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半导体存储行业深度:数据量增长驱动存储升级,产业链迎国产化机遇

电子设备2023-07-12胡剑、叶子、周靖翔、胡慧、李梓澎国信证券石***
半导体存储行业深度:数据量增长驱动存储升级,产业链迎国产化机遇

半导体存储将随数据量的增加向高密度、大容量方向发展。半导体存储通过半导体介质贮存电荷进行信息存储。根据WSTS数据,22年全球集成电路规模为4744亿美元,其中存储芯片规模为1298亿美元(占23%),与逻辑芯片构成集成电路的两大支柱。未来NAND从平面到4D发展;DRAM制程不断缩小,DDR5加速渗透;HBM等先进封装将在AI服务器等高性能领域加速渗透。 存储产业:周期与成长并存。存储芯片偏标准化,资金投入随工艺节点升级而陡增,使得行业进入壁垒高企,因此行业周期性强且CR3超90%。 目前存储价格持续下降,需求疲软导致周期底部拉长至3Q23后。原厂陆续减产、削减资本开支,预计2H23价格降幅有望收窄,行业触底后将以低增速回暖。未来数据量增加,单位服务器NAND用量将增加3倍、DRAM增加2倍;21-27年汽车智能化的存储需求增长复合增速为20%。 上游存储芯片:国产化进程加速。DRAM市场CR3超95%,主要应用为移动设备(36%)和服务器(19%);NANDFlash市场CR6占98%,主要产品为固态硬盘(SSD)。目前中国存储需求占全球30%,自给率低于10%,长存、长鑫等国产厂商与设备商共同推动国产化进程加速。此外,利基存储市场合计超164亿美元,海外大厂持续退出,国产厂商崭露头角迎成长新机。 下游存储模组:企业级与行业级市场为主要增长点。SSD与嵌入式存储为NAND Flash模组的主要形式,根据Yole数据,预计22-28年SSD市场总规模将从290亿美金增至670亿美金,CAGR为15%;其中企业级与行业级SSD为主增长点。DRAM模组(DIMM)主要增长来源为服务器,根据Yole数据,22-28年RDIMM出货量年复合增速达15%,LRDIMM和其他服务器内存模组增速为21%。 模组侧配套芯片:SSD与DDR5渗透驱动行业加速成长。NANDFlash模组主控芯片是存储器的大脑,全球SSD主控芯片中门槛较高的企业级SSD占12.4%,工业级占3.7%,为国产厂商主要发力方向。随DDR5渗透,DRAM模组在内存接口芯片基础上加入串行检测集线器、温度传感器以及电源管理芯片等配套芯片,其市场将由21年7.1亿美元增至27年约40亿美元,复合增速约为28%。 产业链相关公司:国产化为存储产业主旋律,企业级与行业级应用为主要发力方向。相关公司包括利基存储的北京君正、兆易创新、东芯股份、普冉股份等,封测与设备环节的通富微电、中微公司、拓荆股份及雅克科技,模组环节的江波龙,模组套片或主控芯片的澜起科技等。 风险提示:1、需求不及预期;2、市场竞争恶化;3、原材料采购受限。 半导体存储 半导体存储:数据的蓄水池 存储器是指利用磁性材料或半导体等材料作为介质进行信息存储的器件。半导体存储器利用半导体介质贮存电荷以实现信息存储,存储与读取过程体现为电荷的贮存或释放,半导体存储是集成电路的重要分支。根据世界半导体贸易统计组织(WSTS)数据,2022年全球集成电路产业规模为4744.02亿美元,其中存储芯片规模为1297.67亿美元,约占集成电路产业总体规模的22.6%,与逻辑芯片共同构成集成电路产业的两大支柱。 图1:存储产业链各环节市场空间、国内发展机遇总结 图2:全球存储芯片市场规模(亿美元) 图3:全球存储芯片销售额占半导体销售额的比例(%) 存储芯片作为全球半导体行业第一大细分领域可分为易失性和非易失性两类,易失性存储又可分为动态随机存储(DRAM)和静态随机存储(SRAM)。其中DRAM具备集成度高、低功耗、低成本、体积小等显著优势,通常用于智能手机及服务器内存。非易失性存储主要包括NAND FLASH和NOR FLASH,其中NAND被广泛用于SSD、eMMC/EMCP、U盘等高端大容量产品,NOR则主要用于智能穿戴、汽车电子、AMOLED等领域。 