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艾德思:国产内存爆发点来临一文看懂中国DRAM产业崛起之路

论文润色 | 2019/06/25 12:00:57  | 284 次浏览

 随着移动端增长结构的改变,以及大数据/AI 和数据中心等新需求的兴起,DRAM 市场正面临巨大的增长机会和结构性变化.虽然DRAM 总体位元需求依然会维持在 20%左右,但需求结构正在发生改变.智能手机出货量面临瓶颈的背景下,移动端 DRAM 需求增长主要来自单机内存容量的提升.但服务器和企业用 DRAM 需求则受益于大数据和 AI 训练等新需求而快速增长.新兴需求推动当前高度集中的 DRAM 市场格局难以适应推陈出新不断发展的需求变化,正是新厂商的进入良机.

本期的智能内参,我们推荐来自国泰君安的报告, 从DRAM发展历史和全球行业现状中看中国DRAM产业的崛起趋势. 如果想收藏本文的报告(中国DRAM),可以在智东西(公众号:zhidxcom)回复关键词" nc380 '获取.

一/什么是DRAM

DRAM存储器和Flash闪存芯片是当前市场中最为重要的存储器.DRAM是最为常见的系统内存,虽然性能较为出色,但是其断电易失,相比于其同级别的易失性存储器,其成本更低,故而其在系统内存中最为常见;Flash则是应用最广泛的非易失性存储,其断电非易失性使其主要被应用于大容量存储领域.

 

▲DRAM和Flash是存储器的重要分类

DRAM:内存常用的存储介质.DRAM的数据可存储时间非常短,其使用电容存储来保持数据,因而必须每隔一段时间进行一次刷新,否则信息就会丢失.与SRAM相比,DRAM虽然速度更慢,且保持数据的时间也相对较短,但其价钱却更加便宜.由于技术上的差别,DRAM的功耗较低,集成度高且体积更小,并且在速度上也优于所有的ROM,故而被广泛的应用.

Flash:大容量闪存.在存储器发展的早期,ROM一直作为系统的主要存储设备,但目前其已被Flash全面代替了.在特点上,Flash兼具RAM和ROM和优势,其不仅断电后不会丢失数据,而且具有电子可擦除/可编程性能.虽然在读取速度上Flash略逊于DRAM,但是其速度仍然较快,且其成本远低于DRAM.在分类上,目前Flash主要分为NOR和NAND两种类型,二者区别主要在于读取方法存在差异,以及存储单元的连接方法不同.

 

▲DRAM存储器读写快成本高

在DRAM中,又可以根据技术规格的不同可以分为DDR系列/GPDDR系列/LPDDR系列等类别.其中DDR系列为普通DRAM,GPDDR全称图形用双倍数据传输率存储器(Graphics Double Data Rate),是一种高性能显卡使用的同步动态随机存取存储器,专为高带宽需求计算机应用所设计.LPDDR指的是低功耗双倍数据传输率存储器(Low PowerDouble Data Rate SDRAM),主要用于便携设备.目前DDR和DDR2已经基本退出市场,而以DDR3/DDR4以及LPDDR系列为主.

 

▲DRAM技术规格不断发展

DDR3属于SDRAM家族的内存产品,提供了相较于DDR2更高的运行效能与更低的电压,是DDR2的后继者(增加至八倍),也是现时流行的内存产品规格.DDR3采用8bit预取设计,而DDR2为4bit预取,这样DRAM内核的频率只有等效数据频率的1/8,DDR3-800的核心工作频率只有100MHz.其次,DDR3采用点对点的拓扑架构,以减轻地址/命令与控制总线的负担.最后,DDR3采用100nm以下的生产工艺,将工作电压从DDR2的降至,增加异步重置(Reset)与ZQ校准功能.

