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1、存储芯片投资地图存储芯片投资地图 首席电子分析师: 贺茂飞 执业证书编号: S0020520060001 e-mail : 联系人: 刘堃 e-mail : 证券研究报告证券研究报告 20202020年年9 9月月1 1日日 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 存储器行业投资地图 NOF FlashNAND FlashEEPROMDRAMSRAM 7.53亿美元4.2亿美元27.64亿美元490亿美元620亿美元 上市公司上市公司 非上市公司非上市公司 兆易创新兆易创新 长江存储长江存储 聚辰股份聚辰股份 合肥长鑫合肥长鑫 北京君正北京君正北京君正北京君正 普冉半
2、导体普冉半导体 普冉半导体普冉半导体 武汉新芯武汉新芯 芯天下芯天下 非大陆公司非大陆公司 旺宏旺宏 华邦华邦 赛普拉斯赛普拉斯 三星三星 美光美光 西部数据西部数据 SKSK海力士海力士 英特尔英特尔 三星三星 SKSK海力士海力士 美光美光 意法半导体意法半导体 安森美安森美 微芯半导体微芯半导体 赛普拉斯赛普拉斯 兆易创新兆易创新 北京君正北京君正北京君正北京君正兆易创新兆易创新 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 存储器行业投资地图 澜起科技澜起科技DRAMDRAM 是国内领先集成电路设计企业,世界内存接口芯片唯三产商之一,内存接口芯片市占是国内领先集成电
3、路设计企业,世界内存接口芯片唯三产商之一,内存接口芯片市占 率将近率将近50%50%,公司毛利率高达,公司毛利率高达74%74%,两个指标皆居行业首位。其产品包括,两个指标皆居行业首位。其产品包括DDRDDR系列接口系列接口 芯片(占总营收芯片(占总营收99%99%),高安全性的津逮服务器系列产品。公司预计在),高安全性的津逮服务器系列产品。公司预计在20202020年内完成年内完成 DDR5DDR5接口芯片、接口芯片、PCIe 4.0 PCIe 4.0 RetimerRetimer量产版本研发,并将在近量产版本研发,并将在近3 3年推出云端推理年推出云端推理AIAI芯片。芯片。 聚辰股份聚辰
4、股份EEPROMEEPROM 20182018年公司为全球排名第三的年公司为全球排名第三的EEPROMEEPROM产品供应商,市场份额在国内产品供应商,市场份额在国内EEPROMEEPROM企业中排名企业中排名 第一,公司在智能手机摄像头第一,公司在智能手机摄像头EEPROMEEPROM芯片细分领域已奠定了领先的地位,已与行业主芯片细分领域已奠定了领先的地位,已与行业主 流的手机摄像头模组厂商形成了长期稳定的合作关系。流的手机摄像头模组厂商形成了长期稳定的合作关系。 兆易创新兆易创新 NOF NOF Flash/EEPROMFlash/EEPROM 主营产品为主营产品为NOFNOF Flash
5、Flash、SLCSLC NANDNAND FlashFlash、MCUMCU和生物识别芯片和生物识别芯片,公司在公司在NOFNOF FlashFlash市市 场排名全球前三场排名全球前三,仅次于华邦和旺宏仅次于华邦和旺宏,产品在消费电子产品在消费电子、车载等领域得到广泛的应用车载等领域得到广泛的应用。 除存储外除存储外,兆易创新还在兆易创新还在MCUMCU和生物识别芯片领域有良好的布局和生物识别芯片领域有良好的布局,是国内最大的通用是国内最大的通用 MCUMCU供应商供应商,累计出货量超过累计出货量超过3 3亿颗亿颗,客户超过客户超过2 2万个万个。 北京君正北京君正DRAM/FlashDR
6、AM/Flash 通过收购北京矽成布局进军存储行业,通过收购北京矽成布局进军存储行业,SRAMSRAM全球第二、全球第二、DRAMDRAM全球第全球第7 7,此外还拥有,此外还拥有SLC SLC NANDNAND和和NOF FlashNOF Flash产品,在车载存储领域颇有建树。此外还拥有全球领先的产品,在车载存储领域颇有建树。此外还拥有全球领先的3232位嵌入位嵌入 式式CPUCPU技术和低功耗技术,主营业务为微处理器芯片、智能视频芯片等技术和低功耗技术,主营业务为微处理器芯片、智能视频芯片等ASICASIC芯片产品芯片产品 及整体解决方案。及整体解决方案。 普冉半导体普冉半导体 NOF
