存儲(chǔ)芯片行業(yè)深度報(bào)告長(zhǎng)期高成長(zhǎng)賽道本土廠商有望崛起

存儲(chǔ)芯片行業(yè)深度報(bào)告：長(zhǎng)期高成長(zhǎng)賽道，本土廠商有望崛起一、存儲(chǔ)芯片：現(xiàn)代信息存儲(chǔ)媒介1.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)：主流存儲(chǔ)媒介，DRAM和NAND為其核心構(gòu)成早期信息存儲(chǔ)以紙張、磁性媒介為主。早期的信息存儲(chǔ)主要依靠紙張，1725年法國(guó)人發(fā)明了打孔卡和打孔紙帶，這是最早的機(jī)械化信息存儲(chǔ)形式。1928年磁帶問世，磁性存儲(chǔ)時(shí)代開始，隨后在1932年，硬盤驅(qū)動(dòng)器前身即磁鼓內(nèi)存問世，存儲(chǔ)容量約62.5千字節(jié)。1936年，世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)誕生，使用真空二極管處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)，使用再生電容磁鼓存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，但體積龐大。1946年，第一個(gè)隨機(jī)存取數(shù)字存儲(chǔ)器誕生，存儲(chǔ)容量4000字節(jié)，因體積過大后來被1956年IBM發(fā)明的硬盤驅(qū)動(dòng)器（HDD）替代。隨后，1965年只讀式光盤存儲(chǔ)器（光盤，CD-ROM）普及。半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展已有半個(gè)世紀(jì)。1966年動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）問世，存儲(chǔ)器進(jìn)入半導(dǎo)體時(shí)代，最早單顆裸片（Die）容量為1kb，如今已達(dá)16Gb及以上。直到1980年，東芝發(fā)明了閃存

（Flash），此后90年代，先后出現(xiàn)了USB、SD卡等多種Flash應(yīng)用。2008年，3DNAND技術(shù)萌芽，到2014年正式商用量產(chǎn)。由此看，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器發(fā)展已有55年，其中DRAM發(fā)展已有55年，F(xiàn)lash發(fā)展已有40年，由于2DNAND和3DNAND技術(shù)差別巨大，實(shí)際上3DNAND發(fā)展歷史僅僅十余年，技術(shù)成熟度遠(yuǎn)不如DRAM。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器又稱存儲(chǔ)芯片，是以半導(dǎo)體電路作為存儲(chǔ)媒介的存儲(chǔ)器，用于保存二進(jìn)制數(shù)據(jù)的記憶設(shè)備，是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的重要組成部分。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器具有體積小、存儲(chǔ)速度快等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用服務(wù)器、PC、智能手機(jī)、汽車、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)存儲(chǔ)等領(lǐng)域。根據(jù)存儲(chǔ)原理的不同，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可分為隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）：（1）隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）。與CPU直接交換數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲(chǔ)器?？呻S時(shí)讀寫且速度快，斷電后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)丟失，是易失性存儲(chǔ)器。RAM又可進(jìn)一步細(xì)分為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）和靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）。DRAM用作內(nèi)存，需求量遠(yuǎn)高于SRAM。SRAM速度很快但成本高，一般用于作CPU的高速緩存。（2）只讀存儲(chǔ)器（ROM）。只能讀取事先存儲(chǔ)的信息的存儲(chǔ)器。斷電后所存數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，根據(jù)可編程、可抹除功能，ROM可分為PROM、EPROM、OTPROM、EEPROM和Flash等。