 

▲DDR至DDR4逐代性能提升明显

DDR4内存是目前市场上新锐的DDR系列内存规格,第一条DDR4内存是在2014年由三星研制成功.DDR4相比DDR3最大的区别有三点:16bit预取机制(DDR3为8bit),同样内核频率下理论速度是DDR3的两倍;更可靠的传输规范,数据可靠性进一步提升;工作电压降为,更节能.

在未来,DDR5规格也将到来,2018年10月,Cadence和镁光公布了自己的DDR5内存研发进度,两家厂商已经开始研发16GB DDR5产品,并计划在2019年底实现量产目标.DDR5的主要特性是芯片容量,而不仅仅是更高的性能和更低的功耗.DDR5预计将带来4266至6400MT / s的I / O速度,电源电压降至1.1 V.与DDR4相比,改进的DDR5功能将使实际带宽提高36%,即使在3200 MT / s和4800 MT / s速度开始,与DDR4-3200相比,实际带宽将高出87%.与此同时,DDR5最重要的特性之一将是超过16 GB的单片芯片密度.

 

▲新技术和新结构支持DDR5功耗控制和性能提升

LPDDR(Low Power Double Data Rate SDRAM)是DDR SDRAM的一种,又称为mDDR(Mobile DDR SDRAM),是美国JEDEC固态技术协会面向低功耗内存而制定的通信标准,以低功耗和小体积著称,专门用于移动式电子产品.而DDR/DDR3/DDR4/DDR5是内存颗粒,内存条是把多颗颗粒一起嵌入板中而成,用于电脑等.

二/DRAM 长盛不衰,占据存储半壁江山

DRAM是存储器市场上的常青树,从1966年IBM研发出世界上第一块易失性存储器(DRAM)开始,它就一直在我们的计算系统中占据着核心位置.从现有的计算机系统结构来看,存储器分为缓存/内存(主存储器)/外存(辅助存储器)三大类.其中缓存要求速度高,但容量小,通常使用SRAM.内存要求一定的读写速度和用来支持运行程序本身及所需数据的空间,相比于SRAM,DRAM保留数据的时间较短,速度也相对较慢,但从价钱上来说DRAM价钱较SRAM便宜很多,且由于技术区别,DRAM体积小/集成度高/功耗低,同时其速度比所有ROM都快,因此一直都是内存的不二之选.至于外存,相当于电脑的数据仓库,对读写速度要求不及前二者,对容量需求巨大.

三大存储器所用的介质中,DRAM 的地位最稳固,市场最大. 因为 SRAM虽然价高,但是容量多年来增长很少,只需满足计算机内部的数据传递即可.而外存容量需求的增长又过快,导致需要不停寻找新的介质.随着数据的大量产生和电子设备的小型化趋势,外存的介质一直在变化以适应需求,从磁盘/光盘/硬盘向 Flash 和 SSD 转变.只有 DRAM 从诞生伊始就具备高密度/高容量的特点,从最初的 K 级到现在的 GB 级,DRAM本身的原理并没有太大改变.

 

▲DRAM在计算机系统中常用于高速中容量的内存

在半磁性存储介质作为外存的年代,DRAM几乎就是半导体存储器的代名词.进入新世纪后,便携设备的发展和半导体技术的成熟推动存储器竞争向着DRAM和Flash双线作战的格局演变.而在这个过程中,又可以分为NOR时代和NAND时代.在智能机普及之前,便携设备对存储空间的要求并不大,加上NOR Flash支持随机访问的特性使它可以像普通ROM一样执行程序,使它成为便携设备的主流存储载体.在2002年,DRAM占据了整个存储器市场55%的销售额,而NOR Flash占21%.NAND Flash只占8%,主要用于MP3/SD卡和U盘等需要较大储存空间的应用场合.

