半导体周报0602-存储
半导体周报-0602
一、行业新闻及动态
《科创板日报》22日讯，三星电子正准备在2024下半年量产3nm Exynos应用处理器（AP）。业内消息称，三星预计将于2025年正式推出代号“Solomon”的3nm工艺，量产准备工作已经在进行中。
财联社5月23日电，台积电称预计到2030年，半导体和代工市场将达到1万亿美元；预计2024年包括存储芯片在内的半导体业务将达到6500亿美元，专业代工业务将达到1500亿美元。
财联社5月23日电，存储芯片是半导体市场最主要的细分领域，主要分为闪存和内存。数据显示，今年以来存储芯片价格已较去年同期上涨约50%。某存储企业负责人表示，从2023年年底开始，半导体存储产业逐步进入上行周期，今年已多次收到上游存储芯片厂提高合约价的通知。有报告显示，存储芯片价格或还将持续上涨，预计今年第二季度DRAM内存新品合约价格将上涨13%至18%。
财联社5月24日电，知情人士称，由于发热和功耗问题，三星电子最新的高带宽内存（HBM）芯片尚未通过英伟达的测试，无法用于后者的人工智能处理器。据悉，这些问题涉及三星电子的HBM和HBM3E产品。
财联社5月23日电，韩国推出26万亿韩元（约190亿美元）的芯片支持计划，金额是数周前建议金额的两倍以上，其中包括17万亿韩元对特定投资的财政支持以及税收优惠，将延长今年年底到期的半导体产业税收优惠。
《科创板日报》24日讯，TechInsights最新报告预测称，到2029年，中国半导体产能将增长40%，达到875msi（百万平方英寸）。中国的晶圆制造设备支出从2018年的110亿美元增长到2023年的近300亿美元。过去三年设备采购的爆炸式增长正转化为产能的快速提升。
财联社5月23日电，美国贸易代表办公室（USTR）当地时间5月22日就对华加征301关税发布公告称，对电动汽车及其电池、电脑芯片和医疗产品等一系列中国进口商品大幅加征关税的部分措施将于8月1日生效。USTR在一份联邦通知中表示，为期30天的公众意见征询期将于6月28日结束。
二、本周话题——存储
存储器通过使用地址编址和电子静态存储技术实现存储和读取数据，通常被组织成一个二维矩阵，其中的每个单元称为一个存储位置。在计算机需要读取或写入数据时，向存储器发送地址信号，通过数据总线与存储器进行数据的传输。存储器按存储介质可以分为光学存储器、半导体存储器以及磁性存储器。其中半导体存储器主要基于半导体技术，通过电线控制电信号的流量来存储和读取数据。
半导体存储器根据功能性及使用的主要存储芯片类型不同，分为易失性存储芯片（RAM）和非易失性存储芯片（ROM）。RAM 为随机存储器，分为 SRAM 和 DRAM 两类，SRAM（静态随机存储器）不需要周期性地刷新，速度比较快，但成本也较高，是利基存储。DRAM（动态随机存储器）需要周期性地刷新，它的速度较慢，但成本较低，是大宗存储。
ROM 是一种存储固定信息的存储器。主要包括掩膜型只读存储器（MROM）、可编程只读存储器（PROM/EPROM/EEPROM）、Flash（快闪存储器）。快闪存储器的主流产品为 NOR Flash 和NAND Flash，其中 NAND 是大宗存储，NOR 是利基存储。
常见存储器分类
资料来源：中国银河证券研究所
在存储行业产品的市场占有率方面，DRAM 以超过 50%的份额稳居第一，紧随其后的是 NAND，占比约为 35%。Nor 产品则保持稳定，维持着约 2%左右的市场份额。
各类存储对比
存储产业各类产品市场占比
资料来源：WSTS，Trendforce，中国银河证券研究所
（1）DRAM：
动态随机存储器（DRAM）是与 CPU 直接交换数据的内部存储器，可以随时读写且速度快，通常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。DRAM 只能将数据保持很短的时间，为了保持数据，DRAM 必须隔一段时间刷新一次，如果存储单元没有被刷新，数据就会丢失。DRAM 基本存储单元都是由一个晶体管和一个电容器组成，电容器的状态决定了存储单元的逻辑状态是 1 还是 0，充电的电容器是逻辑 1，而“空”的电容器则是 0；电容器不能持久的保持储存的电荷，所以内存需要不断定时刷新，才能保持暂存的数据。