Flash是當(dāng)前主流的存儲(chǔ)器，具備電子可擦除可編程的性能，能夠快速讀取數(shù)據(jù)而且斷電時(shí)不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，往往與DRAM搭配使用。Flash可進(jìn)一步細(xì)分為NANDFlash和NORFlash：NANDFlash寫入和擦除的速度快，存儲(chǔ)密度高，容量大，但不能直接運(yùn)行NANDFlash上的代碼，適用于高容量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。NORFlash的優(yōu)勢(shì)是芯片內(nèi)執(zhí)行——無需系統(tǒng)RAM就可直接運(yùn)行NORFlash里面的代碼，容量較小，一般為1Mb-2Gb。DRAM和NANDFlash為最重要的兩類存儲(chǔ)芯片。按照市場(chǎng)規(guī)模計(jì)算，DRAM約占存儲(chǔ)器市場(chǎng)53%，NANDFlash約占45%，二者份額合計(jì)達(dá)98%，為存儲(chǔ)器市場(chǎng)主要構(gòu)成產(chǎn)品。1.2發(fā)展趨勢(shì)：DRAM聚焦制程迭代，NAND聚焦3D堆疊1.2.1DRAM：向高性能和低功耗發(fā)展，3D堆疊、先進(jìn)工藝、EUV等是未來趨勢(shì)DRAM的工作原理是利用電容內(nèi)存儲(chǔ)電荷的多寡來代表一個(gè)二進(jìn)制比特（bit），具備運(yùn)算速度快、掉電后數(shù)據(jù)丟失的特點(diǎn)，常應(yīng)用于系統(tǒng)硬件的運(yùn)行內(nèi)存，主要應(yīng)用于服務(wù)器、PC和手機(jī)等。在結(jié)構(gòu)升級(jí)方面，DRAM分為同步和異步兩種，兩者區(qū)別在于讀/寫時(shí)鐘與CPU時(shí)鐘不同。傳統(tǒng)的DRAM為異步DRAM，已經(jīng)被淘汰，SDRAM（SynchronousDRAM，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）為DRAM的一種升級(jí)，讀/寫時(shí)鐘與CPU時(shí)鐘嚴(yán)格同步，主要包括DDR、LPDDR、GDDR、HBM等：（1）DDRSDRAM（DoubleDataRateSDRAM，雙信道同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存）可以在一個(gè)時(shí)鐘讀寫兩次數(shù)據(jù)，使得傳輸數(shù)據(jù)加倍，目前已發(fā)展到第五代，每一代升級(jí)都伴隨傳輸速度的提升以及工作電壓的下降。根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，隨著DDR5的上市，市場(chǎng)將快速進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)換代，預(yù)計(jì)2025年DDR5的份額將接近80%。（2）LPDDR（LowPowerDDR，低功耗雙信道同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存）通過與處理器緊鄰（焊接在主機(jī)板上而非插入或以封裝層疊技術(shù)直接堆在處理器上方）、減少通道寬度以及其他一些犧牲部分反應(yīng)時(shí)間的方法來降低體積和功耗。LPDDR內(nèi)存多用于智能手機(jī)、筆記本、新能源車上，而DDR多用于服務(wù)器、臺(tái)式機(jī)、普通筆記本上。（3）GDDR（GraphicsDDR，繪圖用雙信道同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存）為專門適配高端繪圖顯卡而特別設(shè)計(jì)的高性能DDR儲(chǔ)存器。GDDR與一般DDR不能共用，時(shí)鐘頻率更高，發(fā)熱量更小，一般用于電競(jìng)終端和工作站。高性能和低功耗是性能升級(jí)的兩大主要趨勢(shì)。一般來說，繪圖用DRAM數(shù)據(jù)傳輸速度高于計(jì)算機(jī)用DRAM，計(jì)算機(jī)用DRAM高于手機(jī)用DRAM。近年來，各類DRAM更新迭代快速，高性能和低功耗是兩大主要趨勢(shì)，目前DDR、LPDDR、GDDR已發(fā)展至第5~6代，較前一代傳輸速率大幅提升，功耗大幅度降低。手機(jī)DRAM方面，目前業(yè)內(nèi)已量產(chǎn)LDDR5；計(jì)算機(jī)用DRAM方面，目前已演進(jìn)至DDR5；繪圖用DRAM方面，最新一代的GDDR6已商用數(shù)年。從2D架構(gòu)轉(zhuǎn)向3D架構(gòu)演變可能是未來DRAM的技術(shù)趨勢(shì)之一。2DDRAM內(nèi)存單元數(shù)組與內(nèi)存邏輯電路分占兩側(cè)，3DDRAM則是將內(nèi)存單元數(shù)組堆棧在內(nèi)存邏輯電路的上方，因此裸晶尺寸會(huì)變得比較小，每片晶圓的裸晶產(chǎn)出量會(huì)更多，意味著3DDRAM在成本上具備優(yōu)勢(shì)。