中国半导体存储行业未来50年发展路线图

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中国半导体存储行业未来50年发展路线图

晚来风急 2017-07-03 09:48:00 浏览1075
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 存储器产业芯片国产化之路迈出的重要一步: 芯片国产化是中国政府在信息安全自主可控政策领域的实践领域之一,作为信息技术的基础产业,半导体集成电路持续叐到国家政策的扶持,近期仍国家层面到地方层面的政策及资本的持续也是持续丌断。存储器是集成电路产业的基础产品之一,产品的成熟度和产业的觃模敁应均较为显著,而目前中国大陆地匙的企业在相关领域内的仹额仌然较低,通过国家政府层面的大觃模投资有机会快速切入相关领域,也是芯片国产化之路迈出的可靠而重要的一步。

全球产业处于周期性底部有利于新生力量的崛起: 尽管仍2016年第事季度起存储器行业的产品价格出现了回升,但是行业整体仌然处二周期性底部的位置,市场主要厂商三星、海力士、美先等在资本开支产能扩张方面仌然较为谨慎,而我们讣为在智能秱劢终端需求、数据中心服务器需求以及固态影片需求带劢的情冴,DRAM和NAND Flash市场均有逐步仍供过二求向供给丌足转秱的趋势,而在这种行业周期性底部有转发趋势的情冴下,中国大陆地匙的逆周期投资有望推劢国内厂商成为市场内崛起的新生力量。

一、存储器是系统的核心基础部件

存储器(Memory),顾名思义是在电子计算机系统中用于存放信息的器件。任何电子计算机系统在运行的过程中,包括输入的原始数据、程序本身、中间运行结果和最终运行结果都需要保存在存储器中。存储器是电子系统的基础核心部件之一,是系统正常运作的保障。

(一)存储器的发展伴随着电子计算机的历程

存储器的发展几乎是伴随着电子计算机的发展历程而来的。在发展之初,采用汞线延迟线来进行信息的存储和读写,之后采用磁性材料,再到光学材料等存储器设备,尽管获得了较大的改善,但是仍然面临体积庞大、性能有限的挑战,对应用领域的拓展造成了不小的阻碍。

得益于集成电路技术的发展与成熟,采用半导体集成电路方式制造的存储器IC芯片获得了广泛的采用。随着在存储介质的演进,设计架构的更新和工艺水平的提高,IC存储器在存储密度、读写速度等性能持续提高,同时能耗、单位存储单元成本持续降低,IC存储器的发展也充分享受摩尔定理集成电路演进历程。

图1:存储器的収展历秳

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纵观整个发展历程我们看到,1967年科技巨头IBM提出DRAM规格以及之后的持续演进使其成为了目前包括PC、服务器、手机、车载等终端产品内存行业的主要技术。1984年舛冈富士雄博士提出了Flash Memory技术以及之后演进中Intel提出的NOR和东芝提出的NAND架构形成了目前外设存储器的主流。上述两项技术的提出对于现代的半导体集成电路存储器产业形成了深远的影响。

(二)半导体存储器芯片的核心分类:DRAM和Flash Memory

从上述的研究我们可以看到,存储器经历了与电子计算机几乎一样长的发展历程,包括磁盘、光盘、IC工艺材料等不同产品已经形成了在不同应用领域中成熟有效的应用分工。存储器的分类方式很多,按照存储介质分类来说,通常可以分为半导体IC存储器、磁性存储器和光存储器等,在本报告中,我们聚焦在半导体IC存储器,关注存储器芯片行业。

半导体存储器按照断电后数据信息是否能够保留可以分为两个大类,易失性存储器和非易失性存储器,前者在外部电源切断后,存储器内的数据也随之消失,代表产品是DRAM,而后者则能够保持所存储的内容,代表产品是FlashMemory。

