1、准确性与完整性，建议投资者谨慎判断，据此入市，风险自担。 电子行业电子行业 推荐（维持）集成电路系列报告二集成电路系列报告二 风险评级：中风险3D NAND 国产替代渐行渐近 2020 年 2 月 25 日 魏红梅 SAC 执业证书编号： S0340513040002 电话： 邮箱： 研究助理：邵梓朗 SAC 执业证书编号： S0340119090032 电话： 邮箱： 集成电路行业指数集成电路行业指数走势走势 资料来源：东莞证券研究所，Wind 相关报告相关报告 集成电路产业专题：斗转星移， 四大趋势看产业变革方向 投资要点：投资要点： 闪

2、速存储器已经成为主流存储器之一闪速存储器已经成为主流存储器之一，NANDNAND FlashFlash占据主要位置占据主要位置。闪速 存储器是一种电子式可清除程序化只读存储器， 其支持多次的擦除及写 入。主要应用于一般性数据存储，在计算机及电子产品中被广泛使用。 根据市场销售规模，闪速存储器销售占比约为45%，成为继DRAM外第二 大储存器产品，是主流存储器之一。闪速存储器中，NAND Flash产品销 售额在存储器中占比约为42%， 成为闪速存储器中占比最大的细分产品。 NAND Flash作为高数据存储密度闪存器，被广泛应用于各种数字终端设 备。其中，手机和固态硬盘（SSD）是NAND闪存

3、应用份额占比最高的两 个领域，分别约为48%和43%。 3 3D D NANDNAND具有性能及成本优势具有性能及成本优势。由于集成电路发展受到摩尔定律约束， 而NAND Flash作为集成电路的一种在2D层面发展受到了制约。虽然制程 提升使得Planar NAND在1x/1y /1z nm上得到一定发展，但未能有效突 破发展瓶颈且面临一系列挑战。而3D NAND技术使得NAND Flash进入到 一个全新发展阶段， 突破原有需要不断对晶体进行微缩而达到扩容的瓶 颈，通过对晶体进行堆叠而实现单体容量提升。此外，3D技术还能降低 单位容量成本。3D NAND技术使得NAND Flash发展空间得

4、到提高。 国际原厂引领国际原厂引领3D3D NANDNAND技术发展，国产替代需求在扩大。技术发展，国产替代需求在扩大。在NAND Flash 市场中，三星、东芝存储、镁光、SK海力士、西部数据、英特尔这六家 原厂长期垄断着全球99以上的份额。此外，国际原厂持续引领着3D NAND技术研发，形成了较为厚实的技术壁垒。目前，我国智能手机出货 量占全球市场份额超过20%，随着国内品牌在性能等方面升级，将提高 品牌知名度，销售量将有望提升。在服务器领域，我国厂商在市占率具 有一定优势的情况下，叠加国内IDC产业加速发展，出货量有望提升。 手机和数据中心服务器作为NAND Flash产品主要应用方向之

5、二，其出货 量将对NAND Flash产生影响。所以，我国相关厂商对NAND Flash需求有 不断扩张的趋势，基于产能保障等方面考虑形成国产替代需求。 长江存储有望打破市场垄断。长江存储有望打破市场垄断。长江存储是我国3D NAND技术上的龙头企 业，其基于Xtacking构架的64层产品已经量产。虽然国际领先原厂已经 量产96层3D NAND产品并向下一代产品进行研发，而长江存储仅有64层 产品，但我国与国外领先原厂的距离已经在逐步缩小。此外，长江存储 已推出Xtacking2.0且直指128层3D NAND技术，这将有助于加快对先进 技术的追赶。 供求关系持续改善，价格有望持续向好。供求

6、关系持续改善，价格有望持续向好。5G在全球范围内均掀起热潮， 无论是网络建设，还是下游应用都成为市场焦点。在此背景下，5G手机 换机潮和IDC建设升级所形成的需求端具有较高的确定性。需求增长将 改善供求关系，在NAND Flash价格企稳回升后有望持续向好。 投资建议：维持推荐评级。投资建议：维持推荐评级。虽然六大巨头占领着NAND Flash市场99%以 上市场份额，但长江存储作为后来者有望打破垄断的局面。设备和材料 是一切生产的基础，在国产替代需求不断上升的情况下，对长江存储供 应商将产生利好，可关注半导体设备及材料相关企业:北方华创、精测 电子、雅克科技、晶瑞股份。 深度研究深度研究证券