DRAM從2D架構(gòu)轉(zhuǎn)向3D架構(gòu)演變的典型產(chǎn)品為HBM。HBM（HighBandwidthMemory，高帶寬儲(chǔ)存器）是AMD和SK海力士推出的一種基于3D堆棧工藝的高性能DRAM，適用于高儲(chǔ)存器帶寬需求的應(yīng)用場(chǎng)合，如圖形處理器、網(wǎng)絡(luò)交換及轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備（交換機(jī)、路由器）等。HBM與GDDR都與GPU緊密整合，但HBM的位置不在GPU旁，而是在連接GPU與邏輯電路的中介層上。這些DRAM芯片具有大量的硅通孔（TSV），連接HBM內(nèi)的各個(gè)芯片，以及其底部的邏輯芯片。因此，DRAM顆粒可以相互堆疊，使得芯片在垂直面上能實(shí)現(xiàn)小面積和高容量。DRAM工藝制程演進(jìn)至10+nm，將繼續(xù)向10nm逼近。DRAM的制程接近10nm，各廠家都處于10nm+階段。業(yè)界命名DRAM前三代10nm+制程分別為1X（16-19nm）、1Y（14-16nm）、1Z（12-14nm）。行業(yè)龍頭三星電子、SK海力士和美光在2016~2017年期間進(jìn)入1Xnm階段，2018~2019年進(jìn)入1Ynm階段，2020年后進(jìn)入1Znm階段。最新的1αnm仍處于10+nm階段，三星于2020年3月率先完成技術(shù)開發(fā)，美光和海力士緊隨其后，各家大廠將繼續(xù)向10nm逼近。光刻技術(shù)由DUV轉(zhuǎn)向EUV。目前DRAM使用最為成熟的光刻技術(shù)是193nm的DUV光刻機(jī)，EUV光刻機(jī)使用13.5nm波長(zhǎng)，可通過減少光罩次數(shù)來進(jìn)一步壓低成本，提高精度和產(chǎn)能。在工藝制程達(dá)到14nm后，采用EUV的經(jīng)濟(jì)性開始顯現(xiàn)，而DUV需使用多重曝光（SAQP）技術(shù)才能形成更細(xì)線寬的電路，因此成本上處于劣勢(shì)。目前DRAM廠商仍可通過工藝改進(jìn)使用DUV生產(chǎn)10+nmDRAM，未來DRAM生產(chǎn)轉(zhuǎn)向EUV將是必然。三星、SK海力士分別于2020年和2021年引入EUV技術(shù)來制造DRAM，美光預(yù)計(jì)在2024年生產(chǎn)基于EUV的DRAM。目前EUV經(jīng)濟(jì)效益低于DUV，但EUV將帶來更簡(jiǎn)化的流程，且成本會(huì)隨著工藝完善而不斷降低。1.2.2NAND：3DNAND商用時(shí)間短，高密度存儲(chǔ)、3D堆疊是未來趨勢(shì)20世紀(jì)80年代，2DNAND技術(shù)誕生并商業(yè)化，閃存行業(yè)獲得高速發(fā)展。1967年，Dawonhng和SimonS共同發(fā)明了浮柵MOSFET，這是所有閃存、EEPROM和EPROM的基礎(chǔ)。1984年，閃存之父FujioMasuoka代表東芝在IEEE1984綜合電子設(shè)備大會(huì)上正式介紹了閃存。1986年，英特爾推出了閃存卡概念，成立了SSD部門。1987年，Masuoka發(fā)明2DNAND，此后，英特爾、三星電子和東芝先后推出2DNAND產(chǎn)品。90年代初，閃存市場(chǎng)迅速擴(kuò)張，1991年產(chǎn)值僅1.7億美元，1995年達(dá)到18億美元,復(fù)合增速達(dá)80%。2001年，東芝與閃迪宣布推出1GBMLCNAND。2004年，基于同等密度，NAND的價(jià)格首次降至DRAM之下，成本效應(yīng)將閃存帶入計(jì)算領(lǐng)域。3DNAND于2014年開始商業(yè)化量產(chǎn)，主流廠商基本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換。2007年，東芝最早推出BiCS類型的3DNAND。2013年三星推出第一代V-NAND類型的3DNAND。2014年，SanDisk和東芝宣布推出3DNAND生產(chǎn)設(shè)備，三星率先發(fā)售32層MLC3DV-NAND，至此3DNAND市場(chǎng)開始快速擴(kuò)張。3DNAND存儲(chǔ)單元向TLC、QLC等高密度存儲(chǔ)演進(jìn)。NANDFlash根據(jù)存儲(chǔ)單元密度可分為SLC、MLC、TLC、QLC等，對(duì)應(yīng)1個(gè)存儲(chǔ)單元分別可存放1、2、3和4bit的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)單元密度越大，壽命越短、速度越慢，但容量越大、成本越低。目前NANDFlash以TLC為主，QLC比重在逐步提高。3D堆疊大幅提升容量，相同單元密度下壽命較2D結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)。3DNAND是一項(xiàng)革命性的新技術(shù)，首先重新構(gòu)建了存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)，并將存儲(chǔ)單元堆疊起來。