7、NOF Flash/EEPROMFlash/EEPROM 普冉半导体的主要产品为普冉半导体的主要产品为SPI NOF FlashSPI NOF Flash存储芯片和存储芯片和IIC EEPROMIIC EEPROM存储芯片存储芯片, ,其推出的其推出的 130nmIIC EEPROM130nmIIC EEPROM存储器芯片在业内处于领先地位。公司的存储器芯片在业内处于领先地位。公司的EEPROMEEPROM产品覆盖了产品覆盖了2Kbit2Kbit- - 1Mbit1Mbit的容量需求,的容量需求,NOF FlashNOF Flash产品覆盖了产品覆盖了2MB2MB- -128MB128MB的容
8、量需求,其产品广泛应用于的容量需求,其产品广泛应用于 蓝牙、摄像头、手机屏幕、可穿戴设备和物联网等诸多领域。蓝牙、摄像头、手机屏幕、可穿戴设备和物联网等诸多领域。 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 核心观点核心观点 市场规模:市场规模:半导体存储器件是半导体行业市场占比最高的分支,总计市场规模在1000亿美元以上,近几 十年以来市场规模一直在波动中上行。 DRAM和NAND Flash是最主流的半导体存储器,市场规模占比超过95%,价格受需求与供给的影响 呈现较为明显的周期性,2019年下半年价格下落至低点后企稳回升,目前在服务器等下游需求的刺激 下,价格正处于
9、向上反弹的阶段,根据集邦咨询,此上升趋势有望在下半年趋稳。 NOF Flash是除DRAM和NAND Flash之外最大规模的利基型存储,其市场曾随着功能手机的消亡而 逐步萎缩,目前凭借着其“芯片内执行”的特点在物联网、TWS耳机、5G、车载等领域广泛应用, 市场规模整逐步恢复,到2025年市场规模有望超过40亿美元。 竞争格局:竞争格局:半导体存储器件的主要市场由海外巨头公司掌握,国产公司处于相对落后的位置,但已经在 各个细分行业展开追赶,并已获得显著的进展。 DRAM市场由三星、美光、海力士垄断了95%的份额,目前国产厂商合肥长鑫已经开始量产并在官网 上架了相关产品,紫光集团也已建立DRA
10、M事业部准备建厂。此外国内还有较多DRAM设计企业,包 括收购了ISSI的北京君正等,兆易创新也正在开展DRAM的研发工作; NAND Flash的市场由三星、西数、铠侠等6家企业垄断。目前NAND Flash的发展方向是3D堆叠,国 外先进企业均已纷纷开发出100层以上堆叠的NAND Flash。国产厂商长江存储已宣布128层产品研发 成功,与国外先进企业的差距越来越小,已成为存储国产自主化的中坚力量。国内还有SLC NAND的 设计企业,包括北京君正、兆易创新等; NOF Flash市场上我国企业已不落人后,兆易创新的市占率已位居全球前三,仅次于华邦和旺宏。武 汉新芯拥有自主的NOF Fl
11、ash产能,此外,国内设计企业还包括普冉半导体、芯天下等。4 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 投资建议投资建议 投资建议:关注存储领域的投资机会投资建议:关注存储领域的投资机会. 兆易创新:兆易创新:公司的业务布局覆盖“存储、控制、传感”领域,主营产品为NOF Flash、SLC NAND Flash、MCU和生物 识别芯片,公司在NOF Flash市场排名全球前三。除存储外,兆易创新还在MCU和生物识别芯片领域有良好的布局,是 国内最大的通用MCU供应商,累计出货量超过3亿颗,客户超过2万个。 澜起科技:澜起科技:是国内领先集成电路设计企业,世界内存接口芯片
12、唯三产商之一,内存接口芯片市占率将近50%,公司毛利 率高达74%,两个指标皆居行业首位。其产品包括DDR系列接口芯片(占总营收99%),高安全性的津逮服务器系列产 品。公司预计在2020年内完成DDR5接口芯片、PCIe 4.0 Retimer量产版本研发,并将在近3年推出云端推理AI芯片。 北京君正:北京君正:通过收购北京矽成布局进军存储行业,SRAM全球第二、DRAM全球第7,此外还拥有SLC NAND和NOF Flash产品,在车载存储领域颇有建树。此外还拥有全球领先的32位嵌入式CPU技术和低功耗技术,主营业务为微处理 器芯片、智能视频芯片等ASIC芯片产品及整体解决方案。 聚辰股份
