Teddy写于2022/11/10

目录

一、存储芯片简介

二、技术核心

三、市场概况

四、总结

 

一、存储芯片简介

1、历史

早期信息存储以纸张、磁性媒介为主。早期的信息存储主要依靠纸张，1725 年法国人发明了打孔卡和打孔纸带，这是最早的机械化信息存储形式。1928 年磁带问世，磁性存储时代开始，随后在 1932 年，硬盘驱动器前身即磁鼓内存问世，存储容量约 62.5 千字节。1936 年，世界上第一台电子数字计算机诞生，使用真空二极管处理二进制数据，使用再生电容磁鼓存储器存储数据，但体积庞大。1946 年，第一个随机存取数字存储器诞生，存储容量 4000 字节，因体积过大后来被 1956 年 IBM 发明的硬盘驱动器（HDD）替代。随后，1965 年只读式光盘存储器（光盘，CD-ROM）普及。

半导体存储技术发展已有半个世纪。1966 年动态随机存取存储器（DRAM）问世，存储器进入半导体时代，最早单颗裸片（Die）容量为 1kb，如今已达 16Gb 及以上。直到 1980 年，东芝发明了闪存（Flash），此后 90 年代，先后出现了 USB、SD 卡等多种 Flash 应用。2008 年，3D NAND 技术萌芽，到2014 年正式商用量产。由此看，半导体存储器发展已有 55 年，其中 DRAM 发展已有 55 年，Flash 发展已有 40 年，由于 2D NAND 和 3D NAND 技术差别巨大，实际上 3D NAND 发展历史仅仅十余年，技术成熟度远不如 DRAM。

 

2、分类

半导体存储器又称存储芯片，是以半导体电路作为存储媒介的存储器，用于保存二进制数据的记忆设备，是现代数字系统的重要组成部分。半导体存储器具有体积小、存储速度快等特点，广泛应用服务器、PC、智能手机、汽车、物联网、移动存储等领域。根据存储原理的不同，半导体存储器可分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）

1）随机存储器（RAM）。与 CPU 直接交换数据的内部存储器。可随时读写且速度快，断电后存储数据丢失，是易失性存储器。RAM 又可进一步细分为动态随机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器（SRAM）。DRAM 用作内存，需求量远高于 SRAM。SRAM 速度很快但成本高，一般用于作 CPU 的高速缓存。

2）只读存储器（ROM）。只能读取事先存储的信息的存储器。断电后所存数据不会丢失，根据可编程、可抹除功能，ROM 可分为 PROM、EPROM、OTPROM、EEPROM 和 Flash 等。Flash 是当前主流的存储器，具备电子可擦除可编程的性能，能够快速读取数据而且断电时不会丢失数据，往往与 DRAM搭配使用。Flash 可进一步细分为 NAND Flash 和 NOR Flash：NAND Flash 写入和擦除的速度快，存储密度高，容量大，但不能直接运行 NAND Flash 上的代码，适用于高容量数据的存储。NOR Flash 的优势是芯片内执行——无需系统 RAM 就可直接运行 NOR Flash 里面的代码，容量较小，一般为 1Mb-2Gb。

二、技术核心

1、DRAM

1）DDR SDRAM（Double Data Rate SDRAM，双信道同步动态随机存取内存）

可以在一个时钟读写两次数据，使得传输数据加倍，目前已发展到第五代，每一代升级都伴随传输速度的提升以及工作电压的下降。根据 Yole 预测，随着 DDR5 的上市，市场将快速进行产品升级换代，预计 2025 年 DDR5 的份额将接近 80%。

2）LPDDR（Low Power DDR，低功耗双信道同步动态随机存取内存）

通过与处理器紧邻（焊接在主机板上而非插入或以封装层叠技术直接堆在处理器上方）、减少通道宽度以及其他一些牺牲部分反应时间的方法来降低体积和功耗。LPDDR 内存多用于智能手机、笔记本、新能源车上，而 DDR 多用于服务器、台式机、普通笔记本上。