图2:半导体存储器的分类

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DRAM作为易失性存储器产品的代表,主要用于各类PC、服务器、工作站的内部存储单元,凭借其在存取速度和存取容量方面的折衷性能,实现在核心处理器和外部存储器之间形成缓存空间。随着移动终端的迅速发展,DRAM在智能手机中的应用规模也在持续加大。

Flash Memory作为非易失性存储器的代表,主要应用于存储卡、U盘、SSD固态硬盘、移动终端的内部嵌入式存储器等,其可快速读写不丢失以及可集成的特性,使得其在移动终端及便携式移动存储器产品中有着广泛的应用场景。

(三)未来存储器芯片的方向:相变存储器(PCM)

传统的半导体集成电路存储器无论是DRAM还是Flash,其基本原理均是通过对于电荷的多寡形成的电势高低来进行“0”和“1”的判断,进而实现信息的存储。产业对于存储器结构和原理的研究始终没有停歇,近期,各研究机构及资本市场热点关注相变化存储器(PhaseChange Memory,简称PCM)。该存储器非易失真原理与Flash的浮动栅锁住电荷原理不同,是通过施加特定电流使硫族化物玻璃(目前多数为GeSbTe合金)在晶态和非晶态两相之间改变,由于晶态和非晶态的电阻特性不同,电路通过读取不同电阻值来获取存储的数据。

如图所示,施加强电流并快速淬火,使硫系化合物温度升高到熔化温度以上,经快速冷却,可以使多晶的长程有序遭到破坏,实现晶体向非晶体的转换,通常用时不到100ns;施加中等强度的电流,硫系化合物的温度升高到结晶温度以上、熔化温度以下,并保持一定的时间,实现晶体向非晶体的转换。

图3:晶体不非晶体相于转换

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图4:GeSbTe加热原理

 

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PCM可以直接改变操作位的数据而不需要单独进行擦除步骤,减少了写操作的开销,并且直接读取电阻值判断大小,有效提高读取速度。由于Flash的浮动栅存储结构尺寸难以缩减,这是因为浮动栅级的厚度是一定的,而PCM不需要存储电子元件,因此它没有电子元件存储的扩展问题,尽管同样采用了半导体平面化工艺来实现器件的生产加工,PCM的存储密度可以做得更大。

表1:存储器产品类型的特性比较

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上表中可以看出与DRAM相比,尽管读写速度略低,但是PCM是一种非易失性的存储器,而与NANDFlash相比,PCM则在读写速度和可靠性方面具有优势,并且有很小的理论工艺制程可以做到更高的存储密度。随着PCM的技术进步带来单位成本的下降,与DRAM和Flash产品可以形成优势互补,甚至做到超越,目前PCM已经被部分厂商应用于实际的产品中,是一项具备未来发展潜力的技术。

二、全球存储器市场:寡头竞争下的供需博弈

半导体存储器作为电子计算机系统的基础构成器件,其发展历程贯穿着这个集成电路发展的历程,目前已经形成了成熟的产业市场和产业格局。根据WSTS的数据显示,2015年全球集成电路存储器市场的收入达到全球半导体市场规模的23%。

图5:2015年全球半导体集成电路市场挄产品分布卙比

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图6:全球集成电路存储器市场觃模及增速(2006~2015)

 

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全球集成电路产业呈现出的周期性特性在存储器市场也较为显著,与整体市场的波动性比较,存储器市场的波动幅度更为显著,我们认为这种特性主要是由于存储产业的产业竞争格局不同所带来的,无论是以DRAM为代表的易失性存储器还是以Flash Memory为代表的非易失性存储器市场均由几家大厂商占据绝大多数的市场份额,大企业的产能变动带来的供给变化对于行业的供需关系的影响力显著。

图7:行业波劢性:集成电路整体 v.s.存储器(2006~2015)

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图8:2014年产业集中度:集成电路整体 v.s.存储器

 

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不同于其他子行业的产品多样性,存储器模块具有较强的同质性特征,IDM模式占据了行业的主导地位,代工模式的规模优势十分有限,未来这样的产业模式格局仍然将会延续。

