存储器——全球产业链分析汇总

发布时间:2018-07-12 19:05

内存的正式名字叫做“存储器”,是半导体行业三大支柱之一。2016年全球半导体市场规模为3400亿美金,存储器就占了768亿美元。对于你身边的手机、平板、PC、笔记本等所有电子产品来说,存储器就类似于钢铁之于现代工业,是名副其实的电子行业“原材料”。

存储器芯片领域,主要分为两类:易失性和非易失性。易失性:断电以后,存储器内的信息就流失了,例如 DRAM,主要用来做PC机内存(如DDR)和手机内存(如LPDDR),两者各占三成。非易失性:断电以后,存储器内的信息仍然存在,主要是闪存(Nand FLASH 和 NOR FLASH),NOR 主要应用于代码存储介质中,而 NAND 则用于数据存储。

依2017年初计,DRAM方面,三星月产能12英寸40万片,海力士 30万片及美光33万片,而NAND闪存,三星为40万片,海力士为21万片,美光与intel为27万片,及东芝与西数(原闪廸)为49万片,总计全球存储器的月产能约为12英寸硅片240万片。

三星的平泽厂取名Fab18, 2017 Q2量产,生产第四代64层3D NAND 闪存,第一阶段月产能为40,000-50,000片,占生产线的设计产能200,000片的1/4,投资金额为27.2-31.7亿美元。

目前三星的西安厂量产64层3D NAND闪存,每个12英寸硅片约有780 个256GB的管芯,当平均成品率达85%时,成本估计每个是3美元,相当于主流 2D NAND 工艺16Gb容量的价格。

而20纳米的 DDR4 8Gb,每个12英寸硅片约950-1100个管芯,成品率也为85%时,每个12英寸晶园成本为1450美元,计及封装与测试成本后,每个管芯的成本为1.79-2.24美元。

所以,未来无论是3D NAND,或者是DRAM,比拼的是每颗管芯的成本,显然成本的压力很大。

DRAM、NAND FLASH、NOR FLASH三大存储器分析

1) DRAM

动态随机存储器(Dynamic RAM),“动态”两字指的是每隔一段时间,要刷新充电一次,否则内部的数据即会消失。这是因为DRAM的基本单元是一个晶体管加一个电容,并用电容有无电荷来表示数字信息0和1,电容漏电很快,为防止电容漏电而导致读取信息出错,需要周期性地给DRAM的电容充电,故DRAM速度比SRAM慢。

另一方面,这种简单的存储模式也使得DRAM的集成度远高于SRAM,一个DRAM存储单元仅需一个晶体管和一个小电容,而每个SRAM单元需要四到六个晶体管和其他零件,故DRAM在高密度(大容量)以及价格方面均比SRAM有优势。SRAM多用于对性能要求极高的地方(如CPU的一级二级缓冲),而DRAM则主要用于计算机的内存条等领域。


图:DRAM的器件单元图示及其不同容量的剖面结构图

DRAM每一次制程的更新换代,都需要大量的投入,以制程从30 nm更新到20 nm为例,后者需要的光刻掩模版数目增加了30%,非光刻工艺步骤数翻倍,对洁净室厂房面积的要求也随着设备数的上升而增加了80%以上,此前这些成本都可以通过单晶圆更多的芯片产出和性能带来的溢价所弥补,但随着制程的不断微缩,增加的成本和收入之间的差距逐渐缩小。故各大厂商开始研究Z方向的扩展能力,三星率先从封装角度实现3D DRAM,采用TSV封装技术,将多个DRAM芯片堆叠起来,从而大幅提升单根内存条容量和性能。


图 :DARM的全球市场规模

2)NAND Flash和NOR Flash

为更好地讲述NAND Flash和NOR Flash这两大存储产品,我们首先来认识一下Flash技术。
  
Flash存储器:又称闪存,它是一种非易失性存储器。闪存的存储单元是场效应晶体管,是一种受电压控制的三端器件,由源极(Source)、漏极(Drain)和栅极(Gate),以及衬底组成,在栅极与硅衬底间有二氧化硅绝缘层,用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。
  
NAND的擦和写均是基于隧道效应,电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层,对浮置栅极进行充电(写数据)或放电(擦除数据)。而NOR擦除数据仍是基于隧道效应(电流从浮置栅极到硅基层),但在写入数据时则是采用热电子注入方式(电流从浮置栅极到源极)。