图4:存储分类 (1)易失性存储是运行程序临时数据的存储媒介,供CPU读写处理,占存储市场的57%。RAM需要维持通电以临时保存数据供主系统CPU读写和处理。由于RAM可以实现对数据的高速读写,可作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。在此基础上,RAM根据是否需要周期性刷新以维持数据存储,进一步分为动态随机存取存储器(DRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)。动态随机存取存储器(DRAM)需要在通电状态下通过周期性刷新来维持数据;静态随机存取存储器(SRAM)则不需要周期性刷新。SRAM的速度更快、耗电量较低但存储器容量较低且制造成本较高,通常用于缓存;DRAM的成本更低,密度更大,主要用作主处理器存储器。 图5:NAND与DRAM营收情况 (2)非易失性存储主要指只读存储器(ROM),无需持续通电亦能长久保存数据的存储器,占存储市场的43%。ROM包括掩膜只读存储器(MaskROM)、可编程只读存储器(PROM)、可编程可擦除只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和快闪存储器(Flash)等不同阶段产生的产品。Flash作为主要应用包括NAND Flash和NOR Flash。NAND Flash(占40%)是一种半导体单元串联排列的闪存,其闪存单元垂直排列,可实现大容量化;同时无需记忆各单元的位置,写入速度很快。由于其小型化和大容量化,NAND闪存常常被用作各种移动设备和电子产品的存储设备,是目前全球市场大容量非易失存储的主流技术方案。 NORFlash是一种半导体单元并联排列的闪存,由于并联排列的,它的数据检索快,读取速度快且数据安全性高;但NOR由于要记住各个单元的地址电路较为复杂,储存数据的空间小,很难实现大容量化,在小容量场景中具备经济效益。 表1:主要存储芯片对比 存储产业链包括存储颗粒制造环节(晶圆厂+设计公司)、存储应用环节(模组厂+主控芯片)及封测厂。半导体存储器由于布图设计与晶圆制造的技术结合更为紧密且标准化程度高,主要以IDM模式为主,非DRAM、NAND主流产品即利基存储领域有部分设计公司参与。在应用环节,存储原厂完成晶圆制造后,仍需开发大量应用技术以实现从标准化存储晶圆到具体存储产品的转化,包括主控芯片、固件开发、封测等环节,最终由存储原厂或模组厂商以成品形式推向市场。 图6:存储产业链结构 在终端产品上,存储原厂聚焦大宗市场,存储模组厂商则聚焦客制化细分市场。 存储原厂凭借晶圆优势向下游存储产品领域渗透,以晶圆的创新设计与制程提升聚焦于具有大宗数据存储需求的行业和客户(如智能手机、个人电脑及服务器行业的头部客户)。而对于产品差异化较大需客制化的长尾细分行业市场(如工业控制、商用设备、汽车电子、网络通信设备、家用电器、影像监控、物联网硬件等)以及主流应用市场中小客户,则由独立的存储模组厂商进行开拓。 未来存储将向高密度、大容量方向发展 从平面到4D,NAND存储密度不断提升 提高存储单元的可存储数位(bit)量和提升3D NAND Flash的堆叠层数是存储密度提升的主要方式。NANDFlash的进化过程中最重要的趋势就是每个单元拥有更高的密度,从Single Level Cell(SLC)对应1bit、Multi Level Cell(MLC)对应2bit、TripleLevelCell(TLC)对应3bit到QuadrupleLevelCell(QLC)对应4bit发展,存储密度得到提升。但由于在2D形式下,单位存储单元密度提升会带来擦写次数减少、可靠性降低和单元间干涉现象严重等问题,3D NAND技术应运而生。3D NAND大幅减少了单元(Cell)之间的干扰影响,提高了单元自身的特性,并持续提高积层单数就能够实现数据容量的扩大及成本节约,其读写速度、功耗、成本、耐久性、数据传输速度及容量等均展现出卓越的优势。 