从之前我们的分类可以看到,半导体集成电路存储器按照存储信息的断电后是否丢失分为易失性存储器和非易失性存储器,前者以DRAM为代表,后者则以FlashMemory为代表,从2015年市场规模的占比我们看到,尽管IC存储器的种类很多,但是DRAM和FlashMemory分别占据了市场58%和39%的份额,合计占据市场超过98%的份额。

(一)移动终端驱动DRAM需求,韩国双雄占比继续提升

DRAM属于易失性存储器,自IBM在1967年提出后,经过了多年的演变发展成为了内存市场的主流产品,并且也是IC存储器市场的最大份额,由于DRAM内存作为电子系统的基础元器件,因此DRAM市场的波动对于全球半导体市场乃至电子计算机系统市场有“晴雨表”的特性。

1、集成度成本优势驱动DRAM起步,摩尔定律引领发展

在IBM提出DRAM之前,在核心处理器与外部存储器之间起到数据缓存作用的易失性存储器是静态存储器(SRAM)。与SRAM相比较,尽管DRAM需要不断的进行刷新以保持存储器内容的不丢失,且其在功耗和读写速度方面的存在着明显的劣势,但是由于SRAM每一个位元需要多个晶体管分别组成反相器和读写位线控制开关,而DRAM每一个位元只需要一个晶体管,因此DRAM获得了在集成度以及成本方面的竞争优势,在推出市场后迅速获得了市场的认可。

图9:DRAM技术的演迚历叱

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DRAM的规格也经历多次不同的历史演进。早期DRAM存在各种规格,大致包含FP DRAM,EDODRAM,RDRAM,以及SDRAM。随着FPRAM,EDODRAM技术不断达到技术瓶颈,SDRAM作为新的存储技术出现了。SDRAM由早期的66MHZ(PC66)发展到133MHZ(PC133)之后,再次达到技术瓶颈,这时出现了两种DRAM技术,即DDRRAM和RDRAM,尽管RDRAM在架构上具备了发展潜力,但是在成本方面劣势使其在与DDR的竞争格局中逐步被边缘化。

表2:DDR存储器的发展历程

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DDR RAM是SDRAM的升级版本,从SDRAM的一个上升时钟脉冲传输一次数据改为一个时钟脉冲的上升沿和下降沿各传输一次数据,使得带宽翻倍,并且运用了更先进的同步电路,使指定地址、数据的输送和输出主要步骤既独立执行,又保持与CPU完全同步;DDR使用了DLL技术,当数据有效时,存储控制器可使用这个数据滤波信号来精确定位数据,每16次输出一次,并重新同步来自不同存储器模块的数据。

2、周期出现底部反弹趋势,移动终端需求驱动产业增长

根据DRAMeXchange的数据,DRAM市场与全球半导体行业整体市场一样处于下行的周期中,从过去12个季度的厂商销售收入数据显示,从2015年第一季度开始,收入规模呈现了负增长的态势,造成这种情况的最重要原因是以三星、SK海力士和美光等为代表的各大厂家持续转进21nm/20nm制程研发而导致产出增加,供过于求进而导致销售单价下降。

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我们可以看到的是,从2016年第二季度的末期开始,DRAM产品的现货价格和合约价格均呈现了快速的反弹迹象,尤其是在进入了传统的半导体销售旺季的第三季度,前期持续下跌的价格导致市场观望情绪浓厚,带来的整体市场低库存,加之三星在西安的生产线受到电力供应故障的影响,市场的补库存情绪持续高涨带来了价格的快速回升。

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从产品的下游应用市场看,PC及服务器采用的标准型DRAM产品仍然占据了显著的市场需求,移动终端采用的利基型DRAM产品伴随着移动手机等产品的迅速崛起也成为了影响市场需求的重要分支。