流水的外存,铁打的 DRAM .到了智能机和便携设备时代,形势发生了根本的转变,NAND Flash快速取代NOR Flash成为闪存的主流.从2008年到2018年的十年间,智能机出货量的不断攀升和单机存储容量的不断扩大成为推动DRAM和NAND Flash需求不断扩大的主要力量之一.据Yole估计,2018年存储器市场有61%的份额属于DRAM,NAND Flash则占36%.剩下只有5%留给NOR Flash以及ROM和SRAM.在外存介质洗牌的过程中,DRAM的市场份额一直维持在50%以上,充分体现了它技术上的可扩展性和市场的巨大需求.

DRAM工艺推进放缓,产能波动基本稳定.全球DRAM产能和投片量在2010年—2013年间有一阵明显的洗牌.2010年40nm制程DRAM产品开始进入主流市场,在随后三年里制程工艺前沿快速提升到20nm.主导技术换代的三星和海力士在维持产能不变的情况下获得了存储密度和成本的双重优势,导致其他厂商市场份额下降,当时的第四大DRAM厂商尔必达在破产后被镁光收购.2013—2017年从供给端来看是一个产能的平台期,总体产能稳定,20nm制程占比逐步提升.DRAM价钱在这一时期先抑后扬,主要是在消化前期制程提升带来的丰富供给.当前DRAM市场的弱势与2013年的根本不同在于目前没有制程的跨越式发展,供求关系没有质变.

 

▲当前全球DRAM投片量基本稳定(千片)

2016年DRAM价钱由跌转涨,因此取2016年为供需平衡年,供给和需求指数都为100,且每年的供给指数已经包含往年的库存情况.2016年主要厂商基本完成20nm制程转换,结束2013年—2016年的技术主导供给增长.导致2017年位元总体供求增速下降,产生供应缺口.2018年三星扩产8%,海力士无锡厂也小幅扩产,快速填补需求缺口,景气行情终结.但是之后除海力士外其他大厂商均无大规模扩产,1Znm以下制程预计要在2021年才大规模进入市场.今明两年会是一个投片量/制程水平的双重平台期,预计需求增速的反超会在2019年消化库存,2020年前后DRAM位元供求会重新达到平衡.

预计2020年左右前期库存和轻微的供大于求会一并消化完毕,重新达到平衡.2020年后5G和AI的普及和应用将成为拉动半导体需求的重要力量,同时下一代DRAM制程也将开始普及,整个DRAM市场供需关系会更加复杂,但规模总体向上的趋势是确定的.

DRAM市场应用推陈出新,下行周期总体可控,依然有很强的活力和价值.现在的问题就是面对这样一个空间巨大但又被海外巨头垄断的市场,中国存储DRAM企业要怎样?存储器产业虽然壁垒高企,但并非肩部可破.从历史上存储巨头的崛起来看,技术引进+产学研一体自主研发+综合扶持的发展道路是可行的.加上中国具备极大的需求市场,容易形成产业良性闭环,这也是一个其他国家没有的重要优势.

三/从存储产业发展历史中探寻中国存储发展路线

存储器产业作为一个技术密集/资本密集/高度垄断的产业,对于后发追赶者来说向来不友好.中国存储企业要发展壮大,除了需要市场需求层面的可行性外,还需要大量的资源投入来进行技术研发,并准备好更高层面的战略博弈.这不仅是中国的道路,也是存储产业发展历史中每一个后发崛起者的道路.

纵观半导体存储器产业50年发展史,大致可以分为三个时期:1970——1982的美国主导时期;1982——1998的日本主导时期;1998至今的韩国主导时期.除美国例外,其他两国存储产业的崛起都深度绑定了社会多方力量和总体经济发展.而存储器产业的发展形式,也由单纯的"原发技术驱动',经过"官产学共同技术驱动',逐渐向"官产学共同技术驱动+多方面长期扶持'演变.

1/美国主导时期:原发技术驱动的半导体存储黎明

与日韩不同,美国发展存储器的时候,个人计算机还没有普及.因此当时存储器用量小,价钱高,存储器的发展离商战较远,更多是以技术驱动.1969年,在诺伊斯和摩尔等初代集成电路元勋们的努力下,英特尔成功开发出第一块存储芯片——容量为64个字节的3101芯片.次年,英特尔的12号员工特德.霍夫提出了一种新的设计,将DRAM存储器单元的晶体管从四个减少到三个.这样就可以把更多的存储单元集结在一起,大大提高存储空间,达到1024个字节.这是我们如今所用DRAM的技术原型.