3）GDDR（Graphics DDR，绘图用双信道同步动态随机存取内存）

为专门适配高端绘图显卡而特别设计的高性能 DDR 储存器。GDDR 与一般 DDR 不能共用，时钟频率更高，发热量更小，一般用于电竞终端和工作站。

4）关键趋势

高性能和低功耗是性能升级的两大主要趋势。一般来说，绘图用 DRAM 数据传输速度高于计算机用DRAM，计算机用 DRAM 高于手机用 DRAM。近年来，各类 DRAM 更新迭代快速，高性能和低功耗是两大主要趋势，目前 DDR、LPDDR、GDDR 已发展至第 5~6 代，较前一代传输速率大幅提升，功耗大幅度降低。手机 DRAM 方面，目前业内已量产 LDDR5；计算机用 DRAM 方面，目前已演进至 DDR5；绘图用 DRAM 方面，最新一代的 GDDR6 已商用数年。

从 2D 架构转向 3D 架构演变可能是未来 DRAM 的技术趋势之一。2D DRAM 内存单元数组与内存逻辑电路分占两侧，3D DRAM 则是将内存单元数组堆栈在内存逻辑电路的上方，因此裸晶尺寸会变得比较小，每片晶圆的裸晶产出量会更多，意味着 3D DRAM 在成本上具备优势。

 

DRAM 工艺制程演进至 10+nm，将继续向 10nm 逼近。DRAM 的制程接近 10nm，各厂家都处于

10nm+阶段。业界命名 DRAM 前三代 10nm+制程分别为 1X（16-19nm）、1Y（14-16nm）、1Z（12-14nm）。行业龙头三星电子、SK 海力士和美光在 2016~2017 年期间进入 1X nm 阶段，2018~2019 年进入 1Y nm阶段，2020 年后进入 1Z nm 阶段。最新的 1αnm 仍处于 10+nm 阶段，三星于 2020 年 3 月率先完成技术开发，美光和海力士紧随其后，各家大厂将继续向 10nm 逼近。

光刻技术由 DUV 转向 EUV。目前 DRAM 使用最为成熟的光刻技术是 193nm 的 DUV 光刻机，EUV光刻机使用 13.5nm 波长，可通过减少光罩次数来进一步压低成本，提高精度和产能。在工艺制程达到14nm 后，采用 EUV 的经济性开始显现，而 DUV 需使用多重曝光（SAQP）技术才能形成更细线宽的电路，因此成本上处于劣势。目前 DRAM 厂商仍可通过工艺改进使用 DUV 生产 10+nm DRAM，未来DRAM 生产转向 EUV 将是必然。三星、SK 海力士分别于 2020 年和 2021 年引入 EUV 技术来制造 DRAM，美光预计在 2024 年生产基于 EUV 的 DRAM。目前 EUV 经济效益低于 DUV，但 EUV 将带来更简化的流程，且成本会随着工艺完善而不断降低。

2、NAND

20 世纪 80 年代，2D NAND 技术诞生并商业化，闪存行业获得高速发展。1967 年，Dawonhng 和Simon S 共同发明了浮栅 MOSFET，这是所有闪存、EEPROM 和 EPROM 的基础。1984 年，闪存之父Fujio Masuoka 代表东芝在 IEEE 1984 综合电子设备大会上正式介绍了闪存。1986 年，英特尔推出了闪存卡概念，成立了 SSD 部门。1987 年，Masuoka 发明 2D NAND，此后，英特尔、三星电子和东芝先后推出 2D NAND 产品。90 年代初，闪存市场迅速扩张，1991 年产值仅 1.7 亿美元，1995 年达到 18 亿美元, 复合增速达 80%。2001 年，东芝与闪迪宣布推出 1GB MLC NAND。2004 年，基于同等密度，NAND 的价格首次降至 DRAM 之下，成本效应将闪存带入计算领域。

1）3D NAND

3D 堆叠大幅提升容量，相同单元密度下寿命较 2D 结构延长。3D NAND 是一项革命性的新技术，首先重新构建了存储单元的结构，并将存储单元堆叠起来。3D NAND 带来的变化有：（1）总体容量大幅提升；（2）单位面积容量提高。对于特定容量的芯片，3D NAND 所需制程比 2D NAND 要低得多（更大线宽），因而可以有效抑制干扰，保存更多的电量，稳定性增强，例如同为 TLC 的 3D NAND 寿命较 2D NAND 延长。

工艺制程演进相对缓慢，3D 堆叠层数增长迅速。从 2014 年到 2020 年，各家厂商 3D NAND 堆叠层数从 32 层增长至 128 层，大致 3 年层数翻一倍，而工艺制程在 2D NAND 时期就达到 19nm，转换成 3D NAND 工艺制程倒退至 20-40nm，而后又逐步往更高制程演进，制程演进相对逻辑芯片较慢。从各厂商的技术蓝图来看，NAND Flash 堆叠层数预计在 2022 年将达到 2XX 层，而工艺制程则可能停留在 20-19nm 左右。