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3、寡头垄断,市场竞争格局趋于稳定

DRAM芯片产品具备了高度同质化特性,规模效应带来的竞争优势有被持续放大的趋势,因此经过了行业多次的整合发展,目前市场呈现了寡头垄断的格局。根据DRAMeXchange的数据显示,三星、海力士、美光占据市场前三位,2016年上半年占比分别为47%、27%和19%。

从产业模式看,三星、海力士、美光都是从设计到生产完整产业链的IDM模式,台湾厂商南茂、华邦电、力晶等作为纯代工企业而言,市场的影响力有限。

从WSTS公布的DRAM市场供给增长数据显示,目前DRAM行业的供给增长速度有所放缓,各大厂商的资本开支计划显示对于产能扩张的态度较为谨慎,没有大规模产能扩张或者收缩的计划公布,全球供给端市场的产能增长主要来自于半导体工艺制程的演进而带来在单片晶元上的集成度提升。

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(二)固态硬盘驱动未来Flash需求,路线不同带来多元竞争

Flash Memory属于非易失性存储器,产品出现的时间晚于DRAM,需求驱动主要来自于随着CPU和内存速度持续提升后,磁盘和光盘的读写速度和集成度远远没有办法满足需求,因此人们开发以半导体集成电路工艺来制造可以长期保存数据的存储产品。

1、起步晚于DRAM,NAND和NOR两种构建延续至今

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1967年施敏博士与韩裔美国人姜大元在《贝尔系统科技期刊》发表了一篇关于非挥发性内存的论文“浮闸非挥发性半导体内存细胞元件”第一次阐述了闪存存储数据的原理技术。舛冈富士雄博士在1984年于东芝公司工作时发明了Flash存储技术,1998年,Intel推出第一款商业性的NORFlash芯片,1989年的国际固态电路研讨会(ISSCC)上,东芝发表NANDFlash的芯片结构,NOR和NAND规格的Flashmemory一直沿用至今。

FlashMemory的规格相较于DRAM简单,主要为NOR和NAND型两种,主要区别在于记忆单元间的内部连接结构。NOR内部记忆单元以平行方式连接到比特线,允许个别读取与程序化记忆单元。NAND内部记忆单元以顺序方式连接,只能允许页访问。由于NAND的顺序连接方式,降低了所需的空间,进而降低了产品的成本。

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Flash Memory的两种结构多年以来一直延续,直到2015年美光和Intel提出了3DXPoint。而东芝推出的3DNAND则是在2DNAND的架构上在三维空间的堆叠。

2、移动终端固态硬盘成为行业重要推手

Flash Memory市场中,NAND产品凭借其在成本方面的优势,占据的主要的市场份额,2015年全年NAND占到整个FlashMemory销售额的90%以上。根据DRAMeXchange的数据,NANDFlash在过去的12个季度中,销售收入的走势也是基本与存储器市场一致,供过于求的局面导致了产品销售价格的下降。

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我们还可以看到NAND FlashMemory的价格变动趋势与DRAM类似,在过去的一个季度中经历了明显的反弹趋势,传统旺季的季节效应推动了存储器产品市场的需求提升,以消费电子和移动通信设备为主要终端需求的Flash Memory在市场的本轮补库存行情中获得了显著的订单增长。

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从产品的下游应用市场看,Flash Memory的主要需求来自于智能手机和平板电脑的内部存储,以及伴随着SSD固态硬盘在个人电脑和服务器终端的应用推动。智能移动终端市场方面,随着运算处理器和应用程序的复杂度提升,对于存储空间的要求持续增加进而推动了Flash Memory的需求提升。同时,SSD固态硬盘凭借其响应速度的优势在个人电脑和服务器领域的渗透率持续提升,也为Flash Memory市场的发展提供了动力。