13、:聚辰股份:全球排名第三的EEPROM产品供应商,市场份额在国内EEPROM企业中排名第一,公司在智能手机摄像头 EEPROM芯片细分领域已奠定了领先的地位,与行业主流的手机摄像头模组厂商形成了长期稳定的合作关系。 风险提示:风险提示: (1)下游需求不及预期;(2)产品研发不及预期;(3)客户扩展不及预期;(4)设计类公司产能不稳定风险; 5 表表 :重点公司盈利预测(百万元):重点公司盈利预测(百万元) 证券代码证券代码证券简称证券简称总市值总市值 归母净利润归母净利润PEPE净资产净资产PBPB营业总收入营业总收入PSPS 2019A2020E2019A2020E2019A2020Q12
14、020Q12020E2019A2020E2019A2020E 603986.SH兆易创新 93934.86606.92963.31154.7797.517329.727681.6712.8212.233202.924780.7629.3319.65 688008.SH澜起科技 93232.24932.86 1183.9999.9478.745226.055440.7117.8417.141737.732336.0053.6539.91 300223.SZ北京君正 39566.3358.66260.08674.51152.131328.311348.8229.7929.33339.352291.
15、18116.5917.27 688123.SH聚辰股份8141.1295.11106.0085.6076.801235.361244.066.596.54513.37501.5315.8616.23 资料来源:总市值数据截止时间为2020年8月31日收盘价,国元证券研究中心 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 目录目录 6 一、产业历史沿革:技术发展与商业并购沙盘重演一、产业历史沿革:技术发展与商业并购沙盘重演 二、存储芯片介绍:各类存储器一眼看尽二、存储芯片介绍:各类存储器一眼看尽 三、行业竞争格局:海外巨头领先市场,国内企业发展迅速三、行业竞争格局:海外巨头领
16、先市场,国内企业发展迅速 四、技术发展趋势:制程不是唯一标准,新技术竞相涌现四、技术发展趋势:制程不是唯一标准,新技术竞相涌现 五、市场供需分析:利基存储受需求影响,大宗存储周期明显五、市场供需分析:利基存储受需求影响,大宗存储周期明显 六、国产厂商现状:各类细分均已起步,部分领域不落人后六、国产厂商现状:各类细分均已起步,部分领域不落人后 七、重点上市公司:七、重点上市公司: 兆易创新兆易创新澜起科技澜起科技北京君正北京君正聚辰股份聚辰股份 八、投资建议与风险提示八、投资建议与风险提示 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 7 1.1 半导体行业最大分支,坐拥千亿
17、美元市场半导体行业最大分支,坐拥千亿美元市场 图:图:20192019年半导体行业规模(亿美元)年半导体行业规模(亿美元) 资料来源:WSTS 2019.11,国元证券研究中心 半导体行业分为集成电路、光电器件、分立器件、传感器等子行业,集成电路又分为逻辑、模拟和存储 等细分行业。在半导体行业中,最重要的方向莫过于存储器。其应用领域广泛,几乎所有常见的电子设 备都需要使用存储器。根据WSTS 2019年11月估计数据,20192019年全球半导体行业的整体规模在年全球半导体行业的整体规模在40004000亿美元亿美元 以上,存储器的市场规模超过以上,存储器的市场规模超过10001000亿,是半
18、导体中规模最大的子行业,占比超过亿,是半导体中规模最大的子行业,占比超过1/41/4。 图:半导体行业规模变化(亿美元)图:半导体行业规模变化(亿美元) 资料来源:WSTS,国元证券研究中心 1059.07 1046.17 656.74 541.51 410.56 239.6 136.23 Memory Logic Micro Analog Optoelectronics Discrete Semiconductors Sensors -40% -20% 0% 20% 40% 60% 80% 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