7、研究报告证券研究报告行业研究行业研究 集成电路系列报告二 2 风险提示风险提示： 5G建设不及预期建设不及预期； IDC推广不及预期推广不及预期； 手机出货量不及预期手机出货量不及预期； 疫情控制不及预期；国家政策改变等。疫情控制不及预期；国家政策改变等。 oPrOpPqMtOoQtRmNoRvMtM9PdN8OtRnNtRmMlOoOnPkPnPsN6MnNzQwMpPtONZnMnQ 集成电路系列报告二 3 目录 1.Flash Memory.5 1.1 NAND Flash.5 2.3D NAND：冉冉升起之星.7 2.1 3D NAND 发展基于堆叠技术的提升. 10 2.2 国外原厂

8、领衔 3D NAND 技术发展.11 3.国内需求持续扩大，政策和资金积极导入助力国产替代.14 3.1 我国是手机和服务器重要生产基地.14 3.2 政策和资金持续导入集成电路产业发展.16 3.3 3D NAND 技术持续追赶.17 4.NAND Flash 供给关系改善，产品价格企稳回升.19 4.1 NAND Flash 需求将迎来新一轮增长.19 4.1.1 5G 换机潮拉动手机出货量.19 4.1.2 数据流量爆发时代已来临.21 4.2 国际龙头垄断市场，国内厂商突破仍需时间.22 4.3 NAND Flash 价格扭转，有望持续向好.25 5.投资建议. 26 6.风险提示.

9、27 插图目录 图 1：全球存储器产品结构(按销售额).5 图 2：各存储单元存储情况.6 图 3：NAND 闪存应用份额.7 图 4：NAND Flash 芯片加工过程.8 图 5：NAND Flash 容量结构.8 图 6：平面与非闪存工艺发展趋势图.9 图 7：2D NAND 与 3D NAND.9 图 8：三星 Planar NAND 发展至 3D NAND (V-NAND)示意图.9 图 9：3D NAND 技术发展路径.10 图 10：3D 闪存存储容量趋势.11 图 11：领先原厂技术进程.12 图 12：原厂 3D 技术推进速度.13 图 13：三星第六代 V-NAND（3D

10、NAND）技术.13 图 14：全球及我国智能手机出货量情况.15 图 15：按营收口径国内服务器厂商全球市占率.15 图 16：长江存储发展历程.17 图 17：长江存储 Xtacking 架构.18 图 18：全球运营商推出 5G 移动网络商用计划情况（截至 2019 年 10 月初）.19 图 19：2021 年全球云数据中心流量流向预测.21 图 20：2021 年全球数据流量处理情况预测.21 图 21：全球数据中心流量预测.22 图 22：云数据中心流量预测.22 图 23：全球 NAND Flash 竞争格局.23 图 24：2015-2018 年全球 NAND 原厂资本投资（单

11、位：十亿美元）. 24 图 25：NAND Flash 价格走势.25 集成电路系列报告二 4 表格目录 表 1：各类闪存器的特点及应用.6 表 2：SLC、MLC、TLC、QLC NAND Flash 的性能特点对比.6 表 3：3D NAND 64 层部分产品技术对比（数据为芯片设计结果）.11 表 4：3D NAND 92/96 层部分产品技术发展路线.12 表 5：2019 年全球前五大智能手机厂商.14 表 6：我国国家层面集成电路产业部分政策.16 表 7：国内部分 5G 手机售价情况.20 表 8：全球智能手机出货量预测.20 表 9：2019Q4 NAND Flash 原厂营收

12、排名.23 表 10： NAND Flash 原厂晶圆产能情况.24 表 11：2020 年 IC 产品销售增长率排名.25 表 12：可关注公司盈利预测 (截至 2020/2/25).28 集成电路系列报告二 5 1. Flash Memory 数据存储离不开存储器，存储器分为易失性存储器和非易失性存储器。数据存储离不开存储器，存储器分为易失性存储器和非易失性存储器。在电子产品中， 所有信息都是通过组合“0”或“1”的方式进行表达，而存储器则是存储这些电信号的 地方。通过判断存储器断电后数据是否依旧被保存来区分这两种存储器。易失去性存储 器（Volatile Memory, VM）在断电后数