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  3、竞争格局/产能分布

Flash Memory的芯片有NAND和NOR两种结构方案,尽管应用市场广泛,但是在产品规格方面的同质化特性依然较为明显,与DRAM类似规模效应带来的竞争优势也成为新进入者的有效壁垒,并且在行业面临整合的时候,规模较大的企业生存机会更高。根据DRAMeXchange的数据显示,三星、东芝、闪迪、美光、海力士占据市场前五位,2015年占比分别为32%、19%、15%、15%和11%。

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从产业模式看,Flash Memory行业中代工模式的规模占比略高于DRAM存储器,部分8寸晶元代工厂为Flash Memory的厂商提供服务,但是我们仍然可以关注以IDM模式为主的厂商的产能状况。

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由于晶元代工厂商在Flash Memory市场拥有相应的生存空间,因此我们可以看到,未来新增加的产能规模将会主要集中在包括3D NAND等新产品方面。

三、中国存储器产业:任重而道远的崛起之路

尽管中国集成电路产业经过了20多年的发展已经逐渐在全球市场中形成了竞争力,但是中国大陆厂商在全球的市场占有率仍然有限,尤其是在存储器行业中国内企业在参与度很低。从中国政府对于信息安全进而带来的芯片国产化进程中,存储器行业集成电路的基础器件之一,受到了国家的高度重视,各地多笔大规模的投资显示国家希望在存储器行业拓展竞争力的态度。

(一)基础薄弱,发展迅速,国产化依然空间可观

中国集成电路产业的发展起始于上世纪90年代初,经过了20多年的发展,已经初步形成了完善的产业链体系,部分子行业内拥有了全球的竞争力,根据统计数据显示,2015年全年中国集成电路行业的市场规模为11,024亿元人民币,达到全球市场的62%。同时我们也需要注意到,中国大陆的半导体企业产值在全球市场的占比仍然较低,国产化程度仍然有待提高。

中国半导体存储行业未来50年发展线路图

 

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从存储器行业看,2015年中国集成电路存储器市场规模超过2,800亿元人民币、占中国半导体销售收入的25%以上,占全球存储器市场59%。

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  (二)国家产业政策驱动大手笔投资,崛起之路任重道远

由于存储器行业整体的产品同质化带来的规模效应显著,行业呈现了寡头垄断的竞争格局,从前面的分析我们可以看到,中国大陆的存储器厂商尚未形成全球市场的竞争能力。在国家的“芯片国产化”产业政策的推动下,中央政府和地方政府在产业内的投资助推国内存储器产业崛起,市场环境及竞争状况注定了中国企业的未来崛起之路任重道远。

1、中国存储器厂商稳步推进

在DRAM领域,仅有IC晶圆代工、封测厂商提供少量的服务,而DRAM市场的IDM模式占比持续增加的情况下,目前国内企业在DRAM市场的参与度有所降低。

在FlashMemory行业中,目前中国国内企业中在2015年完成股权转让给紫光国芯的西安紫光国芯半导体有限公司(前称“西安华芯半导体有限公司”)以及拟上市的北京兆易创新科技股份有限公司具备了行业内的竞争力。

西安紫光国芯半导体有限公司(前身“西安华芯半导体有限公司”),是由原奇梦达科技(西安)有限公司2009年5月改制重建的基础上发展起来的。公司2003年作为德国英飞凌科技存储器事业部在西安成立,在2006年,伴随着存储器事业部从英飞凌科技全球拆分上市成为奇梦达科技,奇梦达科技(西安)有限公司也随之成立并开始作为一家独立的公司运营。2009年,浪潮集团收购原德国奇梦达科技(西安)有限公司进行改制重建并更名为西安华芯半导体有限公司。2015年,紫光集团旗下紫光国芯股份有限公司收购西安华芯半导体有限公司并更名为西安紫光国芯半导体有限公司。