19、1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019E 2020F 非存储器半导体存储器 非存储器半导体增速存储器增速 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 1.2 存储市场的风云变幻存储市场的风云变幻 图:存储行业图:存储行业三星开始 发售32层 MLC 3D V-NAND 850 EVO 东芝和SanDisk推 出48层3D NAND; 英特尔和美光推 出384GB 3D NAND;三星推出首 款NVMe m
20、.2固态 硬盘和48层 V- NAND 东芝发售用于 iPhone 7的48层 TLC NAND;英特尔 着手向企业级市场 发售3D NAND产品, 而美光则改道消费 级市场发售SSD SK海力士发 售72层3D NAND;三星 与东芝/西 部数据发售 96层3D NAND 国家集成电路产业投 资基金一期对半导体 行业投资1387亿元;长长 江存储量产江存储量产3232层层3D 3D NANDNAND芯片芯片,计划在 2020年跳过96层3D NAND,直接进入128层 15050年闪存发展史:年闪存发展史:EPROM EPROM NOR NOR 2D FLASH 2D FLASH 3D FL
21、ASH3D FLASH 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 1.3 闪存发展史:技术升级与容量变大闪存发展史:技术升级与容量变大 2闪存容量飞速增长闪存容量飞速增长 图:闪存容量变化图:闪存容量变化 19991999年年- -20112011年年 (单位:(单位:GBGB) 资料来源:Research Gate,国元证券研究中心 0.008 0.064 0.128 0.256 0.512 1 2 4 16 32 6464 128 0 20 40 60 80 100 120 140 图:图:3D3D NAND FlashNAND Flash容量变化容量变化 资料来源
22、:中国闪存市场,国元证券研究中心 128GB 24层MLC 128GB 32层TLC 128GB 48层TLC 256GB 64层TLC 512GB 96层TLC 1TB 96层TLC 1TB 128层TLC 2TB 200层TLC/QLC 0 50 100 150 200 250 0 500 1000 1500 2000 2500 200020 2022E 容量(GB)层数 经过经过5050年的闪存芯片发展年的闪存芯片发展,闪存容量增势迅猛闪存容量增势迅猛。20世纪以前,主流的NOF Flash存储容量普遍在100MB 以下;到2004年,闪存存储
23、容量进入GB时代,从2004年的1GB发展到2011年的128GB; 2013年3D NAND Flash技术的实践使闪存容量进一步提升,由128GB 发展到现在的1TB。 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 1.3 闪存发展史:技术升级与容量变大闪存发展史:技术升级与容量变大 3NANDNAND竞争格局变迁竞争格局变迁: :打破垄断格局打破垄断格局 NANDNAND FlashFlash原厂颗粒的竞争格局可以大致分为三个阶段:原厂颗粒的竞争格局可以大致分为三个阶段: 在2013年Q4以前,三星、铠侠、美光、海力士和英特尔为5家最大NAND Flash原厂厂家,几
24、乎占据了 全部NAND Flash颗粒市场。 2013年Q4到2017年Q3之间,西部数据作为另一大NAND Flash原厂厂家加入了竞争并占据显著的市场份 额,铠侠的市占率由此下降了约10%,三星下降了约5%。 2017年Q3以后,包括长江存储在内的其余厂商逐渐占据一定的市场份额,打破几乎被前6家大厂垄断 的市场格局。 图:图:20102010- -2020Q12020Q1 NAND Flash NAND Flash 原厂颗粒市场格局原厂颗粒市场格局 资料来源:Statistia,国元证券研究中心 0% 20% 40% 60% 80% 100% 10Q1 10Q3 11Q1 11Q3 12Q