13、据随即丢失，静态随机存取存储器(SRAM）和动 态随机存取存储器(DRAM)是 VM 中两种具备代表性的产品。非易失性存储器 （Non-volatile Memory, NVM）在断电后数据依然依旧保存在存储器内，闪速存储器 (Flash Memory)则是 NVM 的代表产品之一。 闪速存储器已经成为主流存储器之一闪速存储器已经成为主流存储器之一。闪速存储器是一种电子式可清除程序化只读存储 器，其支持多次的擦除及写入。主要应用于一般性数据存储，在计算机及电子产品中被 广泛使用。根据市场销售规模，闪速存储器销售占比约为 45%，成为继 DRAM 外第二大储 存器产品，是主流存储器之一。 图 1

14、：全球存储器产品结构(按销售额) 资料来源：SEMI，东莞证券研究所 1.1 NAND Flash 闪速存储器种类众多闪速存储器种类众多，NANDNAND FlashFlash 占据主要位置占据主要位置。闪速存储器虽然有众多类型，但主要 为 NOR Flash 和 NAND Flash。两者之间的区别在于存储单元连接方式不同，导致两者读 取方式不同。NOR Flash 以“字”为单位，具有芯片内执行的能力。但在块读/写上则有 不足，所以主要用于小容量代码闪存领域。而 NAND Flash 在块读/写上具备优势，所以 其主要用在大容量存储领域。根据销售额，NAND Flash 产品销售额在存储器

15、中占比约为 42%，成为闪速存储器中占比最大的细分产品。 集成电路系列报告二 6 不同存储单元性能有所差异不同存储单元性能有所差异。NAND Flash 有三种类型的储存单元，数据是以位的方式储 存在存储单元内。储存单元有单层单元（SLC）、多层单元（MLC）、三层单元（TLC） 和四比特单元（QLC），单元存储量依次上升，但单元擦/写寿命则依次下降。而存储量 上升致使寿命下降的原因是存储器工作时需要使用更多的电压值来实现更多数据的写 入，电压控制的难度将会增大，从而降低硬件使用寿命。随着 TLC 技术的成熟，叠加 3D NAND 技术加持，使得部分 TLC 产品擦写使用寿命已经与 MLC 产

16、品相当，这将对 TLC 产品 的推广将起到重要的促进作用。而 QLC 则是在追求更低单位成本下所开发的存储单元， 但其擦/写寿命仍有待提升。 图 2：各存储单元存储情况 表 1：各类闪存器的特点及应用 类 型特 点主要应用 NOR Flash 芯片内执行、可靠性高、随机读取 速度快，但块读/写速度慢，可单字 节编程但不能单字节擦除，可直接 使用，无须驱动 适合存储内容较少的执行代码的应 用， 如用作 PC 的 BIOS 固件存储器 等 NAND Flash 块擦/写速度快，失效块不影响有效 块的性能，成本低；但随机读取速 度慢且不能按字节随机编程，使用 时需要驱动 适合存储高数据存储密度的纯数

17、据 和文件的应用，如用作固态盘的存 储介质等 AND Flash 尺寸小、功耗低，内部有 RAM 缓 冲区，写入性能较好 适合存储容量较大的数据和文件的 应用，如制成多媒体卡、PC-ATA 卡等 EEPROM Flash 整合了 EPROM 和 NOR Flash 的特 性，比 NOR Flash 具有快速随机读 取、快速读/写的优势，比 EPROM 具有明显的成本优势 适合存储小最数据和代码，广泛地 用 于替代 EPROM,如用作单片机 程序代码的存储等 资料来源：集成电路产业全书、东莞证券研究所 表 2：SLC、MLC、TLC、QLC NAND Flash 的性能特点对比 类型单元存储量单

18、元擦/写寿命 SLC1bit/cell10 万次 MLC2bit/cell3000-10000 次 TLC3bit/cell500 次 QLC4bit/cell150 次 资料来源：集成电路产业全书、互联公开资料、东莞证券研究所 集成电路系列报告二 7 资料来源：互联网公开资料，东莞证券研究所 手机和手机和 S SSDSD 是是 N NANDAND F Flashlash 主要消耗方。主要消耗方。NAND Flash 作为高数据存储密度闪存器，被广 泛应用于各种数字终端设备。其中，手机和固态硬盘（SSD）是 NAND 闪存应用份额占比 最高的两个领域， 分别约为 48%和 43%。 所以， 手

19、机和固态硬盘的出货情况将对 NAND Flash 的需求产生较大的影响。 图 3：NAND 闪存应用份额 资料来源：DRAMeXchange，东莞证券研究所 2. 3D NAND：冉冉升起之星：冉冉升起之星 N NANDAND F Flashlash 是集成电路的一种。是集成电路的一种。NAND Flash 属于半导体产品，是集成电路的一种。所 以，NAND Flash 的生产和其他半导体产品一样，都基于对硅材料进行加工，经过设计、 封装、测试等步骤，最终成为芯片产品。在晶圆加工环节，通过半导体加工工艺，每片 晶圆上有数百颗 NAND Flash 芯片。这些由无数个晶体管电路组成的芯片称为 D