堆叠层数仍有较大提升空间。按照 SK 海力士的预测，3D NAND 在发展到层数超过 600 层的阶段时才会遇到瓶颈，目前市场上主流产品低于 200 层，未来技术升级空间较大。
主流厂商基本实现从 2D NAND 到 3D NAND 的产品转换，三星电子领先 1-2 年。从 2014 年 3D NAND 量产开始，到 2018 年主要 NAND 厂商基本完成从 2D 到 3D 的产品转换。2018 年 NAND Flash 厂商三星电子、东芝/西部数据、美光、英特尔等原厂的 3D NAND 生产比重己超过 80%，美光甚至达到90%。目前，各家厂家已实现 128 层（铠侠和西部数据是 112 层）的量产，176 层正成为主流，2XX 层以上的研发和量产正在推进，其中三星研发进度最为领先，比其他厂商领先 1-2 年。

 

三、市场概况

市场规模

受到 5G 手机、服务器、PC 等下游需求驱动，存储芯片市场规模将快速扩张。2020 年 DRAM 下游市场中，计算、无线通讯、消费和工业分别占 45.9%、36.5%、9.6%、4.5%，而 NAND Flash 下游市场中，计算、无线通讯、消费和工业分别占 54.8%、34.1%、6.1%、2.6%。智能手机 5G 升级，带动智能手机单机容量提升，云计算和 AI 发展，推动存储需求不断上行。另外，2020 年至今新冠疫情带来的工作、生活方式的转变，远程服务的诸多应用持续带动服务器需求，而平板、笔记本电脑等也因远程办公、教学需求，出货量大幅增长。下游市场发展将带动 DRAM 和 NAND Flash 快速发展。

 

国内情况

国内存储芯片需求庞大，市场规模超全球的 1/3，但自给率不足 5%。根据 IDC 数据，中国半导体市场规模占全球份额从 2005 年的 12.2%增至 2020 年的 36.6%，跃居全球第一。2020 年中国市场中，存储芯片（包括 DRAM 和 NAND）市场规模为 429 亿美元，占中国半导体市场规模的 30%，占全球存储芯片市场规模的 35%。国内存储芯片需求庞大，但自给率极低

DRAM 方面，近几年制程迭代速度明显放缓，主流大厂工艺停留在 10nm+阶段，给国产厂商缩小技术代差创造了机遇。目前合肥长鑫 19nm 工艺已成功量产，17nm 工艺即将推出。

NAND Flash 方面，工艺制程演进相对缓慢，3D 堆叠层数增长迅速。长江存储已于 2021 年实现 128 层 3D NAND 量产，相比国际大厂落后约 1 年时间，差距大幅缩小。

 

四、总结

1、汽车自动驾驶等级提升，大容量数据存储需求增长，目前汽车存储容量与智能手机相当。根据中国闪存市场，目前高端车型至多搭载 12GB DRAM 和256GB NAND，与当前旗舰智能手机相当；而在中端车型中，2~4GB DRAM 和 32~64GB NAND Flash 则为常见配置；在低端车型中，DRAM 和 NAND Flash 容量需求更低，仅为 1~2GB 和 8~32GB。

单车 DRAM 和 NAND Flash 容量有巨大提升空间。根据中国闪存市场预测，L4、L5 的汽车将配备 40GB 以上的 DRAM 和 3TB以上的 NAND Flash，该配置远高于当前的智能手机。

2、我们理解了存储芯片与半导体设备间的重要联系，在过往的研究中，我们发现我国的半导体设备正在从28nm向14nm或更低制程迈进中，中国并不缺少拥有成熟制程的晶圆代工厂，也不缺提供这些成熟制程所需设备的设备厂，整体在存储芯片的领域基本“与时俱进”。

3、庞大内需、新兴应用及政策推动助力国产存储芯片快速发展。参考日本、韩国存储芯片产业的崛起历程，产业大背景、新兴产业需求和政策扶持是存储产业发展的必要条件。当前，全球半导体产业向中国转移，中国大陆也已经建立了完善全面的电子系统产业链体系。除去 PC、手机等传统消费电子场景，物联网、AI、智能车、云计算等众多新兴市场也在兴起。因此，庞大内需及新兴应用为国产存储芯片厂商提供了发展基础，而政策扶持下的供应链国产化提供助力。