DRAM 主要以颗粒和内存条的形式应用于终端。DRAM 按照产品分类主要分为 DDR、LPDDR（低功耗）和 GDDR（显卡），其中 DDR 主要应用于 PC 和服务器端、LPDDR 主要应用于手机端、GDDR 的主要应用于显卡端。DRAM 产品中一部分以 DRAM 颗粒出货，比如智能手机中使用的 LPDDR，显卡中使用的 GDDR、HBM 等，另一部分 DRAM 以模组形式出货，主要是应用于 PC、服务器上内存条。
内存条主要由 DRAM 颗粒、内存接口芯片及配套芯片组成。应用于 PC 的内存条主要由 DRAM 颗粒、PMIC（电源管理芯片）、SPD Hub（串行检测集线器）组成，其中 DRAM 颗粒占内存条成本的大部分；PMIC 用于帮助调节内存模组中不同组件（DRAM 颗粒、寄存器、SPD hub 等）所需的电源；SPD Hub内部集成了 EEPROM，用于存储内存模组相关信息以及模组上的内存颗粒和其他组件的配置参数，管理对外部控制器的访问并将内部总线上的内存负载与外部分离开。用于服务器的内存条还需增加内存接口芯片 RCD（寄存时钟驱动器）和 DB（数据缓冲器），以及配套芯片 TS（温度传感器），其中 RCD用来缓冲来自内存控制器的地址、命令、时钟、控制信号；DB 用来缓冲来自内存控制器或内存颗粒的数据信号；TS 用于实现对内存模组的温度管理，以提高系统工作的稳定性。
（2）NAND Flash
NAND Flash 内部存储单元是基于 MOSFET，与普通场效应晶体管的不同之处在于，浮栅技术（Floating Gate）在栅极（控制栅）与漏极/源极之间存在浮栅，利用浮栅存储数据，数据在 NAND Flash 中是以电荷的形式存储的，存储电荷的多少取决于控制栅极所施加的电压，栅极及主板利用氧化膜进行了绝缘处理，一次积累的电荷可以保持长时间；电荷俘获技术(Charge Trap)将多孔氮化硅作为绝缘体，在孔内填入电荷来区分 0 与 1 的方式，用绝缘体氮化硅替代原本导体浮栅的存储方式，从根源上杜绝邻近单元间的串扰问题。
固态硬盘、嵌入式存储、移动存储是 NAND Flash 主要产品形态。NAND Flash 主要以模组的形式出货，根据下游应用场景形成了不同的产品形态，主要包括固态硬盘（大容量存储场景）、嵌入式存储（用于电子移动终端低功耗场景）、移动存储（便携式存储场景）等。
NAND Flash 模组主要由主控芯片、DRAM 缓存和 NAND Flash 颗粒组成。其中主控芯片是NAND Flash 模组的核心器件，负责与主机 CPU 进行数据通信以及 NAND 闪存颗粒数据管理，固件算法用于驱动主控；DRAM 缓存是主机 CPU 与主控之间的数据中转站；NAND Flash 颗粒负责数据存储。
（3）NOR FLASH
NOR Flash 具有随机存储、读取速度快、芯片内执行等特点。NOR Flash 是一种基于 NOR 门结构的闪存技术，其中 NOR 代表了逻辑门电路中的“或非”门；NOR Flash 具有并行访问结构，这意味着每个存储单元都有一个地址，并且可以直接访问任何存储单元，这使得 NOR Flash 具有快速的随机访问能力，适用于执行代码和读取关键数据。与 NAND Flash 相比，NOR Flash 具有较低的存储密度和较高的成本，但具有随机存储、读取速度快、芯片内执行（XIP）等特点，适合用作执行代码和存储需要低延迟和高可靠性的关键数据的应用程序，广泛应用于手机，电脑，可穿戴等消费类电子、汽车电子、安防、工控、基站、物联网设备等领域。
NOR Flash内部的布线及结构
资料来源：维基百科，中原证券
NOR Flash 基于浮栅（ETOX）及电荷俘获（SONOS）工艺结构。NOR Flash 有浮栅（ETOX）及电荷俘获（SONOS）两种工艺结构，ETOX 工艺结构存储器主要由衬底、隧道氧化层、多晶浮栅、栅间绝缘层和多晶控制栅组成，通过向浮栅中注入电子或拉出电子实现写入和擦除操作，主流的 NOR Flash目前多采用 ETOX 工艺。SONOS 就是将浮栅用氮化物取代，形成氧化物-氮化物-氧化物(OxideNitride-Oxide)结构，其利用氮化物的特性将电荷固定在注入点附近，它不像浮栅那样随机分布在多晶上，因此可以在两端分别聚集电荷，使一个单元可以实现 2 比特的存储；基于 SONOS 技术在提高存储
