全面解析存儲芯片技術(shù)發(fā)展趨勢

1.存儲芯片是市場規(guī)模巨大的集成電路產(chǎn)品之一

（1）存儲芯片屬于半導(dǎo)體中集成電路的范疇，是目前應(yīng)用面最廣、標(biāo)準(zhǔn)化程度最高的集成電路基礎(chǔ)性產(chǎn)品之一。半導(dǎo)體按照產(chǎn)品分類可分為光電器件、傳感器件、分立器件和集成電路四大類，占半導(dǎo)體價值量比例最高的為集成電路，約占整個半導(dǎo)體行業(yè)市場規(guī)模的82.64%，其主要包括模擬芯片、微處理器芯片、邏輯芯片和存儲芯片等四種。根據(jù)WSTS的數(shù)據(jù)，2022年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模為5740.84億美元，集成電路占比達83%，其中存儲芯片市場規(guī)模為1297.67億美元，占整個半導(dǎo)體行業(yè)的23%，由此可以看出，存儲芯片和邏輯芯片在整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中貢獻的價值量最大。

圖?半導(dǎo)體產(chǎn)品分類圖

資料來源：WSTS，東海證券研究所整理

（2）存儲設(shè)備是計算機系統(tǒng)中用于存儲和讀取數(shù)據(jù)的硬件組件，按存儲介質(zhì)不同可分為光學(xué)存儲、磁性存儲和半導(dǎo)體存儲。光存儲器是指用光學(xué)方法從光存儲媒體上讀取和存儲數(shù)據(jù)的一種設(shè)備，一般指光盤機、光帶機和光卡機等；磁性存儲，是指利用磁能方式存儲信息的磁介質(zhì)設(shè)備，其存儲與讀取過程需要磁性盤片的機械運動，目前廣泛應(yīng)用于PC硬盤、移動硬盤等領(lǐng)域；存儲芯片，又稱為半導(dǎo)體存儲器，是指利用電能方式存儲信息的半導(dǎo)體介質(zhì)設(shè)備，其存儲與讀取過程體現(xiàn)為電子的存儲或釋放，廣泛應(yīng)用于內(nèi)存、U盤、消費電子、智能終端、固態(tài)存儲硬盤等領(lǐng)域。按照斷電后是否保留存儲的信息，存儲芯片主要可分為易失性存儲芯片（RAM）和非易失性存儲芯片（ROM）。

RAM為隨機存儲器，斷電后不會保存數(shù)據(jù)，主要產(chǎn)品包括SRAM和DRAM，DRAM即動態(tài)隨機存儲器，使用電容存儲，DRAM的一個比特使用一個電容和一個晶體管存儲，由于電容會漏電，因此需要定時刷新一次存儲單元來保持?jǐn)?shù)據(jù)；SRAM即靜態(tài)隨機存儲器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比DRAM復(fù)雜，可以在不刷新電路下保存數(shù)據(jù)。ROM是一種存儲固定信息的存儲器，在正常工作狀態(tài)下只能讀取數(shù)據(jù)，不能即時修改或重新寫入數(shù)據(jù)，在外部電源切斷后仍能保存數(shù)據(jù)，讀取速度較慢但存儲容量更大，主要包括EEPROM（帶電可擦可編程只讀存儲器）、Flash(閃存芯片)、PROM(可編程只讀存儲器)、EPROM(可擦除可編程只讀存儲器)等。