25、1 12Q3 13Q1 13Q3 14Q1 14Q3 15Q1 15Q3 16Q1 16Q3 17Q1 17Q3 18Q1 18Q3 19Q1 19Q3 20Q1 其他SK海力士英特尔美光西部数据铠侠三星 第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段第三阶段第三阶段 2017Q2 三星38%33%35% 铠侠31%20%19% 西部数据-17%15% 美光12%13%12% SK海力士12%10%10% 英特尔7%7%8% 其他-1% 表:不同阶段NAND Flash原厂市占率表:不同阶段NAND Flash原厂市占率 资料来源:Statistia, 国元证券研究中心 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务
26、必阅读正文之后的免责条款部分 1.4 DRAM竞争格局变迁:从百家齐放到寡头垄断竞争格局变迁:从百家齐放到寡头垄断 自美国Advanced Memory推出首款1K DRAM至今已超过50年,累积创造了超过1万亿美元的产值。DRAM市场 格局变化风起云涌,从1980年代的百家齐放,到2000年的战国纷争,再到现在的寡头垄断格局,全球 DRAM市场的玩家在不断变化。我们将DRAM的发展历史简单整理如下: 1969 年 美 国 公 司 Advanced Memory正 式推出首款商业化 1K DRAM 1978年Mostek的4 名离职员工创建美 光,从1981年开始 投产64K DRAM 197
27、0年英特尔 和TI是市场上 的主要玩家 从TI离职的工程师创 建了Mostek,在1970 年代后期,Mostek一 度占据全球DRAM市场 85%的份额 日本挑起价格战,降价幅度 层高达90%,到1986年时, 日本厂商在世界DRAM市场市 占率高达80%。美国企业压 力巨大,因特尔1985年退出 DRAM市场,TI在1998年将存 储业务卖给美光。 为攻美国技术壁垒,1976年日本 日立、三菱、富士通、东芝和 NEC五大公司联合研究机构联合 研发DRAM,投资720亿日元。 1980年研发成功,DRAM量产良率 达到80%,远超美国的50%,奠定 了日本在DRAM市场的霸主地位 日本经济在
28、1990年初到达巅峰后 开始衰落,1999年NEC和日立合 并了DRAM业务,成立了尔必达; 富士通退出了DRAM业务;2001年 东芝将DRAM业务卖给美光;2003 年尔必达吸收了三菱的DRAM业 务;2012年尔必达破产后被美光 收购 韩国存储企业的发展也采用了日本 的模式,1986年三星、LG、现代和 韩国的六所大学联合攻关DRAM核心 技术。1992年三星超越了日本的 NEC,首次成为世界第一大DRAM内 存制造商,在其后至今的28年里一 直保持世界第一的位置 1999年韩国现代半导体 和LG半导体合并,2001 年更名为海力士,在金 融危机时海力士陷入破 产边缘,在SK的支持下 度
29、过难关,并于2012年 更名为SK海力士。 西门子的DRAM技术来自于和美国 的IBM、摩托罗拉的合作,1999 年将其半导体部门分拆成立英飞 凌,2006年英飞凌将存储业务分 拆成立奇梦达(Qimonda),但 奇梦达未能成功渡过经济危机, 已于2009年破产。 美国:美国:DRAMDRAM兴起兴起 日本:由盛转衰日本:由盛转衰 韩国韩国LP4/5;GDDR6) 25nm(DDR3/DDR4/LPDDR4)1y(17.x nm,DDR5/LP5X/GDDR6X) 21nm(DDR4/LP4/LP4X/GDDR5/HBM2)1z1z(16.x nm) 50nm(DDR2/LPDDR2)20nm
30、(DDR3/DDR4/LPDDR3/LPDDR4/LPDDR4X) 42/30NM(DDR3/DDR4/LPDDR3/LPDDR4)1x1x(DDR4/DDR5/LPDDR4X/LPDDR5) 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 4.2 DRAM:进入:进入1z制程,制程,DDR5即将面市即将面市 DDR是双倍速率同步动态随机存储器,在SDRAM (Synchronous DRAM)的基础上发展而来,与 SDRAM相比,它可以在一个时钟读写两次数据,使 得数据传输速度加倍。主要应用在个人计算机、服务 器上。 自2000年DDR1推出之后,20年内DDR系列已更新