图:Flash存储器的结构单元示意图

NAND Flash:NAND是目前闪存中最主要的产品,具备非易失,高密度,低成本的优势。在NAND闪存中,数据是以位(bit)的方式保存在Memory Cell中,一个Cell存储一个bit,这些Cell或8个或16个为单位,连成bit line,而这些line组合起来会构成Page,而NAND闪存就是以页为单位读写数据,以块为单位擦除数据,故其写入和擦除速度虽比DRAM大约慢3-4个数量级,却也比传统的机械硬盘快3个数量级,被广泛用于 eMMC/EMCP,U盘,SSD等市场。

NOR Flash:NOR Flash 的特点是芯片内执行(XIP,Execute In Place),即应用程序不必再把代码读到系统RAM中,而是可以直接在Flash闪存内运行。NOR 的传输效率很高,读取速度也比NAND快很多,在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益,然而其擦除是以64-128KB的块为单位进行的,执行一个写入/擦除操作的时间为5s,而NAND器件的擦除则是以8-32KB的块为单位进行,执行相同的操作最多只需要4ms,故其很低的写入和擦除速度大大影响到它的性能。此外,NOR的单元尺寸几乎是NAND flash的两倍,故在成本上也不具备优势,这使得NOR的使用范围受到了更大的限制,不少曾属于NOR的市场也慢慢被其他存储器所夺取,但NOR flash厂商也并没有坐以待毙,而是积极开拓汽车电子等物联网市场。近年来NOR flash市场规模持续萎缩。

半导体存储器市场被三星、海力士、美光等寡头垄断

半导体存储器是一个高度垄断的市场,其三大主流产品DRAM,NAND Flash,NOR Flash更是如此,尤其是前两者,全球市场基本被前三大公司占据,且近年来垄断程度逐步加剧。以DRAM和NAND两种主要存储芯片为例,DRAM市场由韩国三星、海力士和美国美光科技三家占据,而NAND Flash市场几乎全部被三星、海力士、东芝、闪迪、美光和英特尔等六家瓜分。其中三星居垄断地位,2017年它的DRAM 占全球的45.8%及NAND占37%。

DRAM市场发展史

DRAM领域经过几十年的周期循环,玩家从80年代的40~50家,逐渐减少到了08年金融危机之前的五家,分别是:三星(韩)、SK海力士(韩)、奇梦达(德)、镁光(美)和尔必达(日),五家公司基本控制了全球DRAM供给,终端产品厂商如金士顿,几乎没有DRAM生产能力,都要向它们采购原材料。按照常理来说,格局已经趋稳,价格战理应偃旗息鼓,可惜的是,韩国人并不答应,尤其是三星。

三星充分利用了存储器行业的强周期特点,依靠政府的输血,在价格下跌、生产过剩、其他企业削减投资的时候,逆势疯狂扩产,通过大规模生产进一步下杀产品价格,从而逼竞争对手退出市场甚至直接破产,世人称之为“反周期定律”。在存储器这个领域,三星一共祭出过三次“反周期定律”,前两次分别发生在80年代中期和90年代初,让三星从零开始,做到了存储器老大的位置。但三星显然觉得玩的还不够大,于是在2008年金融危机前后,第三次举起了“反周期”屠刀。

2007 年初,微软推出了狂吃内存的Vista操作系统,DRAM厂商判断内存需求会大增,于是纷纷上产能,结果Vista 销量不及预期,DRAM 供过于求价格狂跌,加上08 年金融危机的雪上加霜,DRAM 颗粒价格从2.25 美金雪崩至0.31 美金。就在此时,三星做出令人瞠目结舌的动作:将2007 年三星电子总利润的118%投入DRAM 扩张业务,故意加剧行业亏损,给艰难度日的对手们,加上最后一根稻草。

效果是显著的。DRAM价格一路飞流直下,08年中跌破了现金成本,08年底更是跌破了材料成本。2009年初,第三名德系厂商奇梦达首先撑不住,宣布破产,欧洲大陆的内存玩家就此消失。2012年初,第五名尔必达宣布破产,曾经占据DRAM市场50%以上份额的日本,也输掉了最后一张牌。在尔必达宣布破产当晚,京畿道的三星总部彻夜通明,次日股价大涨,全世界都知道韩国人这次又赢了。

至此,DRAM领域最终只剩三个玩家:三星、海力士和镁光。尔必达破产后的烂摊子,在2013年被换了新CEO的镁光以20多亿美金的价格打包收走。20亿美金实在是个跳楼价,5年之后,镁光市值从不到100亿美元涨到460亿,20亿美元差不多是它市值一天的振幅。