到了1970年,英特尔在存储器的研发上更进一步,他们开发出来容量2K的可擦除可编程只读存储器(EPROM).1972年,英特尔更进一步开发出了世界上第一块静态随机存储器(SRAM)2102芯片.到了70/80年代,存储器的容量成指数增长,4K,16K,64K DRAM芯片先后问世.这一时期的半导体存储器基本由英特尔和MOSTEK等美国机构垄断.

2/日本存储的崛起:开创"官产学'一体发展模式

日本作为后发的追赶者,开创了顶层设计护航半导体产业的先河.1970年代的日本政府一手抓"产官学'一体推进本土半导体实力发展,一手抓进口壁垒搞产业保护.日本的半导体存储起步并不晚,1971年NEC就推出了DRAM芯片,紧追英特尔的量产DRAM.尽管如此,日本半导体的技术实力和产品性能与美国依然有巨大差距.同期的美国存储器已经用上了超大规模集成电路(VLSI),而日本还停留在上一代技术大规模集成电路(LSI).

1976年,由日本政府的通产省牵头,以日立/三菱/富士通/东芝/NEC五大机构作为骨干,联合了日本通产省的电气技术实验室(EIL)/日本工业技术研究院电子综合研究所和计算机综合研究所,投资了720亿日元,攻坚超大规模集成电路DRAM的技术难关.为期四年的VLSI攻关项目成绩斐然,来自不同机构的团队一方面互通有无,一方面互相竞争,共取得专利1210项,商业机密347件.

日本存储器产业崛起留给我们最宝贵的经验,就是揭示了存储产业的技术密集和资本密集的特点,并且论证了官产学共同发展存储产业的可行性和重要性.过了1960年代的存储器田园时代以后,存储器市场迅速增长,技术壁垒快速增高.在此后的竞争中,对技术/资金/市场三大要点的要求都极其严苛.单靠一个企业的力量已经难以追赶,因此后发追赶者势必要通过企业和政府的通力合作才能成功.

3/韩国存储的崛起:研发+扶持打赢持久战

韩国半导体产业早期的发展凭借的是低廉的劳动力成本和土地成本,吸引外商投资建厂.这一时期韩国快速积累了大量资本,同时形成了半导体产业的雏形.但缺少技术/劳动密集的低端发展模式在70年代走到了尽头.为了推动产业升级,韩国政府在1973年宣布了"重工业促进计划',并于1975年公布了扶持半导体产业的六年计划,强调实现电子配件及半导体生产的本土化.

有日本的成功经验在前,韩国深知必须掌握核心科技才能在存储之路上笑走得长远.在1982年到1987年的"半导体工业振兴计划'期间,韩国效仿日本的VLSI攻坚项目,由韩国电子电子通信研究所牵头,联合三星/LG/现代三大集团以及韩国六所大学,一起对DRAM进行技术攻关.该项目持续三年,研发费用达1.1亿美元,韩国政府便承担了57%.

除了技术追赶之外,韩国存储霸权的确立还离不开历史机遇和残酷的商业搏杀.韩国存储产业抓到的最大历史机遇就是1987年的美日半导体争端.这场争端最终以日本退让,承诺通过减少DRAM产量来提高芯片价钱.但此时适逢计算机普及浪潮,DRAM减产造成全球256K DRAM缺口巨大,韩国存储企业抓住机会,顺势填补市场空白.