3DNAND帶來的變化有：（1）總體容量大幅提升；（2）單位面積容量提高。對(duì)于特定容量的芯片，3DNAND所需制程比2DNAND要低得多（更大線寬），因而可以有效抑制干擾，保存更多的電量，穩(wěn)定性增強(qiáng)，例如同為TLC的3DNAND壽命較2DNAND延長(zhǎng)。工藝制程演進(jìn)相對(duì)緩慢，3D堆疊層數(shù)增長(zhǎng)迅速。從2014年到2020年，各家廠商3DNAND堆疊層數(shù)從32層增長(zhǎng)至128層，大致3年層數(shù)翻一倍，而工藝制程在2DNAND時(shí)期就達(dá)到19nm，轉(zhuǎn)換成3DNAND工藝制程倒退至20-40nm，而后又逐步往更高制程演進(jìn)，制程演進(jìn)相對(duì)邏輯芯片較慢。從各廠商的技術(shù)藍(lán)圖來看，NANDFlash堆疊層數(shù)預(yù)計(jì)在2022年將達(dá)到2XX層，而工藝制程則可能停留在20-19nm左右。堆疊層數(shù)仍有較大提升空間。按照SK海力士的預(yù)測(cè)，3DNAND在發(fā)展到層數(shù)超過600層的階段時(shí)才會(huì)遇到瓶頸，目前市場(chǎng)上主流產(chǎn)品低于200層，未來技術(shù)升級(jí)空間較大。主流廠商基本實(shí)現(xiàn)從2DNAND到3DNAND的產(chǎn)品轉(zhuǎn)換，三星電子領(lǐng)先1-2年。從2014年3DNAND量產(chǎn)開始，到2018年主要NAND廠商基本完成從2D到3D的產(chǎn)品轉(zhuǎn)換。2018年NANDFlash廠商三星電子、東芝/西部數(shù)據(jù)、美光、英特爾等原廠的3DNAND生產(chǎn)比重己超過80%，美光甚至達(dá)到90%。目前，各家廠家已實(shí)現(xiàn)128層（鎧俠和西部數(shù)據(jù)是112層）的量產(chǎn)，176層正成為主流，2XX層以上的研發(fā)和量產(chǎn)正在推進(jìn)，其中三星研發(fā)進(jìn)度最為領(lǐng)先，比其他廠商領(lǐng)先1-2年。1.3新興技術(shù)：市場(chǎng)應(yīng)用有限，尚無法構(gòu)成實(shí)質(zhì)性替代除DRAM和NANDFlash以外，NORFlash近年來受到越來越多的關(guān)注。NORFlash制程迭代重啟，向55/40nm節(jié)點(diǎn)推進(jìn)。1988年，Intel推出第一款NORFlash商用產(chǎn)品，制程1.5um，2005年Intel推出65nm產(chǎn)品。然而，受市場(chǎng)萎縮的影響，NORFlash制程進(jìn)展長(zhǎng)期停滯。但近年來隨著可穿戴設(shè)備、AMOLED/TDDI和汽車電子等需求增長(zhǎng)，NORFlash行業(yè)自2016年以來恢復(fù)增長(zhǎng)。目前高密度NORFlash產(chǎn)品的主流工藝從65nm節(jié)點(diǎn)向55nm/40nm節(jié)點(diǎn)推進(jìn)，而低密度NORFlash產(chǎn)品仍在以65nm及以上節(jié)點(diǎn)制造。SPI接口NORFlash為主流，具有體積小、功耗低、成本低和速率高等優(yōu)點(diǎn)。NORFlash主要有兩種傳輸接口：SPI（串行外設(shè)接口）和I2C（并行存取接口）。相比于I2C，SPI僅需6個(gè)信號(hào)便可實(shí)現(xiàn)控制器和存儲(chǔ)器之間的通信，減少了設(shè)計(jì)復(fù)雜性，縮小了電路板面積，降低了功耗和系統(tǒng)總成本。SPI傳輸速度一般為幾十Mbps，而I2C的傳輸速率一般在400Kbps。使用SPI技術(shù)的NORFlash一般被稱為SPINORFlash，而使用I2C的被稱為ParallelNORFlash。目前國(guó)內(nèi)的NORFlash廠商眾多，兩種接口的NORFlash均有研發(fā)生產(chǎn)。新興存儲(chǔ)技術(shù)應(yīng)用有限，預(yù)計(jì)市場(chǎng)份額將長(zhǎng)期處于低水平。根據(jù)Yole，目前市場(chǎng)上除DRAM、NANDFlash、NORFlash其他存儲(chǔ)技術(shù)的市場(chǎng)份額合計(jì)僅2%，預(yù)計(jì)到2026年新興的存儲(chǔ)技術(shù)，包括PCM、MRAM、RERAM等，份額仍將不到全市場(chǎng)的3%。SRAM、EPROM、EEPROM基本被替代或應(yīng)用于較為局限的場(chǎng)景。（1）SRAM成本高昂，用于CPU高速緩存。相比于DRAM，SRAM快速且功耗低，但是成本高昂，且由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，SRAM占用面積大，因此成本高，不適合用于高密度存儲(chǔ)低。一般用小容量的SRAM作為高速CPU和低速DRAM之間的緩存（cache）。（2）EPROM已被替代。EPROM中存儲(chǔ)的信息在掉電時(shí)也能保持，可通過強(qiáng)紫外線照射對(duì)信息進(jìn)行擦除，是一種可重寫的存儲(chǔ)器芯片。EPROM在Flash推