北京兆易创新科技股份有限公司前身“北京芯技佳易微电子科技有限公司”创立于2005年4月,作为一家初创公司主要技术为“超高速静态随机存储器”,经过了多次股权转让及增资后,公司先于2010年更名为“北京兆易创新科技有限公司”,后于2012年完成股改,目前公司的主要产品是NOR Flash Memory,包括了1.8V和3.3V两个系列,其他还有部分MCU产品和技术服务,2014年公司实现销售收入9.47亿元,其中存储器相关产品的销售额达到9.31亿元。

2、产业政策投资持续加码,国家意志驱动产业发展

随着全球化进程的推进,在信息安全方面面临的挑战也日益增加,“棱镜门”事件的爆发,更是将全球各国对于在国家层面的信息安全考量推向了高潮,中国政府也是借此推出了一系列的政策来加强对于信息安全的把控,“国家信息安全领导小组”的成立标志着我们国家已经将信息安全上升到了国家领导层面,而“芯片国产化”就是具体表现方式之一。

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从芯片国产化具体的实施过程中,存储器行业成为了国家投资的重要方向,其中以国有企业和地方政府为代表的投资项目主要包括了紫光国芯600亿元人民币定增资金用于Flash Memory的投资建设,武汉新芯拟投资240亿美元打造国内集成电路存储器产业基地,以及一期投资额370亿人民币的福建省晋华存储器集成电路生产线项目。

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2016年7月,紫光集团宣布收购武汉新芯大多数股权后改名为长江存储技术公司,紫光董事长赵卫国将成为这家新控股公司的总裁,清华紫光将拥有长江存储技术公司超过50%的股权,其余股权的控制方是集成电路产业投资基金和另一家由武汉市政府扶持的基金,共同推进项目的产业化进程。

除了以国有企业和地方政府为投资主体的存储器项目外,我们还关注到海外厂商在国内存储器领域的投资,2015年10月,英特尔公司宣布投资55亿美元将大连工厂建设为世界上最先进的非易失性存储器制造工厂。根据英特尔投资金额与大连厂的产能建设来评估,DRAMeXchange初步预估每个月至少可布建30,000-40,000片的3D-NANDFlashMemory。

3、市场供求关系有利国内企业加入竞争格局

从市场供求关系的角度看,在经过了行业过去两年的下行周期后,DRAM和NANDFlash的市场格局均逐步由供过于求的局面转向了供给略显不足的趋势。

从供给端看,根据Digitimes的数据显示,DRAM行业的主要厂商韩国三星和海力士均在2016年不同程度的降低了资本开支计划,主要的资本投入将会涉及制程节点的提升而不是产能的直接扩张,美光科技尽管仍然保持了资本开支计划规模,但是他们的主要投资方向也是提升技术实力以应对产业竞争。NANDFlash,包括三星、海力士、美光/英特尔仍然保持了部分的资本开支以期在3DNAND Flash方面保持产能扩张的趋势。根据WSTS的预测,2016~2017年,全球DRAM市场的供给增长速度维持在25%左右,而NANDFlash的供给增长则约为45%。

从需求端看,我们之前的分析中可以看到,DRAM市场需求的主要驱动因素来自于移动智能终端的需求增长,PC端的下滑速度放缓,而随着IDC等数据中心建设的推动,来自服务器端的内存需求也将保持稳健的成长。

NAND Flash的需求增长主要来自于移动终端以及固态硬盘(SSD)对于传统硬盘的取代趋势。在苹果公司的最近产品发布会上,新款的iPhone7/7Plus最高配置的存储容量已经提升到了256GB,而其他手机厂商的新款手机产品也纷纷提供了更多的存储空间。

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SSD市场来看,根据iSuppli预测数据显示,2017年全球市场SSD出货量将会达到2.27亿块,较2012年的3,100万块大幅提升732%,年复合增长率接近50%。

因此,我们预计在未来2年,DRAM需求端市场的出货量增长速度接近30%,而NANDFlash市场的需求量增速则有望达到50%以上,因此供求关系的角度看,行业市场正在逐步向卖方市场转移,而国内的产能投资有望获得有效的市场支持。


本文转自d1net(转载)

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