建数据中心的总成本。 图3：CXL路线图 现代数据中心非常复杂，需要与数字基础设施硬件和软件紧密集成。CXL将改变计算的方式，并代表了服务器设计中的重大架构转变。大多数现代系统都建立在存储和内存层次结构之上，以便在性能和成本之间取得平衡的情况下将数据传递给CPU。CXL将通过带来分层内存时代来改变传统的层次结构，这将需要对操作系统(OS)和应用程序进行硬件和软件开发，以充分利用CXL的功能。 CXL增加了芯片内部的技术复杂性，这需要集成电路(IC)和复杂的片上系统(SoC)专业知识来设计、开发和执行复杂的SoC。Rambus拥有超过30年的技术领导和创新专业知识，目前拥有约3,000项专利和应用，在高性能存储器和互连解决方案以及高复杂性SoC设计专业知识方面拥有30年的历史，因此在CXL存储器解决方案方面处于强势地位。目前Rambus正在销售CXL相关解决方案，有望在CXL技术领域拓展营收新增长点。 1.4.Rambus股价复盘：技术决定长期趋势，并购助力短期走势 1.4.1.Rambus股价与技术情况息息相关，技术路径变更预期曾推动极致上涨 图4：Rambus股价与技术大事件 1999年，威盛基于大量的可以超频到133Mhz的SDRAM推出了Apollo Pro133标准，同时，双倍频率的DDR200和DDR266业界标准也见到了曙光。为保持对于内存标准制定的话语权，此后2000年初英特尔宣布将在奔腾4中采用Rambus公司出品的RDRAM芯片，并将其命名为PC800,因为其时钟频率是400Mhz，且上升沿和下降沿都传输数据。RDRAM的高传输速率引发了市场的高度预期，股价开始直线拉升。根据我们的测算，2001年仅奔腾4处理器的RDRAM产品就为Rambus贡献了当年超过30%的营业收入。 随着搭载RDRAM的奔腾4发售，消费者发现由于RDRAM串行读写数据而且时延很大，实际内存读写效果相对133Mhz的DDR266并无显著优势。此外，过高的时钟频率导致了低良率，额外的散热片导致总成本居高不下，故其总售价是DDR的2倍-3倍。2002年1月，英特尔正式推出第二代奔腾4处理器，支持新兴的DDR内存；2004年5月，英特尔宣布搭载RDRAM的I850E芯片组停产，随后所有新芯片组都将仅支持DDR，宣告了RDRAM在技术路线博弈中失败，内存也正式迎来DDR时代。在2000年昙花一现后，Rambus股价大幅下跌，最低点甚至只有股价拉升前的1/10。 图5：Rambus营收状况及增速 图6：Rambus盈利情况 2003年，Rambus在RDRAM的基础上推出了极限数据速率DRAM（XDR DRAM）技术，使得股价获得较大幅度增长，紧随其后Rambus又于2005年推出XDR DRAM。 索尼选择XDR DRAM用于PlayStation 3，股价再次迎来小高峰。XDR DRAM最初与下一版本的DDR2竞争，后者将内存芯片的最高时钟速度提高到200兆赫兹(MHz)。 DDR3具有与DDR2相同的时钟速度，但预取缓冲区宽度是其两倍，因此总体数据传输速率是其两倍，之后Rambus股价持续走低，并于2012年触底。2014年，DDR4初步形成，2015年随着IntelSkylake发布，DDR4得到普及，DDR4提高了对芯片的时钟速度和总线传输速率的要求，XDR DRAM无法再匹配数据传输速度，2015年，Rambus宣布新的R+ DDR4服务器内存芯片RB26 DDR4 RDIMM和RB26DDR4 LRDIMM。这款芯片组包括DDR4寄存器时钟驱动器和数据缓冲器，并完全符合JEDEC DDR4标准，Rambus股价略有上浮。2020年，数据中心和云的需求增加，DDR4市场份额稳步增长，此外Rambus在DDR5资格认证方面处于行业领先地位，Rambus的产品收入创下了新高，股价也终于在近十年的低迷后获得质的飞跃。 1.4.2.兼并收购推高短期股价，但持续性有限 近十年来Rambus通过兼并收购不断拓展其产品组合与业务范围。2011年收购的Cryptography Research, Inc.扩展了其在加密解决方案方面的专业知识并增强其安全产品。 2012年收购的Lighting Science Group的LED业务在节能照明市场上扩展其技术组合。 2012年收购的Unity Semiconductor使其存储器产品多样化并增强其存储器技术组合。 2013年收购的GlobalFoundries的硅IP资产加强其技术组合并增强其提供先进存储器解决方案的能力。2016年收购的Bell ID扩展其在移动支付和智能票务市场的产品。2016年收购的Snowbush IP资产扩大其在高速接口市场的业务。2016年收购的Inphi Corporation的存储器互连业务加强其在存储器市场的地位。2019年收购的Verimatrix的硅IP和安全协议业务扩展其安全IP产品。从股价历史可以看出，兼并收购能短期推高Rambus股价，可能的原因是兼并收购能向市场传递积极信号，让投资者对公司产生积极预期，然而由于缺少实质性的营收或者技术层面的飞跃，这种积极信号对股价的支撑力难以为继，股价在短期繁荣后又迅速归于平寂。 图7：Rambus股价与收购大事件 2.服务器应用放量，助力业绩增长 CPU和DRAM是服务器的两大核心部件，内存接口芯片集成于DRAM模组中，是服务器内存模组的核心逻辑器件，其主要作用是提升内存数据访问的速度及稳定性，满足服务器CPU对内存模组日益增长的高性能及大容量需求。由于CPU比内存处理数据速度快，因此需添加接口芯片以满足CPU对运行速度、信号完整性和稳定性方面要求。 由于内存接口芯片的大规模商用要经过下游厂商的多重认证，还要攻克低功耗内存接口芯片的核心技术难关，从DDR4世代开始，全球内存接口芯片厂商仅剩Rambus、澜起科技和瑞萨（原IDT）三家厂商。 图8：内存接口芯片产业链 2.1.内存接口芯片：AI服务器放量在即，通用服务器增速平稳 DRAM由于其结构简单，设计体积小，在服务器的内存中占主导地位，并得到了长足的发展，从DRAM逐渐演进到SDRAM再到DDR SDRAM系列。SDRAM（Synchronous DRAM）为同步的动态随机处理器，同步指的是存储器的工作参考时钟，SDRAM只能在信号的上升沿进行数据传输，其内核工作频率、时钟频率和数据传输速率三者相同，最高速率可达200MHz。DDR SDRAM（Double Data Rate Synchronous DRAM）双倍速率同步动态随机存储器，可以在信号的上升沿和下降沿都进行数据传输，所以DDR内存在每个时钟周期都可以完成两倍于SDRAM的数据传输量。随着人工智能大热，各云服务内存数据的传输速率越来越跟不上CPU算力的发展。为了提高内存数据传输速率、减小功耗，DDR SDRAM也逐代演变出了DDR1-DDR5系列。 图9：DDR升级历程 服务器全面升级，打开DDR5放量空间。全年来看，新一代服务器CPU的推出有望刺激服务器换机需求。CPU作为服务器进行运算处理的核心“大脑”，是影响服务器性能的最重要硬件之一。Intel和AMD作为服务器市场两大巨头接连在今年推出支持DDR5的最先进服务器，Intel最新推出的第四代至强（XEON）处理器8490H和AMD推出的第四代霄龙（EYPC）