在商战方面,韩国的决心和实力可谓是破釜沉舟,不达目的不罢休,不顾长期巨亏,咬定存储产业死死不放.比如,三星于1984年推出64K DRAM时,正赶上全球半导体业低潮,内存价钱从每片4美元暴跌至每片30美分,而三星当时的生产成本是每片1.3美元,这意味着每卖出一片内存三星便亏1美元.而三星在后来的90年代,依然连续9年巨亏,在亚洲金融危机时负债率一度高达300%.在此期间,韩国政府和国内财团的资金力量都力挺三星,光是韩国政府就以优惠利率先后提供了超过60亿美元的政策性贷款.

四/时势起东风至,中国存储蓄势待发

存储器产业是典型的资本密集/技术密集产业,已经形成了巨头垄断的格局,一个新入局的企业单靠自身很难打破壁垒.从存储器产业的发展历史也可以看到,后发的追赶者越来越倚重于官产学一体研发/国内资本等企业外部力量的合力扶持.有鉴于上述历史规律,我们认为存储器国产化之所以可能在现在这个时间点实现有两大原因:

1/ 我国电子产业大环境日趋成熟,有巨大的半导体消费需求,同时产能和技术也在快速提升,产业转型时间窗口的到来形成了客观的"时势';

2/ 社会综合资源在顺应时势的情况下果断大力支持存储器产业,调动大量资源对存储器国产化进行战略攻坚,有助于国内存储企业走出加强版的韩国路线,打破当前的垄断格局  .

中国DRAM基础其实并非一穷二白,而是有着近40年的发展历程.但在前期很长一个阶段里受限于市场/技术/产业链不完整等因素,没能成功建立自己的研发–生产–销售体系,无法与国外IDM大厂正面竞争.直到2016年以后,中国存储才开始成规模地发展自己的IDM体系.

中国DRAM发展的第一个阶段是自主研发,在这个阶段里主要是技术的积累.但由于中国当时计算机产业整体落后,又没有融入全球电子产业链之中,导致没有足够的量产能力和市场空间,技术无法转化成产品.中国的DRAM自主研发之路起步并不晚,1981年,中科院半导体所成功研制16K DRAM.中国在80年代还推进了配套的制程技术的发展.

1986年,电子部厦门集成电路发展战略研讨会上提出"七五'期间我国集成电路技术"531'发展战略,即普及推广5微米技术,开发3微米技术,进行1微米技术科技攻关.在技术基础向前推进的基础下,1986-1989年,由742厂和永川半导体所无锡分所合并成立了华晶电子集团,成功研制了中国人第一块64k DRAM,采用微米工艺.

1990年代至2010年代,中国DRAM产业处于自主技术量产和技术引进的市场化探索阶段.在这一时期,"八五计划'时期的"908工程'和"九五计划'时期的"909'计划分别孕育了无锡华晶电子以及上海华虹微电子两大晶圆厂,分别探索自主技术转化以及外来技术引进的两种国产DRAM市场化路线.最终第一条路线受制于技术封锁和设备禁运,第二条路线则随着海外DRAM合作厂商的衰落而被迫转型.

1990年8月,国务院决定在八五计划(1990-1995)基础上启动"908工程',总投资20亿元,其中15亿元用在无锡华晶电子,建设月产能万片的6英寸晶圆厂.1993年,华晶电子首次成功研发256K DRAM.1998年,无锡华晶DRAM投产,月产能6000片,但因为西方封锁,无法引入先进的微米制程,使得华晶投产落成就落后于海外最新的先进水平.

1995年12月,为落实"九五计划'中,半导体生产工艺达到微米的目标,国务院与上海市政府批准了"909工程',主要包括建设晶圆厂和建立设计机构两大任务.其中上海市政府出资5亿美元,成立华虹微电子,日本NEC出资2亿美元,共同成立华虹NEC,计划总投资12亿美金,在浦东建设8寸晶圆厂,由NEC提供微米技术,生产当时主流的64M DRAM内存芯片.但2001年后随着日本NEC退出DRAM市场,华虹也开始向晶圆代工厂商转型.