（3）根據(jù)具體的功能，可以將計算機中的存儲器細分為寄存器、高速緩存、主存儲器、磁盤緩存、固定磁盤、可移動存儲介質(zhì)等6層。從CPU Cache、內(nèi)存到SSD和HDD，構(gòu)成了計算機的存儲體系，各層只和相鄰的層交換數(shù)據(jù)，隨著層級由高到低，設(shè)備容量變大、離CPU距離變遠、訪問速度變慢、傳輸時間變長，并且每字節(jié)的造價成本也越來越便宜。CPU中的寄存器位于最頂部，記為L0，它使用SRAM芯片做成，集成在CPU的內(nèi)部，其容量有限、速度極快、和CPU同步；緩存是一種小而快的存儲器，一般作為DRAM的緩沖，采用SRAM技術(shù)實現(xiàn)，通常也會被集成在CPU內(nèi)部；主存一般由DRAM組成，和SRAM不同，其存儲密度更高，容量更大，價格更低，速度也更慢。綜合來看，SRAM價格貴、速度快，DRAM價格便宜、容量更大，SSD和HDD硬盤作為外部存儲設(shè)備容量更大、成本更低、離CPU更遠、訪問速度更慢。

圖?存儲器結(jié)構(gòu)層次圖

圖?存儲系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

資料來源：CSDN，東海證券研究所

（4）DRAM和FLASH是目前市場上最為主要的存儲芯片。FLASH可分為NOR和NAND兩種，兩者區(qū)別在于存儲單元連接方式不同，導(dǎo)致兩者讀取方式不同，NAND由于引腳上復(fù)用，因此讀取速度比NOR慢一點，但是擦除和寫入速度比NOR快很多；NAND內(nèi)部電路更簡單，因此數(shù)據(jù)密度大，體積小，成本也低，市場上一些大容量的FLASH都采用NAND型，例如SSD、U盤、SD卡、EMMC。小容量的2～12M的FLASH多是NOR型，NOR比較適合頻繁隨機讀寫的場合，通常用于存儲程序代碼并直接在閃存內(nèi)運行。相比于Flash與Nor，DRAM具有較高讀寫速度、存儲時間短等優(yōu)勢，但單位成本更高，主要用于PC內(nèi)存(如DDR)、手機內(nèi)存(如LPDDR)和服務(wù)器等設(shè)備等。

表三類存儲產(chǎn)品差異性

資料來源：東芯股份招股說明書，公開資料整理，東海證券研究所

2.垂直分工和并購加速產(chǎn)業(yè)鏈整合

（1）存儲芯片是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要分支，下游應(yīng)用空間廣闊。存儲芯片行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上游參與者包括硅片、光刻膠、靶材、拋光材料、電子特種氣體等半導(dǎo)體材料供應(yīng)商和***、PVD、CVD、刻蝕設(shè)備、清洗設(shè)備、封測設(shè)備等半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商；產(chǎn)業(yè)鏈中游為存儲芯片制造商，主要負責(zé)存儲芯片的設(shè)計、制造和封測，常見的存儲芯片包括DRAM、NAND閃存芯片和NOR閃存芯片等；產(chǎn)業(yè)鏈下游為消費電子、汽車電子、信息通信、人工智能等應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的企業(yè)，各類電子化和智能化設(shè)備都離不開存儲芯片應(yīng)用。

圖?存儲芯片產(chǎn)業(yè)鏈

資料來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院，東海證券研究所整理

（2）存儲芯片按照制造流程又可細分為一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈。存儲芯片產(chǎn)業(yè)鏈主要由集成電路設(shè)計、晶圓制造、封裝和測試、模組廠商集成等環(huán)節(jié)組成，從經(jīng)營模式來看，主要分為IDM和垂直分工模式。IDM模式指企業(yè)業(yè)務(wù)覆蓋IC設(shè)計、制造、封裝和測試的所有環(huán)節(jié)，大部分國際存儲芯片大廠均為IDM模式，例如東芝半導(dǎo)體、三星半導(dǎo)體、飛索半導(dǎo)體、美光科技等大型跨國企業(yè)。另一種模式為垂直分工模式，即Fabless（無晶圓制造的設(shè)計公司）+Foundry（晶圓代工廠）+OSAT（封裝測試企業(yè)），F(xiàn)abless模式是指無晶圓生產(chǎn)線集成電路設(shè)計模式，即企業(yè)只進行集成電路的設(shè)計和銷售，將制造、封裝和測試等生產(chǎn)環(huán)節(jié)外包，例如高通、聯(lián)發(fā)科、AMD、華大半導(dǎo)體等；Foundr 即晶圓代工廠，它是一種只負責(zé)芯片制造，不負責(zé)芯片設(shè)計環(huán)節(jié)的一種產(chǎn)業(yè)運作模式，這類企業(yè)典型代表為臺積電、聯(lián)電、中芯國際等；OSAT指專門從事半導(dǎo)體封裝和測試的企業(yè)，比如日月光、Amkor、長電、通富微電等。