20、ie，每个 Die 都是一个独立的功能芯片。 集成电路系列报告二 8 图 4：NAND Flash 芯片加工过程 资料来源：互联网公开资料，东莞证券研究所 NAND Flash 容量结构从大到小可依次分为 Device、Die、Plane、Block 和 Page。一个 Device 有若干个 Die， 每个 Die 有若干个 Plane， 每个 Plane 有若干个 Block， 每个 Block 有若干个 Page。而一个 Page 中包含着多个 Cell，Cell 是 Page 中的最小操作擦写读单 元，对应一个浮栅晶体管，这些晶体管的存储量决定于存储单元的类型。 图 5：NAND Fl

21、ash 容量结构 资料来源：互联网公开资料，东莞证券研究所 摩尔定律限制摩尔定律限制 2 2D D 发展发展，3 3D D 成破解瓶颈利器成破解瓶颈利器。由于 NAND Flash 是集成电路的一种，所以 其发展遵循摩尔定律，即当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔 18-24 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。由于 NAND 工艺的不断发展，制程已经进 入到 1x/1y nm，甚至 1z nm 阶段。但工艺的进步在扩大容量和降低成本的同时，可靠性 及性能都在下降。由于需要额外手段来弥补可靠性，在制造成本及性能上已经难以通过 提升制程以获得优势。而 3D 工艺使得 NAND F

22、lash 的发展出现转机，打破为提升容量而 不断微缩晶体的发展路径，突破发展瓶颈。 集成电路系列报告二 9 图 6：平面与非闪存工艺发展趋势图 资料来源：集成电路产业全书，东莞证券研究所 2 2D D 与与 3 3D D 是是 DieDie 内部的排列方式不同内部的排列方式不同。对于 2D NAND 和 3D NAND 的区分则是颗粒在单 Die 内部的排列方式，其中 2D 是按照传统二维平面模式进行排列闪存颗粒的，而 3D 则是在 平面的基础上进行堆叠形成立体的排列。3D NAND 堆叠可采用简单堆叠（Simple Stack） 、 垂直沟道(VC)和垂直栅极(VG)三种方式进行堆叠。存储单

23、元采用浮栅晶体管单元 （Floating Gate, FG）或者电荷俘获型单元（Charge Trap Flash, CTF）。相较于 FG,CTF 由于拥有较高可靠性和更小的体积，所以基于此考虑，则 CTF 更适合 3D NAND。 图 7：2D NAND 与 3D NAND图8：三星 Planar NAND 发展至3D NAND (V-NAND)示意图 数据来源：互联网公开资料、东莞证券研究所数据来源：互联网公开资料，东莞证券研究所 3 3D D NANDNAND 在性能和成本上有较大优势。在性能和成本上有较大优势。由于 3D NAND 采用了立体结构，与 2D NAND 采用 平面化结构

24、相比，利用现有制程在单 Die 内堆叠更多存储单元，即使用 3D 存储单元阵 列来提高单元密度和数据容量。此外，3D NAND 技术的应用不仅使得产品在性能上有一 定的提升，在功耗上也存在较大幅度下降。在成本端，3D NAND 每单位容量成本得到降 低。制程提升已不是 3D NAND 技术的主要诉求，通过更为先进的堆叠技术来封装更多存 储单元能提供容量，能进一步降低单位容量成本。所以，3D NAND 正向更高堆叠层数发 展。 总结：总结：由于集成电路发展受到摩尔定律约束，而 NAND Flash 作为集成电路的一种在 2D 层面发展受到了制约。虽然制程提升使得 Planar NAND 在 1x

25、/1y /1z nm 上得到一定发 展，但未能有效突破发展瓶颈且面临一系列挑战。而 3D NAND 技术使得 NAND Flash 进 入到一个全新发展阶段，突破原有需要不断对晶体进行微缩而达到扩容的瓶颈，通过对 集成电路系列报告二 10 晶体进行堆叠而实现单体容量提升。此外，3D 技术还能降低单位容量成本。3D NAND 技 术使得 NAND Flash 发展空间得到提高。 2.1 3D NAND 发展基于堆叠技术的提升发展基于堆叠技术的提升 3D NAND 工艺持续提升工艺持续提升， 堆叠层数不断增加堆叠层数不断增加。自三星在 2013 年研发出 24 层 3D NAND 技术后，各原厂均

