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 主流存储芯片产业概览

2022-07-17

一、 存储芯片的分类半导体存储器是一种采用半导体介质的信息储存设备,常用的内存、U盘、固态硬盘等都属于存储器的范畴。从市场规模上看,存储器芯片是全球最大宗的集成电路产品,是信息系统最重要的基础核心芯片,同时也是我国进口金额最大的集成电路产品。
  
  半导体存储器根据断电后所储存的数据是否会丢失,可以分为易失性存储器(Volatile Memory)芯片和非易失性存储器(Non-Volatile Memory)芯片,从具体产品类别上看,DRAM是易失性存储芯片的代表,NAND Flash是非易失性存储器存储芯片的代表。2020年存储芯片市场规模超过1100亿美元,DRAM和NAND Flash占据了存储芯片95%以上的市场份额,因此将二者视为存储芯片主流产品。
  
  DRAM芯片产业可分为设计、制造和封测三个环节,经营模式以IDM(由DRAM芯片设计业者自行制造DRAM晶圆并封测DRAM芯片)为主,少数DRAM企业产品由晶圆代工企业和封测代工企业生产。主流的DRAM芯片市场经历多年的激烈竞争,已被三星、海力士、美光三家国际巨头垄断,在竞争中逐渐落后的DRAM厂商,如台湾的力晶和华亚科,则转型成为DRAM晶圆代工企业。此外,除了主流的高密度、大容量DRAM,还存在少量对利基型的低密度、小容量DRAM的市场需求。这类利基型的DRAM产品更适合芯片设计加晶圆代工的模式,如台湾的钰创、晶豪科以及北京矽成等,其产品多在台积电、联电等晶圆代工企业投片制造。封测环节对DRAM厂商的重要性较低,因此主流和利基型的DRAM产品都比较普遍采用封测代工。庞大的DRAM封测代工需求,为力成、南茂、太极实业、华东、UTAC等一批DRAM封测代工企业的发展提供了良好的市场环境。
  
  内存条作为DRAM模组,是DRAM芯片的下游产业。超过2/3的内存条市场被三星、海力士、美光三家DRAM芯片原厂占据,剩余不到1/3的市场份额归专门的内存条厂商(即模组厂,非芯片设计企业)所有。内存条厂商是DRAM芯片厂商的客户,购买DRAM芯片制作内存条模组。内存条市场领导者为美国厂商金士顿,2019年全球市占率超过80%,我国代表企业有记忆科技和金泰克等具有国际竞争力的企业,2019年全球市占率分别约为3%和2%。
  
  三、 NAND Flash产业介绍NAND Flash产业链与DRAM类似,也是由上游的芯片与下游的模组(即闪存设备)两大环节构成。占据主流地位的是高密度、大容量的产品,主要芯片厂商有六家:三星、凯侠(原东芝存储)、西数、美光、SK海力士、英特尔。NAND flash芯片又可分为未封装的裸片(KGD)和封装完成的颗粒(chip)两种类型。其中,裸片用于制作闪存设备,而颗粒则是直接搭载于终端系统上。总体来看,NAND Flash主流(80%以上)的应用是将裸片制作成闪存设备后再搭载于终端系统。三星、海力士、英特尔三大芯片原厂只有很少量的颗粒出货,绝大部分都是直接销售闪存设备给下游终端系统厂商,或是由下游模组客户将其出货的裸片制作成闪存设备再销售给终端系统厂商。
  
  闪存设备主要包括U盘、SD卡、eMMC、SSD等,是基于NAND Flash芯片的半导体存储器。闪存设备厂商向三星等芯片厂商购买NAND Flash裸片,用于制造各类闪存设备。与此同时,三星等NAND flash芯片厂商也制造并销售自有品牌的闪存设备。在嵌入式闪存设备(如eMMC)市场,三星、凯侠、西数、美光、SK海力士五大芯片厂商占据了将近90%的份额。设备厂商在外部闪存设备(如SSD、U盘、SD卡等)市场比在嵌入式市场活跃,金士顿、金泰克等设备厂商在部分市场(例如中国SSD市场)已经进入前三名。
  
  另外闪存设备需要控制芯片配合才能工作,存储控制芯片成为存储方案中的重要组成部分。四大巨头中,三星全部采用自己的控制芯片,海力士和凯侠则采取部分自产、部分外购的策略,美光则是主要采用外购的方式。相较于eMMC等嵌入式存储设备,SSD的存储控制芯片外购的比重较大。此外,非NAND flash芯片原厂的SSD厂商,如金士顿、江波龙等,均为外购存储控制器芯片。存储控制芯片多数采用Marvell、群联、慧荣等解决方案为主,其中Marvell的市占率超过50%。随着我国集成电路设计产业高速发展,也培育出一批如国科微、忆芯科技、联芸科技等掌握核心技术的存储控制器芯片厂商,在存储卡控制器、SSD控制器等领域逐步实现自主化。
  