圖?存儲芯片制造全產(chǎn)業(yè)鏈圖

資料來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院，東海證券研究所整理

（3）垂直分工模式進一步深化，降低成本同時顯著提升產(chǎn)業(yè)運作效率。IDM模式下，企業(yè)投入大量資金用于晶圓制造設(shè)備和生產(chǎn)線的建設(shè)，內(nèi)部各環(huán)節(jié)協(xié)同生產(chǎn)，整體規(guī)模效應(yīng)顯著，毛利率也會上升；但IDM模式下，企業(yè)內(nèi)部管理成本增加，因此，IDM模式適合規(guī)模巨大的企業(yè)。Fabless模式注重輕資產(chǎn)運營，更為靈活，可以充分利用半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈資源，集中主要精力用于產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)迭代，適應(yīng)激烈的市場競爭環(huán)境，快速發(fā)展，缺點是無法實現(xiàn)工藝協(xié)同，同時需要承擔(dān)各種市場風(fēng)險，相對來說適合小企業(yè)經(jīng)營。存儲芯片標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，國際巨頭大部分采取IDM模式運行，國內(nèi)存儲企業(yè)由于規(guī)模較小，剛開始從小眾市場切入，多數(shù)采用Fabless模式，隨著企業(yè)規(guī)模的擴大，長期或?qū)⑾騃DM模式轉(zhuǎn)型。近些年，國內(nèi)大型存儲項目長江存儲、合肥長鑫、福建晉華均是IDM模式的大型晶圓廠布局。

表三種產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)營模式優(yōu)劣勢

資料來源：CSDN，東海證券研究所

（4）行業(yè)發(fā)展和技術(shù)升級驅(qū)動產(chǎn)業(yè)鏈模式變化，并購加速產(chǎn)業(yè)鏈整合。在臺積電成立以前，半導(dǎo)體行業(yè)只有IDM一種模式，經(jīng)過半個多世紀(jì)發(fā)展，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈逐步朝向分工和整合趨勢發(fā)展。

1）產(chǎn)業(yè)鏈分工：摩爾定律推動半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)不斷更新迭代，同時帶動生產(chǎn)制造設(shè)備的升級改造，先進工藝晶圓廠資金投入增加，F(xiàn)oundry模式能最大化的分?jǐn)偧夹g(shù)升級成本和利用產(chǎn)能，提高資本支出的收益率。IDM企業(yè)為了減少投資風(fēng)險、輕資產(chǎn)化，逐漸采取Fablite（輕晶圓廠）策略，將部分非核心和高難度工藝制造業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)為第三方代工，自身保留其余制造業(yè)務(wù)。

2）產(chǎn)業(yè)鏈整合：半導(dǎo)體行業(yè)進入新的發(fā)展階段，通過并購，企業(yè)間可以基于業(yè)務(wù)層面的協(xié)同互補，擴展產(chǎn)品條線和客戶群體，縮減成本的同時實現(xiàn)更強的供應(yīng)鏈溢價，提升行業(yè)市占率。因此，隨著技術(shù)進步，全球分工模式越來越多，同時，大企業(yè)不斷成長又不斷合并為IDM模式，產(chǎn)業(yè)循環(huán)往復(fù)，推動全球技術(shù)不斷推進。