31、到了第五代,主要发展方向为工作效率提升与工作电工作效率提升与工作电 压降低压降低。 图:图:DDRDDR系列性能对比系列性能对比 资料来源:cnbeta,国元证券研究中心 资料来源:腾讯新闻,国元证券研究中心 2DRRDRR系列性能持续优化系列性能持续优化 产品产品首发年份首发年份 带宽带宽 (GB/s)GB/s) 工作电压工作电压 (V)V) DDR20003.22.5/2.6 DDR220038.51.8 DDR32007171.35/1.5 DDR4201425.61.2 DDR52019321.1 图:图:DDRDDR家族演变及应用家族演变及应用 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必
32、阅读正文之后的免责条款部分 4.2 DRAM:进入:进入1z制程,制程,DDR5即将面市即将面市 2018年至2020年,海力士、美光、三星先后宣布完成DDR5研发,国内产商方面,澜起科技表示将在 2020年内完成DDR5研发。相比于DDR4,DDR5具有更高的带宽更高的带宽,更快的速率更快的速率,更低的功耗更低的功耗。据固态 技术协会(JEDEC) ,DDR5突发长度增加到BL16,存储区计数增加至32,为DDR4的两倍;最高速 率可达4.8Gbps,是DDR4的150%;输入缓冲和核心逻辑的供电电压降低至1.1V。 根据IDC预测,DDR5的需求将逐步增长,在DRAM市场的占有率将于202
33、1年达到25%,在2022年进 一步上升至44%。 图:澜起科技图:澜起科技DDR5DDR5 资料来源:澜起科技,国元证券研究中心 图:图:DDR5DDR5参数参数 资料来源:SK hynix,国元证券研究中心 3DRR5DRR5:更高的带宽,更快的速率,更低的功耗更高的带宽,更快的速率,更低的功耗 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 41 4.3 NAND Flash:3D3D垂直堆叠技术为主要发展方向垂直堆叠技术为主要发展方向 1NAND FlashNAND Flash存储密度不断增加存储密度不断增加 图:图:SLC/MLC/TCL/QLCSLC/MLC/TC
34、L/QLC示意示意 资料来源:国元证券研究中心 根据每个存储单元存储的数据数量根据每个存储单元存储的数据数量,NAND Flash可以分为可以分为SLC、MLC、TLC、QLC。SLC(Single- Level Cell)为每个存储单元存储的数据只有1位,即只有0/1两种状态,而MLC(Multi-Level Cell)、 TLC(Triple-Level Cell)、QLC(Quad-Level Cell)每个存储单元能存储的数据分别为2位、3位与4 位,可以有4种、8种与16种状态,存储空间迅速增加。 四种类型的NAND Flash性能各有不同。SLC单位容量的成本相对于其他类型NAND
35、 Flash成本更高, 但其数据保留时间更长、读取速度更快;QLC拥有更大的容量和更低的成本,但由于其可靠性低、寿 命短等缺点,仍有待后续发展。目前主流的解决方案为MLC与TLC 。 图:图:SLC/MLC/TCL/QLCSLC/MLC/TCL/QLC比较比较 资料来源:美光官网,国元证券研究中心 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 42 23D3D NANDNAND成为主流方向成为主流方向 图:图:3D NAND3D NAND结构图结构图 资料来源:公开资料整理,国元证券研究中心 以往的闪存多为平面闪存,也即2D NAND,3D NAND是立体结构的闪存。3D
36、NAND使用多层垂直堆叠技 术,相比较于2D NAND,拥有更大的容量、更低的功耗、更好的耐用性以及更低的成本更大的容量、更低的功耗、更好的耐用性以及更低的成本等优点。具体 来说,3D NAND成本大约为2D NAND的3倍,64层3D NAND容量大约为2D NAND的三倍,随着3D NAND层数 增加,规模经济优势将逐渐凸显。此外,相关测试显示与2D NAND相比,3D NAND能够节省约50%能耗。 目前2D NAND使用的制程工艺为14/15nm,3D NAND大多为20nm级别。 图:三星图:三星3D NAND3D NAND演进图演进图 资料来源:中国闪存市场,国元证券研究中心 4.