中国存储器三大阵营成形:福建晋华、合肥长鑫与紫光集团扛起大旗

中囯己有三家企业向存储器芯片制造发起冲锋,分别是武汉长江存储的32层3D NAND闪存;福建晋华的是32纳米的DRAM利基型产品;以及合肥长鑫(睿力)的19纳米 DRAM。而且三家都声称2018年底前将实现试产,开通生产线。

如果再计及紫光分别在南京和成都刚宣布再建两个存储器基地,总计己有五家企业。

中国半导体业要上马存储器芯片制造,当时大多数人持谨慎态度,不是看轻自己,而是存储器业的竞争太激烈。

存储器业究竟难在那里?可能有如下几个主要方面:

1、未见有“新进者”

自上世纪90年代之后,全球存储器制造厂商未见有一家“新进者”,其间奇梦达倒闭,及美光兼并了尔必达,导致在DRAM领域全球仅存三家,包括三星、海力士与美光(中国台湾地区的多家加起来占5%,可以忽略不计)以及NAND闪存仅存四个联合体,包括三星、东芝与西数、海力士及美光与英特尔,其中三星居垄断地位,2017年它的DRAM 占全球的45.8%及NAND占37%。

2、周期起伏

存储器业基本上的“规律”是盈利一年,亏损两年,而三星是个例外,它独霸天下,善于作逆向投资。如依Gartner数据,2017年全球存储器增长64.3%,达约1200亿美元,而2018年增长13.7%,及2019年下降12.9%,2020年再下降10.2%。

3、投资大,拼的是产能与成本

由于存储器产品的特殊性,它的设计相对简单,因此产品的线宽、产能、成品率与折旧,成为成本的最大项目。任何新进者,由于产能爬坡,折旧等因素几乎无法与三星等相匹敌,所以即便舍得投入巨资,恐怕也难以取胜,其中还有专利等问题。

中国半导体业面临艰难的抉择,现实的方案是可能在处理器(CPU)与存储器两者之中选一,众所周知,处理器己经投入近20年,龙芯的结果是有成绩,但是难予推广应用。所以只能选择存储器是众望所归,仅是感觉难度太大,多数人在开始时表示犹豫而己。如今“木己成舟”,只能齐心协力,努力拼搏向前。

从存储器产品中的DRAM产业来看,中国在发展策略上已有逐步收敛之势,并非杂乱无章。以技术布局的角度观察,中国DRAM领域中除了绘图用内存未有厂商布局,其他都有厂商按照计划发展中。

中国DRAM产业目前已有福建晋华、合肥长鑫两大阵营。福建晋华专注利基型内存的开发,主攻消费型电子市场,有望凭借着中国本有的庞大内需市场壮大自身产能,甚至在补贴政策下,预估最快2018年底可能将影响国际大厂在中国市场的销售策略,并且有机会取得技术IP走向国际市场。

相较于福建晋华避开国际大厂的主力产品,合肥长鑫直捣国际大厂最核心的行动式内存产品。行动式内存已是内存类别中占比最高的产品,其省电技术要求极高,开发难度相当高。然而,中国品牌手机出货已占全球逾四成,倘若LPDDR4能顺利量产并配合补贴政策,中国政府进口取代的策略即可完成部分阶段性任务。

观察中国在NAND Flash领域的发展,以紫光集团旗下的长江存储为中国最快成军的开发厂商,初期也将以中国内需市场的布局为主。由于长江存储开发早期技术力不足,难以与一线大厂相抗衡,预估其初期产品会以卡碟类为大宗。随着长江存储技术发展来到64/96层才有机会进军SSD市场,但此市场技术竞争相当激烈,没有中国政府的支持,短期会难以在成本上取得优势,利用中国内需市场壮大自己将是紫光集团未来可行的策略。

而武汉新芯随着长江存储的成立后,将专注于NOR Flash的开发,虽然长江存储的NAND Flash试产线暂放在武汉新芯,但随着长江存储于武汉未来城基地建构完成后,未来也将各自独立。

以目前现况来看,中国发展存储器的策略能否成功,未来的3~5年将是极其重要的关键期,特别是强化IP的布局,中国政府以及厂商未来必须凭借内需市场、优秀的开发能力,以及具国际水平的产能,取得与国际厂商最有利的谈判筹码,才有机会立足全球并占有一席之地。

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