圖 1950-2010年全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈模式的變遷

資料來源：TNO andCWTS，東海證券研究所

（5）近些年，隨著技術(shù)難度不斷升級，F(xiàn)abless公司在全球IC銷售額中的份額持續(xù)提升。根據(jù)IC Insights數(shù)據(jù)，在銷售增長率方面，過去20年里，采取Fabless模式的公司IC銷售額增長率顯著高于采取IDM模式的公司，個別年份例如2017、2018年，F(xiàn)abless公司份額增長低于IDM公司，而且相較于IDM公司，F(xiàn)abless公司受市場環(huán)境波動幅度更小。在銷售份額占比方面，2003-2021年，全球Fabless公司銷售份額占IC銷售額比重穩(wěn)定增長，2019年IC市場的Fabless份額較去年同期提高4.1個百分點至29.9%，隨后持續(xù)增長并在2021年達到34.8%的峰值。Fabless模式的輕資產(chǎn)化更為靈活，在市場周期下行的階段，能更好適應(yīng)激烈的市場競爭環(huán)境。我國國產(chǎn)化空間巨大，大部分的存儲芯片企業(yè)成立之初均以Fabless模式為主。

圖?2003-2021年Fabless/IDM公司銷售增長率(%)

資料來源：IC Insights，東海證券研究所

圖 2003-2021年全球Fabless公司銷售額占集成電路總銷售額比重(%)

資料來源：IC Insights，東海證券研究所

3.存儲產(chǎn)業(yè)在空間上經(jīng)歷兩次遷移

（1）存儲芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)源于美國，此后經(jīng)歷過兩次大的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。進入1960年代后，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，電子行業(yè)開始了將集成電路技術(shù)用于計算機存儲領(lǐng)域的嘗試，存儲芯片產(chǎn)業(yè)鏈從垂直整合到垂直化分工越來越明確，并經(jīng)歷了兩次空間上的產(chǎn)業(yè)遷移，遷移路徑由美國至日本再到韓國。

1）美國：行業(yè)市占率居前的主要廠商也隨著產(chǎn)業(yè)遷移發(fā)生了明顯的變化，最開始由美國加州的Advanced Memory System公司生產(chǎn)出了世界上第一款DRAM芯片（容量僅有1KB），隨后英特爾、德州儀器（TI）、莫斯泰克（Mostek）、美光等存儲廠商逐漸發(fā)展壯大。

2）日本：1976年，為了發(fā)展半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，日本通過舉國體制，成立了VLSI聯(lián)合研發(fā)體，隨后成功研制出64K DRAM，追平了美國研發(fā)進度；到了1980年代，日本廠商憑借質(zhì)量和價格優(yōu)勢，開始反超美國，市占率逐漸達到全球第一；1985年，美蘇冷戰(zhàn)氣氛不斷減弱，日美貿(mào)易摩擦不斷增加，美國開始對日本經(jīng)濟實施打壓，在陸續(xù)的施壓下，日本存儲芯片市場份額一落千丈，很快喪失了主導(dǎo)權(quán)。

3）韓國：韓國企業(yè)抓住了美日半導(dǎo)體競爭的契機，在美國的技術(shù)轉(zhuǎn)讓和市場準(zhǔn)入扶持下，三星電子脫穎而出，逐漸趕超日本。

（2）存儲市場加速發(fā)展，國內(nèi)廠商異軍突起。2016年之前，國內(nèi)沒有生產(chǎn)DRAM、Flash的能力，直到合肥長鑫、長江存儲成立。2019年，中國大陸公司開始全面進軍存儲器市場，長江存儲64層3D NAND Flash進入量產(chǎn)階段，緊接著合肥長鑫宣布中國大陸第一座12英寸DRAM工廠投產(chǎn)，并宣布首個19納米工藝制造的8Gb DDR4。三年時間里，國內(nèi)相繼攻克了3D NAND Flash和DRAM技術(shù)，在一定程度上打破了內(nèi)存和閃存制造國際寡頭壟斷的局面。國內(nèi)存儲芯片起步晚，要實現(xiàn)全球領(lǐng)先任重道遠，先進制造技術(shù)仍掌握在國際大廠的手里，因此，存儲芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要長期的資金投入和技術(shù)革新，解決生產(chǎn)制造中不良率的下降以及產(chǎn)能的上升，提高性能指標(biāo)。