37、3 NAND Flash:3D垂直堆叠技术为主要发展方向垂直堆叠技术为主要发展方向 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 43 4.3 NAND Flash:3D垂直堆叠技术为主要发展方向垂直堆叠技术为主要发展方向 23D3D NANDNAND成为主流方向成为主流方向 同DRAM 一样,NAND Flash 同样采取 1X nm/1Y nm/1Z nm 进行工艺技术的度量。不同之处在于,由 于物理结构上 NAND 不需要制作电容器,自2015年制程推进遇到障碍时,制程工艺相对简单的3D堆叠 技术成为新的发展方向。根据Yole,全球 3D NAND Flash 的产量
38、已于2017年4季度超过2D。目前3D技 术正在稳步推进中,未来的发展方向就是层数的继续堆叠。 目前,全球能够实现量产3D NAND的公司只有三星、美光、英特尔、海力士、长江存储等10几家厂商。 根据TechInsights,截止2019年末,美光、海力士、三星、西部数据等国际大厂均已成功研发100+层 的3D NAND。2020年4月,长江存储也宣布成功研发128层3D NAND。 表表 :主要主要NAND FlashNAND Flash厂商制程变化及预测厂商制程变化及预测 200000202020202
39、22 三星2D19nm16nm14nm 3D 32层 20nm48层20nm64层20nm 96层20nm128层20nm160层 东芝、西数2D19nm第一代15nm 第二代15nm 3D48层19nm64层19nm 96层19nm128层19nm192层以上 美光、英特尔2D16nm 3D32层40nm64层20nm96层128层192层 海力士2D16nm15/14nm 3D36层31nm48层31nm72层31nm96层128层192层 长江存储3D32层64层128层192层 资料来源:TechNews,TechInsights,国元证券研究中心 请务必阅读正文
40、之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 CPU SRAM DRAM NAND Flash 存储墙 存储墙 易失性存储易失性存储 非易失性存储非易失性存储 响应响应 时间时间 1ns 10ns 100ns 100s 短短 存储存储 容量容量 大大 44 4.4 新型存储:打破内外存储边界新型存储:打破内外存储边界 图:常见存储系统结构图:常见存储系统结构 资料来源:DRAMExchange,国元证券研究中心 当前主流的计算系统都采用冯诺依曼架构,其特点在于程序存储于存储器中,与运算控制单元相分离。 为了满足速度和容量的需求,现代计算系统通常采取高速缓存(SRAM)、主存(DRAM)、
41、外部存储(NAND Flash)的三级存储结构。SRAM响应时间通常在纳秒级,DRAM则一般为100纳秒量级,NAND Flash更是高达 100微秒级,当数据在这三级存储间传输时,响应时间的差异形成“存储墙”。 1新型存储有望突破内存、外存间新型存储有望突破内存、外存间 “存储墙”“存储墙” 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 DRAM和NAND Flash受限于本身物理特性,难以突破“存储墙”。新型存储的特殊材料和结构使 其同时具备DRAM的读写速率与寿命以及NAND Flash的非易失特性,理论上可以简化存储架构将 当前的内存和外存合并为持久内存,从而有望消
42、除或缩小内存与外存间的“存储墙”。 目前较为流行的新型存储有4种:PCM、FRAM、MRAM、ReRAM。 4.4 新型存储:打破内外存储边界新型存储:打破内外存储边界 表表 :各类存储器性能对比:各类存储器性能对比 存储器存储器DRAMDRAMNAND FlashNAND FlashPCMPCMFRAMFRAMMRAMMRAMReRAMReRAM 非易失否是是是是是 器件最小尺寸(F)64422204 写入/擦除电压(V)2.515-2031.3-3.31.81 写入/擦除时间10ns0.1/1ms10ns65ns0141012108 多值存储潜力无有有困难无有 三维存
43、储潜力无3D NAND3D X-Point困难无有 资料来源:DRAMExchange,国家集成电路创新中心,国元证券研究中心 1新型存储有望突破内存、外存间新型存储有望突破内存、外存间 “存储墙”“存储墙” 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 46 4.4 新型存储:打破内外存储边界新型存储:打破内外存储边界 图:图:PCMPCM工作示意图工作示意图 资料来源:ST,国元证券研究中心 相变位存储器(PCM: Phase-change memory),是一种非易失性存储器设备。其材料为硫族化物的玻璃。 硫属玻璃经加热可以改变状态,成为晶体或非晶体,这些不同状态具有