单元密度的同时，也会带来一些副作用，比如在访问时，两个比特会相互干扰；由于 SONOS 的电荷捕获方式更不容易产生缺陷产品，对制造工艺要求相对简单，比较有成本优势。
技术发展路径：
1、DRAM：向传输高速、低功耗演进：
DDR 和 LPDDR 是 DRAM 目前应用最广的类型，根据 Yole 的数据，DDR 和 LPDDR 合计在DRAM 分类中应用占比约为 90%。
1）DDR：即 DDR SDRAM，又称双倍数据率同步动态随机存取存储器，它可以在一个时钟读写两次数据，这样就使得数据传输速度得以加倍。在性能和成本优势下，DDR SDRAM 成为了目前电脑和服务器中用的最多的内存。从 DDR 的发展进度来看，“性能”和“成本”始终在不断权衡中不断跌打，在频率和多通道上发展，追赶计算核心的性能。
各代DDR产品规格
资料来源：半导体行业观察，中国银河证券研究所
2）LPDDR：低功耗双数据速率同步动态随机存取内存，经历了多个版本的发展，2006 年 LPDDR1代版本首次推出，主要用于早期移动设备，提供低功耗和高性能存储产品，后续不断迭代，电压逐步降低，频率稳步提升。
LPDDR 产品减少通道带宽以及降低输出频率，达到在移动端设备最为适合的体积和工号，主要用于智能手机、笔记本电脑和部分工业场景。目前 LPDDR5 由 JEDEC 协会重新定制，转向最高 16Bank 可编程和多时钟体系结构，目前 LPDDR5 产品在移动端设备渗透率已达 50%以上，在智能手机更高性能和容量需求情况下，是三星电子、SK 海力士以及美光三家内存巨头在全球 LPDDR5X 这一最新技术领域的激烈竞争。
LPDDR 各代规格
资料来源：CSDN,CFM,中国银河证券研究所
3）GDDR：绘图用双信道同步动态随机存取内存。是为了设计高端显卡而特别设计的高性能 DDR 存储器规格，其有专属的工作频率、时钟频率、电压。GDDR 与一般 DDR 不能共用，时钟频率更高，发热量更小，一般用于面向需要极高吞吐量的数据密集型应用程序，例如图形相关应用程序、数据中心加速和 AI。
4）HBM：高宽带内存。是 3D DRAM 的主要代表产品，采用硅通孔（TSV）技术将多个 DRAM 芯片进行堆叠，并与 GPU 一同进行封装，形成大容量、高位宽的 DDR 组合阵列，从而克服单一封装内的带宽限制。HBM 内存性能优势突出，当前已发展至 HBM3，ChatGPT 的出现带动了高性能存储的需求，HBM 技术有望随着人工智能浪潮得到快速发展。
高传输速率和低功耗是未来 DRAM 发展的方向。现主流的 DDR 标准是 DDR4。可以看到，最新一代DDR5 拥有超高频宽及低功耗优势，不仅传输速率能增加 50％，工作电压亦由 DDR4 的 1.2V 下降至DDR5 的 1.1V，能够提高整体系统能源效率。此外，DDR5 模块配置电源管理 IC，直接单独在 DIMM
模块上执行电源控制，能够获得更加稳定的电源，并具备较佳的讯号完整性，进而优化能源效率。预计未来 DDR5 渗透率会逐步提高。
2、NAND：高密度存储和 3D 堆叠为主要趋势
SSD 固态硬盘为“闪存介质+主控”的半导体存储结构。SSD 是最近 10 年才呈现出爆发式增长的存储方式，SSD 存储方式在功耗和性能上均有较好表现。
高密度存储单元向 TLC、QLC 等存储方式演进。NAND Flash 从存储单元上可以分为以下几类，分别为平面的 SLC/MLC/TLC/QLCNAND 和立体的 3D NAND，其中平面四类每个单元存储信息依次递增，电压变化随存储信息增多成指数级增长，但寿命也随之减少。SLC 产品凭借高可靠性的擦除、高带宽、寿命长等优势在 IoT 领域广泛应用，SLC 也是向大容量 NAND 拓展的必经之路。TLC 和 QLC 产品为目前大容量存储主流。两者合计占据了市场份额的 95%。根据 Gartner 的数据，2019 年 SLC（Single LevelCell）NAND 市场规模达到了 16.7 亿美元，约占整体 NAND 市场的 3%-4%左右。