2010年以后,国内DRAM发展呈现多路并举的局面,尤其是2014年以后,随着国内产业基金的壮大和海外事业的拓展,出海并购成为这一时期的一个重要战略.而在DRAM领域,中国资本先后收购奇梦达科技(西安)有限机构以及海外DRAM厂商ISSI是其中浓墨重彩的两个大事件 .

2014年以后,随着集成电路产业逐渐成为经济结构升级的重点发展方向,关注度和资金纷至沓来,中国存储产业正式进入IDM时代.2016年,合肥长鑫由合肥产投牵头成立,主攻DRAM方向.在短短的两年内,合肥长鑫在元件/光罩/设计/制造和测试领域都积累了许多的技术和经验.除了自主研发外,合肥长鑫也积极贯彻稳健的技术合作路线,强调技术来源的合法合规以及合作互利共赢.通过与拥有深厚技术积累的奇梦达合作,在合规输入技术的基础上建立了严谨合规的研发体系,并结合当前先进设备完成了大幅度的工艺改进.

三十年来,中国经济保持高速发展,并不断加强寻求向更高加值的产业结构转型.加之近几年国家安全等因素,将IC国产化进一步提升到到一个新的高度,国产存储器产业扬帆起航的东风已经到来.纵观半导体行业的发展史,半导体产业经历了两次大的产业转移,且正在经历第三次大转移,前两次分别是从美国向日本转移/从美日向台湾地区/韩国等地区转移,而当下发生的是从台湾地区/韩国向中国大陆转移.

 

▲世界范围内的三次半导体产业转移

产业转移的趋势又可以分为产能的转移和需求的转移,中国本身是全球最大半导体消费市场,同时半导体产能和技术正在快速提升. 巨大的市场需求是拉动半导体产业发展的根本因素,也是促使产业链在全球范围内进行不断调整和转移的重要原因.目前全球60%以上的电子产品来自中国制造,所需半导体消耗量非常巨大.近年来,国际半导体市场增长趋于平稳,2017年全球半导体市场销售额为4124亿美元,其中中国市场半导体销售额为1315亿美元,占到全球半导体销售额的32%.而从全球半导体资本支出情况来看,中国半导体产能正在快速集聚力量.2018年中国大陆半导体资本支出亿美元,2020年预计达到亿美元,基本与韩国持平,时有超越.从2014到2020年,除2017年三星大幅投资外,大陆半导体资本支出增速都远高于全球增速.

 

▲中国半导体资本支出快速增长(亿美元)

从需求结构来看,中国品牌本身就有巨大的存储器需求,他们有望在未来率先吸收国产存储器产能.中国本土品牌在智能机和PC领域已占据相当大的市场份额.虽然从2017年开始全球智能机出货量就开始显露疲态,但中国手机品牌却逆势快速扩张.在2018年的全球智能机市场上,华为/OPPO/VIVO/小米四大品牌占据的市场份额达到37%,相比2017年提升7%个百分点.加上联想(3%)/1+等品牌,中国品牌智能机市场份额直逼50%.而在更加成熟的PC市场,联想/宏碁/华硕三大中国品牌稳居全球前6大PC出货品牌.国产DRAM一旦量产,这些中国品牌将成为最有潜力的消费客户.

 

▲前六大PC厂商有三家中国品牌(千台)

在产能和需求都在转向中国的半导体产业转移大背景下,正是多方力量共同协力推动国产存储的机会窗口.国家层面对于集成电路国产化进程高度重视. 2014年,<国家集成电路产业发展推进纲要>提出"芯片设计–芯片制造–封装测试–装备与材料'全产业链布局,同年成立了千亿级别的产业基金对相关企业以财务投资的形式进行注资扶持.截至2017年11月30日,大基金累计有效决策62个项目,涉及46家企业,累计有效承诺额1063亿元,实际出资794亿.目前"大基金'二期已经在募集中,预计总规模达1500`2000亿元,同时提高对设计业的投资比例.

 

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