图7:存储向高密度方向发展 为提升性能和容量,3DNAND的存储单元基本结构从浮栅结构FG逐步升级。以美光为例,当3D NAND通过创建垂直单元堆栈实现空间缩小,而单元间产生的电容耦合导致编程时间增加或性能降低时,美光设计了RGNAND结构。通过加入一层非导电的氮化硅(SiN)层充当存储电荷的绝缘体,减轻了电容耦合;利用金属作为控制栅极以延长使用寿命;最终读取和擦除速度比当前3DNAND快两倍。 图8:NAND结构优化(以美光为例) 3DNAND为闪存市场主流产品,22年应用占比超80%,随存储密度要求提升层数增加。自2013年后,3DNAND的堆叠层数出现了快速增长。2015年推出了48层NAND,2017年推出64层,2019年96层,2020年128层,2021年176层,2022年232层。目前,三星、美光、SK海力士、长江存储等均超过了200层。根据Yole数据,128层NAND仍为主要工艺,232层NAND将随数据中心等需求增加加速渗透。 图9:3DNAND向多层数发展 从1X到1Z,DRAM制程不断缩小 DRAM占据全球存储器市场第一大份额,手机和服务器推动DRAM市场需求扩大。 DRAM按照产品分类可分为DDR/LPDDR/GDDR和传统型(Legacy/SDR)DRAM,其中DDR(DDRSDRAM双倍数据速率同步动态随机存取存储器)是DRAM应用最广的产品类型。通常SDRAM在一个时钟周期内只传输一次数据,而DDR则是一个时钟周期内可传输两次。随着CPU内核数增加,为保证每个核的带宽不变,整体DDR的带宽(Bandwidth)及功耗要求不断提升,DDR由第一代升级至第五代DDR5。相比DDR4,DDR5数据传输速度与有效带宽翻倍。 图10:DDR5使得内核数量增加后每个核带宽保持不变 先进的工艺节点与封装技术的演进是DDR升级的核心要素。每个节点级数都代表芯片中晶体管和电容器的最小组件缩小,14年三星率先实现 20nm 量产(4GbDDR3 DRAM),此后DRAM制程每两年迭代,从1Xnm( 16nm-19nm )到1Ynm( 14nm-16nm )到1Znm( 12-14nm ,DDR4X/5及LPDDR4X/5);22年美光推出了1βDRAM技术,该技术初步可使LPDDR5X效率提升15%。在此基础上,硅通孔(TSV)技术可实现DRAM芯片的多层堆叠,提升模块容量;例如三星DDR5利用TSV技术堆叠了8层16GB DRAM芯片,DDR5模块容量提升至512GB。 图11:DRAM制程不断微缩 预计未来5年数据中心对DRAM的需求复合增速将超30%,DDR5作为高性价比的内存形式将成为DRAM的主要出货类型。根据Yole及IDC数据,尽管23年PC、服务器需求恢复有限,DDR5渗透率提升较慢,随着AI、服务器及物联网带来的计算需求增加,未来五年,DRAM需求将快速增长。其中DDR5作为高性能低功耗的新一代产品,将广泛应用于大多数的计算场景中,成为主流产品,25年后渗透率将超60%。尽管HBM(HighBandwidth Memory)在高度并行计算、计算机视觉、AI等应用中有卓越的性能优势,但考虑其成本、内存灵活性等因素,DDR5将在较长时间内占据主要的内存应用市场。 图12:2022-2028DRAM出货产品结构中DDR5占比提升 “内存墙”的限制将促进TSV(硅通孔)、混合键合为基础的先进内存封装技术26年占比将在20年基础上增加两倍以上。随着数据密集型应用不断增长,目前处理器算力超过存储芯片存取能力,内存和处理单元之间的数据传输带宽受限即受到“内存墙”的阻碍;以HBM(高带宽存储器,HighBandwidthMemory)为代表的新型内存封装形式应运而生。根据Yole数据,2026年内存封装市场将增至198亿美元,其中TSV、混合键合等先进封装技术占比将由2020年不到5%增至约18%。 图13:存储封装向基于TSV和混合键合的方向发展 根据Trendforce数据,高端GPU需求提升将拉动HBM23年需求量增加58%,24年将再增加30%。HBM是利用TS