26、投入对 3D NAND 技术研发。在三星、SK 海力士等原厂在 3D 技术快 速发展的推动下，3D NAND 迅速普及且产出比例持续攀升，现已成为主流制程。此外， 根据技术发展路径，3D 堆叠技术也在持续提升，3D NAND 持续向更高层数进行堆叠， 从而实现产品不断迭代。 图 9：3D NAND 技术发展路径 资料来源：中国闪存市场，东莞证券研究所 3D NAND 产品将持续优化。产品将持续优化。在 2018IMW 国际储存器研讨会上，应用材料预计到 2021 年 3D NAND Flash 的堆叠数将会增加到 140 层以上，同时会较现在的变得更薄。而三 星预测则更为乐观，在 2019 年

27、 5 月 GSA MEMERY论坛上其预测在未来 5 年内，3D NAND 堆叠层数将达到 500 层，10 年内将可达到 1000 层。层数增加意味着对工艺、材 料的要求会提高。此外，在堆叠层数增加的情况下，虽然存储堆栈的高度在增大，但每 层的厚度却在缩减。按照目前技术发展趋势，每升级一次堆栈厚度都会变成原来约 1.8 倍，而层厚度会变成原来约 0.86 倍。目前，各原厂商都在对 3D NAND 产品的各项指标 进行优化，包括读写速度、容量、功耗等。此外，对于成本控制也是原厂需要考虑的因 素之一。各原厂对于技术和成本的追求，将有助于其保持和巩固市场。 技术迭代有助于容量提升技术迭代有助于容量

28、提升，规模化生产将降低成本规模化生产将降低成本。增加存储孔密度、增加存储单元密 度、逻辑扩展增加比特密度是目前扩大存储容量的三个主要有效方法。三种维度增加容 量的效果各不相同， 从 64 层扩展到 96 层时， 存储孔密度大概增加了 10%;存储单元密度 增加了 68%;TLC 比特密度增加了 65%。综合这三种方法就可以看到整个闪存容量的增 长了。根据各代产品发展情况，3D NAND 单位面积存储容量在不断增大。从三星量产 32 层 128Gb 存储容量为 1.86 Gb/mm， 到目前东芝存储堆积到 128 层 512Gb 存储容量为 7.8 Gb/mm，单位存储容量提升已达到逾 4 倍。

29、此外，在 Die 容量相同情况下，由于单位面 集成电路系列报告二 11 积存储容量提升，单 Die 尺寸将会缩小。所以在相同尺寸的晶圆上，Die 产量将会得到 提升。技术迭代在提升单位面积容量的同时，通过规模化生产降低制造成本，将对原厂 形成内在激励。 图 10：3D 闪存存储容量趋势 资料来源：中国闪存市场，东莞证券研究所 总结：总结：虽然各方对于 3D NAND 技术突破的预测不尽相同，但产品迭向更高堆叠层数迭代 的趋势得到一致认同。由于堆叠技术迭代，单位面积存储容量将得到提升。此外，由于 容量提升，对于单 Die 容量相同的两代产品而言，新一代产品尺寸将会有所缩减。 所以， 这将使得同样

30、大小晶圆产出量将上升，而规模化生产有助于降低生产成本。 2.2 国外原厂领衔国外原厂领衔 3D NAND 技术发展技术发展 国际原厂引领国际原厂引领 3 3D D NANDNAND 技术发展。技术发展。在 NAND Flash 市场中，三星、东芝存储、镁光、SK 海力士、西部数据、英特尔这六家原厂长期垄断着全球 99以上的份额。此外，国际原 厂持续引领着 3D NAND 技术研发，形成了较为厚实的技术壁垒。但各原厂在设计方案上 的差别将会对其产出产生形成一定影响。根据 64 层 3D NAND 产品相关情况，在已量产 512GB 产品中三星、东芝存储和镁光在同等容量下，其单 Die 面积也有所不同，三家原 厂单 Die 尺寸大小分别为 128.5mm、132mm、和 110.5mm。在相同情况下，基于单 Die 尺寸的优势，镁光将获得更大的产能。 表 3：3D NAND 64 层部分产品技术对比（数据为芯片设计结果） 原厂原厂堆叠层数堆叠层数架构架构容量容量 GbGb/ / mmmm 三星三星64TLC 3bit512Gb TLC3.98 T TMC/WDMC/WD64TLC 3bit512G