圖?國內(nèi)存儲芯片發(fā)展歷程

資料來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院，東海證券研究所

4.存儲芯片技術(shù)發(fā)展趨勢

（1）DDR、LPDDR、GDDR是基于DRAM的三種內(nèi)存規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。固態(tài)技術(shù)協(xié)會（JEDEC）定義了三種DRAM標(biāo)準(zhǔn)類別，幫助設(shè)計人員滿足目標(biāo)應(yīng)用的功耗、性能和規(guī)格要求。標(biāo)準(zhǔn)DDR：面向服務(wù)器、云計算、網(wǎng)絡(luò)、筆記本電腦、臺式機和消費類應(yīng)用，支持更寬的通道寬度、更高的密度和不同的形狀尺寸，其發(fā)展路線通過提升核心頻率來提高性能。移動DDR（LPDDR)：面向移動式電子產(chǎn)品和汽車這些對規(guī)格和功耗非常敏感的領(lǐng)域，提供更窄的通道寬度和多種低功耗運行狀態(tài)，四代之前是基于同代DDR發(fā)展，四代之后是基于應(yīng)用端獨自發(fā)展，通過提高Prefetch預(yù)讀取位數(shù)來提升性能。圖形DD (GDDR)：面向需要極高吞吐量的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序，例如圖形相關(guān)應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)中心加速和AI，是應(yīng)用于高端顯卡的高性能DDR存儲器，側(cè)重于數(shù)據(jù)位寬、遠超同期DDR的運行頻率。

圖?JEDEC 定義了三類DRAM 標(biāo)準(zhǔn)

圖?三種主流內(nèi)存技術(shù)的速度對比和應(yīng)用場合

資料來源：CSDN，東海證券研究所，電子發(fā)燒友，東海證券研究所

（2）DDR因其性能和成本優(yōu)勢成為目前PC和服務(wù)器端主流內(nèi)存。SDRAM也可稱為SDR SDRAM，即單倍數(shù)據(jù)傳輸率，SDR SDRAM的核心、I/O、等效頻率皆相同，在1個周期內(nèi)只能讀寫1次，若需要同時寫入與讀取，必須等到先前的指令執(zhí)行完畢，才能接著存取。DDR是用于系統(tǒng)的RAM技術(shù)，規(guī)范名稱為DDR ?SDRAM，即雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器，其特點是高帶寬、低延時，DDR總線每個通道是64bit寬度，每根Data的管腳可以進行讀操作或?qū)懖僮鳎ú煌瑫r）。目前已推出的DDR1-DDR5是由JEDEC制定的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，從DDR1到DDR5的演進路線來看，DDR的能耗越來越低，傳輸速度越來越快、存儲容量也越來越大，目前的最新標(biāo)準(zhǔn)是DDR5，起步速率為4800MT/S，最高可達6400MT/S，電壓則從1.2V降至1.1V，功耗減少30%。目前，三星已經(jīng)率先開始了下一代DDR6內(nèi)存的早期開發(fā)，預(yù)計其DDR6設(shè)計將在2024年之前完成，在2025年之后開始商業(yè)應(yīng)用。

3）受益于終端需求快速發(fā)展，LPDDR和GDDR步入高速迭代期。LPDDR，即低功率雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器，是DDR SDRAM的一種，又被稱為mDDR（Mobile DDR SDRAM），擁有比同代DDR內(nèi)存更低的功耗和更小的體積。目前智能手機普遍使用的LPDDR5內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)是2019年2月由JEDEC協(xié)會正式發(fā)布，相較于上一代LPDDR4標(biāo)準(zhǔn)，LPDDR5的I/O速度提升到6400 MT/s，是LPDDR4速度的兩倍，比LPDDR4X的4266MT/S快了50%。

圖 LPDDR發(fā)展