3D 堆叠大幅提升容量，单元密度相同情况下，提高了存储密度，降低了每个比特的成本，同时也提升了成本效益和寿命。在结构上，NAND Flash 分为 2D 和 3D 两类。2D 结构的存储单元布置在芯片的XY 平面中，而 3D NAND 或 V-NAND 技术则将存储单元沿 Z 平面堆叠在同一晶圆上。
2DNAND 存在技术瓶颈，预计其极限在 10-12 纳米。然而，3D NAND，即垂直堆叠技术，理论上具备无限堆叠潜力。这有助于跳出对进阶制程的限制，同时无需仰赖极紫外光刻（EUV）技术。这种革新确保了闪存的容量、性能和可靠性。这意味着未来可依靠 3D NAND 技术来满足不断增长的存储需求，推进存储技术的进一步演进。
主流厂商正在逐步加紧 3D NAND 研究，目前三星产品技术较为领先。从近期各厂商出货来看，2022年美光实现 232 层 NAND 闪存产品的出货，三星也宣布开始量产 236 层 3D NAND 闪存芯片，铠侠和西部数据于 2023 年推出 218 层 3D NAND 闪存，SK 海力士则在 2023 年展示了其最新 300 层 3D NAND 产品原型，预计将在 2024-2025 年期间上市。三星将在 2024 年将生产超过 300 层的第九代 VNAND 闪存，堆叠层数仍在持续突破。
4D NAND Flash 可能成为新技术方向。SK 海力士近年来研发出全新的 4D NAND FLASH 架构。这一架构在现有的 3D NAND 基础上，进一步增加了电路层的堆叠，实现了三维集成化设计。4D NAND 的核心创新是在 3D NAND 存储单元阵列下方新增了一个周边电路层。这种高度集成化的设计大大缩小了电路板面积，不仅降低了制造成本，还进一步提升了存储容量。SK 海力士已经完成了 128 层 4D NAND 芯片的样品制作和验证，并准备投入商业化生产。预计未来 4D NAND 芯片的层数还将持续增加，届时单片存储容量将实现飞跃。
行业现状：
存储行业市场规模超千亿，是半导体产业的主要细分市场。22/21/20 年全球存储市场规模分别为1392/1534/1175 亿美金，占半导体规模的比例分别为 24%/28%/27%，是全球第二大细分品类。
半导体产业中，存储行业的周期波动大。存储的周期性与全球半导体整体周期性走势一致，但波动性远大于其他细分品类。
2022-2023半导体产业内各行业占比
资料来源：WSTS，中国银河证券研究所
DRAM:
海外三巨头主导全球 DRAM 颗粒市场。根据 Gartner 的数据，2021 年全球 DRAM 市场三星、海力士、美光的市场份额分别为 42%、29%、23%，合计占比达 94%，还有南亚、华邦、力晶等厂商，国内DRAM 晶圆厂商主要为合肥长鑫，目前尚处于早期发展阶段。
DRAM 晶圆设计与制造行业具有较高的资本门槛。早期进入 DRAM 存储器领域的全球领先企业通过巨额资本投入不断积累市场竞争优势，全球 DRAM 晶圆市场被三星、海力士和美光主导。国际领先的DRAM 晶圆原厂不断进行工艺制程迭代，每更新一代工艺又需要重新进行投资更新设备，芯片设计与晶圆制造的研发门槛持续提升，研发资本投入不断增加；同时，主要存储原厂还需通过持续大额资本支出来投放成熟制程产能，维持规模优势和市场份额；根据 Omdia 的数据，国际领先的 DRAM 晶圆原厂三星、海力士、美光近十年每年都需要进行数十亿美元的固定资产投资，并且呈波动向上增长趋势，DRAM 晶圆设计与制造行业具有较高的资本门槛。
2021全球DRAM市场竞争格局
资料来源：Gartner，彭博，中原证券
DRAM 主要以颗粒和内存条的形式应用于终端，DDR5 世代内存条出货量高速增长，原厂高度垄断。根据 Yole 数据预测，全球内存条出货量将从 2022 年的 5.11 亿条增长至 2028 年的 6.5 亿条，年均复合增长率约 4%，较为平稳，主要增长驱动力来自高世代产品份额提升带来更高的附加值，市场中的主力产品从 DDR4 正逐步迈向更高阶的 DDR5。Yole 预计 DDR5 内存条出货量将从 2022 年的 0.11亿条增长至 2028 年的 6.42 亿条，年均复合增长率高达 97%。对比 DDR4，DDR5 具备更高的内存频率和更低的功耗，同时代表着对存储颗粒的性能有着更高的要求。目前市场中 DDR5 的主要供应商为三星、