44、不同的电阻特性和光学特性, PCM借此存储不同的数值。PCM具有工艺尺寸小、存储密度高、读写速度快、功耗低、可拓展性强等优 点。 由于PCM必须逐层构建,且每一层都必须采用关键的光刻和蚀刻步骤,导致成本与层数等比例增加, 因此其不具备垂直3D NAND的制造技术所能达到的规模效益。 图:相变示意图图:相变示意图 资料来源:Nature,国元证券研究中心 2PCMPCM:高密度、低功耗的非易失存储:高密度、低功耗的非易失存储 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 47 4.4 新型存储:打破内外存储边界新型存储:打破内外存储边界 图:图:3D 3D XPointXPo
45、int结构图结构图 资料来源:公开资料整理,国元证券研究中心 2015年,Intel与Micron推出3D Xpoint存储器,旨在作为计算系统中DRAM与NAND闪存SSD之间的新增 存储器层。3D Xpoint存储器使用相变材料,其存储量接近其存储量接近NANDNAND,速度与,速度与DRAMDRAM相近,成本介于相近,成本介于NANDNAND和和 DRAMDRAM之间。之间。 在3D Xpoint基础上,Intel与美光分别推出自己的产品。IntelIntel傲腾系列产品傲腾系列产品都是基于3D Xpoint,包 括傲腾固态盘系列与傲腾内存系列,其中,傲腾固态盘用于标准 NAND 封装模
46、型中的快速存储,内存 产品则在DRAM总线上运行;美光美光在2019年推出X100 SSDX100 SSD,其每秒读写次数最高为250万,连续传输的 性能约为10GB/s,两项性能均创造了单块SSD的新记录。 图:美光首款图:美光首款3D 3D XPointXPoint产品产品X100X100 资料来源:Micron,国元证券研究中心 2PCMPCM:高密度、低功耗的非易失存储:高密度、低功耗的非易失存储 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 48 4.4 新型存储:打破内外存储边界新型存储:打破内外存储边界 图:图:FeRAMFeRAM存储单元结构存储单元结构 国
47、元证券研究中心 铁电存储器(FERAM),是一种随机存取存储器,与DRAM类似,但其使用铁电层而非介电层来实现它的非 易失性。FRAM的电压、电流关系具有可用于存储位的特征滞后回路。正电流使位单元处于具有正偏置的 状态,而负电流将该位单元的状态改变为负偏置。 电铁存取器的缺点是,它的读取是破坏性的,每次读取后必须通过后续写入来抵消,以将该位的内容恢 复到其原始状态。它的优点是具有独特的低写入耗电性能以及写入耐久性,FeRAM在+85C下的数据保留 时间超过10年(在较低温度下长达数十年)。富士通正在开发FRAM并竭力推广商业化进程。 图:图: FeRAMFeRAM写入原理写入原理 资料来源:网
48、络资料,国元证券研究中心 3FRAM:FRAM:读写耐久的随机存储读写耐久的随机存储 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 49 4.4 新型存储:打破内外存储边界新型存储:打破内外存储边界 图:图:MRAMMRAM结构图结构图 资料来源:深圳第三代半导体研究院,国元证券研究中心 磁性存储器 (MRAM)是一种非易失性存储。共有三层,上下两层是磁性隧道结,中间为晶体管。当最 上层磁性方向与最下层方向一致时,MTJ具有低电阻;当最上层磁性方向与最下层方向相反时,MTJ具 有高电阻。写入数据时,通过严格控制电流,改变最上面一层磁场方向进而改变晶体管电阻值。 所有新型存储
49、介质中,MRAMMRAM是唯一一个速度可与是唯一一个速度可与DRAMDRAM媲美的存储器媲美的存储器。此外,MRAM具有较长的寿命,其 组成的固件就无需像基于闪存的SSD固件做磨损均衡。 目前Everspin已经有产品应用于航空航天等特定领域,并于2019年开始与格芯合作,试生产28nm制程 的1Gb STT-MRAM产品。 图:图:MRAMMRAM工作示意图工作示意图 资料来源:深圳第三代半导体研究院,国元证券研究中心 4MRAMMRAM:高速长寿的非易失存储:高速长寿的非易失存储 请务必阅读正文之后的免责条款部分请务必阅读正文之后的免责条款部分 50 4.4 新型存储:打破内外存储边界新型存储:打破内外存储边界 图:图:ReRAMReRAM结构图结构图 资料来源:网络资料,国元证券研究中心 阻变存储器 (ReRAM)是一种非易失性存储器。采用两端加了电压,电阻会发生变化的材料,目前主要 是过渡金属氧化物。过渡金属氧化物的薄膜是绝缘体,其电阻值在电场作用下会发生可逆变化。即, 当电场超过临界值时介电层会发生崩溃现象,使介电层从高阻值转为低阻值阻变存储器。依据电阻器 处于高电阻或低电阻状态以表示“1”或“0”。 与PCM相比,ReRAM的运行时间更快,与MR