  四、 从中国面板产业看我国主流存储产业发展路线存储器芯片产业历史上大起大落,呈现出明显而剧烈的周期性波动。以DRAM产业为例,每隔4 至5年出现一次高低循环周期,究其根本原因是经济周期带动市场供需关系的变化所致。DRAM市场供需关系的周期性失衡, 导致了存储器产业的周期性剧烈波动。 每次波动,都带来大型存储器芯片厂厂商的退出,而领先厂商能够保证持续长期的投入,在产业波谷加大投资,最终获利丰厚。
  
  据公开资料整理目前国际主流存储芯片巨头已构筑起技术、资金、产能、人才四大壁垒,整体市场呈现寡头垄断态势,与我国早期面板行业的发展状况有着较高相似度,我国以京东方为主的面板产业发展路线可为我国发展自主可控的存储产业发展和突破带来借鉴意义:1、并购为京东方提供了技术基础和人才基础:我国面板产业起步初期和存储器产业一样处于技术相对落后的时期。为改变落后的状况,面板产业发展初期采用“以市场换技术”“合资”等政策,但没有一个能摆脱对引进技术的依赖,形成自主的技术能力。我国面板产业发展的转折点是2003年——京东方购韩国现代电子 TFT-LCD 业务、相关专利及团队。2003年9月京东方在北京建设了第五代TFT-LCD生产线。在随后的5年内,京东方充分利用收购的资产完成了国外企业20年的技术积累,并培养近3000名相关人才,为发展面板产业打下基础。
  
  2、自主研发和创新为京东方取得技术优势提供了保障:1998 年至 2008 年是中国发展面板产业的初期阶段,日、韩、台平板电视厂商看准中国没有先进液晶技术,相互间结为同盟,在侵蚀中国彩电市场份额的同时对中国企业进行严格的液晶技术封锁。2009年前后,京东方独创了高级超维场转换技术,并于2009年宣布投资280.3亿元人民币,使用该技术建设我国第一条8.5代液晶面板生产线。在京东方的兴建8.5代线的同时,三星、LG、夏普等厂商纷纷改变技术封锁态度,启动在中国建设高世代产线项目。种种迹象表明,在我国企业未有自主核心技术前将面临外资企业对我国的技术封锁难题,因此我国无论是发展面板产业还是存储器产业,最终只能依靠自主研发来突破技术落后的障碍。
  
  3、大量的资金投入和优厚的政策支持加速了京东方的成长:发展面板行业和存储器产业都需要庞大的资金支持,且投资资金回收周期长,企业面临长期处于亏损状况的风险。京东方采取了多次融资及接受政府政策、政府资金支持等方式渡过初期的巨额亏损时期并实现产能迅速扩张,京东方建厂所需资金多数为地政府出资及借贷,以近乎“绑定政府”的方式实现了快速扩张,同时获得了与国际领先面板企业竞争的资本。
  
  以发展的眼光看我国主流存储器产业,目前我国以长江存储为首的NAND Flash产业和以长鑫为首的DRAM产业虽处于“创业阶段”,但均已具备较优的发展基础:1、 核心技术基础:长江存储建立于武汉新芯的基础之上,可依托武汉新芯与Spansion合作获得3D NAND的制造技术专利保护;长鑫通过与奇梦达合作并与美国半导体公司Rambus签署专利许可协议,具备了DRAM 技术和专利基础;2、 自主创新基础:长江存储依靠武汉新芯长期与中科院微电子研究所展开紧密的合作以及从国际招揽相关人才进行自主研发;长鑫早期即从台湾、日本等地招募人才组建了DRAM项目研发团队3、 资金&政策基础:发展存储芯片已成为我国集成电路产业的重要战略方向,并获得从地方到中央的资金和政策支持,国家集成电路产业投资基金已完成对长江存储和长鑫的数百亿投资;存储芯片对于我国发展的重要性高于面板产业,其研发难度、人才培养周期、投资规模同样高于面板产业,做成、做好主流存储芯片是我国集成电路产业突围的“产业长征”,在以国内巨大的市场需求为基础、加强自主研发投入的同时,也要给予更多的坚持和耐心,相信我国主流存储器产业必然可以走出一条具有中国特色的发展之路。