SK 海力士和美光等原厂。随着 DDR5 的市占率逐步提高，Yole 预测全球 DRAM 模组市场中原厂的份额将从 2021 年的 83%提升至 2028 年的 91%，海外原厂依然保持对高端内存市场的绝对话语权。而非原厂市场金士顿独占鳌头，国产替代空间广阔。
DDR5 时代内存接口芯片及配套芯片处于高速成长期，国内厂商澜起科技有望畅享 DDR5 升级趋势。内存接口芯片及配套芯片是内存条的核心组件，根据 Yole 的数据，2021 年全球内存接口芯片及配套芯片市场规模为 7.1 亿美元，2022 年增长到 11 亿美元，随着 DDR5 渗透率逐步提升，预计 2028 年市场规模将达到约 40 亿美元，2021-2028 年复合增速约为 28%，DDR5 时代内存接口芯片及配套芯片处于高速成长期。目前全球 DDR5 内存接口芯片主要供应商分别是国内厂商澜起科技、日本厂商瑞萨电子和美国厂商 Rambus，澜起科技可为 DDR5 系列内存模组提供完整的内存接口芯片及配套芯片解决方案，并占据全球市场的重要份额，有望畅享 DDR5 升级趋势。
NAND FLASH：
全球前五大厂商统治 NAND Flash 颗粒市场，国内厂商快速发展。根据 Gartner 的数据，2021 年三星以 35%的市占率占据全球 NAND Flash 市场第一位，铠侠以 18%的市场份额位列第二位，西部数据、美光、SK 海力士的市场份额分别为 14%、13%、10%，前五大厂商市场份额为 90%；Solidigm 以 4%的市场份额排在第六位，中国厂商长江存储经过近几年的快速发展，获取 3%的市场份额位列全球第七位。
2021全球NAND FLASH市场竞争格局
资料来源：Gartner，彭博，中原证券
NAND Flash 晶圆设计与制造行业具有较高的资本门槛。全球 NAND Flash 晶圆市场被三星、铠侠、西部数据、美光和 SK 海力士占据，全球前五大 NAND Flash 厂商通过前期巨额资本投入建立强大的竞争优势，并且不断进行工艺制程迭代，研发投入持续增加；根据 Omdia 的数据，全球前五大 NAND
Flash 晶圆原厂长期保持较高的资本投入，并且呈波动向上增长趋势，NAND Flash 晶圆设计与制造产业具有较高的资本门槛。
NAND Flash 模组中，全球固态硬盘出货量稳健增长，固态硬盘市场以消费级为主。根据 Yole 的数据，2022 年全球固态硬盘市场规模为 290 亿美元，出货量为 3.52 亿块，预计 2028 年市场规模将达到 670亿美元，出货量为 4.72 亿块，2022-2028 年复合增速为 5%。2022 年售出的 3.52 亿块 SSD 中，企业级 SSD 大约 5500 万块，占比 16%，其余为消费级 SSD，销售量为 2.97 亿块，占比 84%。
IDM 厂商主导全球固态硬盘市场，第三方品牌市场金士顿稳居第一，国产品牌已经崛起。目前三星、铠侠、西部数据、SK 海力士、美光、Solidigm 等 NAND Flash IDM 厂商占据固态硬盘市场主要份额，主导全球固态硬盘市场。在全球第三方固态硬盘市场，美国厂商金士顿市占率位列第一，国产第三方固态硬盘品牌也已经崛起。
IDM 厂商主导全球 eMMC 及 UFS 市场，国内厂商在第三方市场占据领先地位。eMMC 是当前智能终端设备的主流闪存解决方案，在尺寸、成本等方面具有优势，占据较大的市场空间；UFS 是 eMMC的换代产品，具有更高的存储性能和传输速率，目前已成为高端智能手机的主流选择，并开始逐步下沉。根据闪存市场的数据，eMMC 及 UFS 市场三星、SK 海力士、铠侠、西部数据、美光的市占率排在前五位，市占率占据统治地位；第三方品牌市场江波龙以市占率位居第一，金士顿以 5.3%的市占率排在第二位，佰维市占率排名第三，国内厂商在第三方市场已占据领先地位。
主控芯片是 NAND Flash 模组的核心，2021 年市场规模约 40 亿美元。根据 Yole 的数据，2021 年全球 NAND Flash 主控芯片市场规模约 40 亿美元，其中应用于固态硬盘市场规模约为 13.6 亿美元，而应用于智能手机的市场规模约 11.6 亿美元，预计 2027 年全球 NAND Flash 主控芯片市场规模将接近 60
亿美元。
银河证券：存储行业景气度拐点已至，AI/国产化/需求复苏带来新周期
