RG nand 导体存储行业报告：数据量增长驱动存储升级，产业链迎国产化机遇

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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导体存储行业报告：数据量增长驱动存储升级，产业链迎国产化机遇

报告出品方：国信证券

以下为报告原文节选

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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。

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。

（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。

（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（Mask ROM）、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。NOR Flash 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。

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。

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。NAND Flash 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、Triple Level Cell(TLC)对应 3bit 到 Quadruple Level Cell(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。

为提升性能和容量，3D NAND 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 RG NAND 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 3D NAND 快两倍。

3D NAND 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，3D NAND 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。

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(DDR SDRAM 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。

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(4Gb DDR3DRAM)，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。

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（High Bandwidth 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。

“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，High Bandwidth Memory）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%。

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 TSV 和热压键合等技术将 DRAM 芯片进行堆叠并与 GPU 一起封装以实现更高的传输带宽的新型内存封装形式。从传输位宽来看，通过该种互连方式，每层 DRAM 芯片有两个 128 bits 通道，若堆叠 4 层 DRAM 芯片对应1024 bits 即 1024 个数据引脚；若 GPU 周围配置 4 块该类型 HBM 内存，则总位宽为 4096 bits；相比 GDDR5 显存 16 通道对应 512 bits 大幅提升，适用于游戏和图形处理等高并行任务对带宽要求高的应用。

根据 Trendforce 数据，HBM 市场被海力士(占 53%)、三星(占 38%)和美光(占 9%)三大内存原厂占据。2014 年，AMD 与海力士合作开发出了全球第一代 HBM，随后海力士相继推出了 HBM2、HBM2E、HBM3 等产品，内存 Die 堆叠层数由 4 层增至 12层，单颗 HBM 容量可达 24GB；此外，三星 HBM3 亦开始量产，并推出了 HBM-PIM(存算一体)产品；美光 HBM2E 于 21 年开始量产。随着 NVIDIA GPU H100、A100 采用了 HBM2e、HBM3 技术，HBM 应用将逐步走向成熟，成为 AI 服务器与高端 GPU 的主要封装形式。

存储产业：周期与成长并存存

储格局：准入门槛不断提升，上游原厂高度集中

存储芯片的周期性明显，波动大于半导体整体行业。全球半导体是螺旋演进的周期性行业，其中存储芯片相对标准化，因此周期性更为明显。从 2000 年以来的增速看，全球存储芯片的销售额同比增速波动性大于全球半导体：

PC 与手机创新：02 到 04 年，PC、笔记本需求拉动存储芯片景气上行；09 到11 年，全球经济变化带来行业短期波动，3G 手机和上网本的出现拉动了内存的需求。13 到 14 年，4G 智能手机渗透率提升，互联网+带来计算量提升，拉动存储进入上行周期。

视频流量兴起：16 年到 18 年，视频流量与智能化场景应用带来的存储扩容带动存储芯片景气上行；而各大存储大厂处于由 32 层向 64 层技术过渡阶段，产能使用率和良率偏低，存储器进入供不应求状况，价格大幅上涨，2017 年全球存储芯片销售额同比增长 61.5%。2018 下半年到 2020 年上半年，手机销量疲弱，存储厂商扩产和技术升级完成供过于求，2019 全球存储芯片销售额同比减少 32.6%。

疫情与供应链本土化：2020 下半年到 2021 年底，疫情带动的居家办公、线上学习带动 PC 和数据中心需求带动存储芯片景气上行；同时部分晶圆厂或封装厂因为疫情停工，供给不足，全球存储芯片月销售额增幅扩大。2022 年至今, 由于过渡下单导致的高库存、通胀及经济复苏趋缓导致存储芯片需求和价格持续走低。

DRAM 产品偏标准化使得其具备了大宗商品属性，行业经历整合后 CR3 达 90%左右。当需求下降时，一方面厂商试图通过大幅降低价格来获得市占率，另一方面晶圆厂需要满负荷运行已分摊固定成本（包括折旧）很高；因此当需求放缓时，会导致供应过剩，使价格和利润面临压力。自 2012 年以来，内存行业不断整合，95年前十大 DRAM 厂商占据了约 80%的市场份额，到 13 年美光科技、三星和 SK 海力士占据了 90%以上的市场份额，期间由于终端应用需求下降、汇率变化及资本投入受限等因素使得奇梦达、尔必达相继破产，行业整合形成了高度集中的格局。

随工艺节点提升，内存需要的资金投入、规模与技术能力使得市场难以进入。在行业整合阶段，由于工艺节点提升带来的准入门槛提升使得行业鲜有新进入者。工艺节点的缩小使得晶圆厂和工艺开发成本每年飙升 13%以上，建造一座新晶圆厂的成本在百亿美元量级，需要国家和社会资本的大力支持。此外，内存 bits的单价逐年降低，因此要求内存厂商不断迭代以维持产品 ASP，因此对技术要求提出了较多的挑战。

存储现状：价格触底，周期底部拉长

供需受多因素影响波动性增强且周期拉长。由于 COVID-19 放缓了供给端增长而居家模式拉动需求端加速增长，供需缺口拉大带来了行业 20-21 年的景气上行，随生活常态化内存市场增长放缓 22 年开启下行周期。由于过度下单与积极扩产导致库存高企，此外地缘政治、全球通胀、消费情绪低迷导致需求恢复有限，供需调整周期拉长。

1Q23 全球 DRAM 收入规模环比减少 21.2%。根据 TrendForce 数据，1Q23 DRAM 产业营业收入约 96.6 亿美元，环比减少 21.2%，已经连续三个季度下降。目前由于市场供过于求的状况仍未改善，价格持续下跌；随着原厂陆续减产后，预计 DRAM下半年价格的跌幅有望逐季收敛。考虑 2Q23 虽然出货量有所增加，但因价格跌幅较大，预计营业收入增长幅度有限。

1Q23 全球 NAND Flash 收入规模环比减少 16.1%。根据 TrendForce 数据，1Q23 NAND Flash 产业规模约 86.3 亿美元，环比减少 16.1%；主要由于第一季度 NAND Flash购买方采购意愿保守，供应商持续降价求售，因此 1Q23 NAND Flash 位元出货量仅环比微增 2.1%，而平均销售单价（ASP）环比减少 15%。TrendForce 预计 2Q23位元出货量环比增长 5.2%，但 ASP 将持续下跌，因此预计 2Q23 NAND Flash 产业营业收入将持续下跌，环比下降约 7.9%。

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SK海力士称，预计三季度DRAM BG将出现较低个位数百分比的季环比增幅

SK海力士称，预计三季度DRAM B/G将出现较低个位数百分比的季环比增幅；预计三季度NAND B/G季环比增幅将处于0%-10%区间的中部。预计下半年，人工智能手机的进一步发布将推动移动存储芯片需求增长。下半年PC存储芯片需求复苏可能相对弱于最初预期。

本文源自金融界AI电报

导体存储行业报告：数据量增长驱动存储升级，产业链迎国产化机遇

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