全面解析存储芯片技术发展趋势

  中集成电路的范畴，是目前应用面最广、标准化程度最高的集成电路基础性产品之一。半导体按照产品分类可分为件、分立器件和集成电路四大类，占半导体价值量比例最高的为集成电路，约占整个半导体行业市场规模的82.64%，其最重要的包含芯片、逻辑芯片和存储芯片等四种。根据WSTS的数据，2022年全球半导体市场规模为5740.84亿美元，集成电路占比达83%，其中存储芯片市场规模为1297.67亿美元，占整个半导体行业的23%，由此能够看出，存储芯片和逻辑芯片在整个半导体产业链中贡献的价值量最大。

  （2）存储设备是计算机系统中用于存储和读取数据的硬件组件，按存储介质不同可分为光学存储、磁性存储与半导体存储。光存储器是指用光学方法从光存储媒体上读取和存储数据的一种设备，一般指光盘机、光带机和光卡机等；磁性存储，是指利用磁能方式存储信息的磁介质设备，其存储与读取过程需要磁性盘片的机械运动，目前大范围的应用于PC硬盘、移动硬盘等领域；存储芯片，又称为半导体存储器，是指利用电能方式存储信息的半导体介质设备，其存储与读取过程体现为电子的存储或释放，大范围的应用于内存、U盘、消费电子智能终端、固态存储硬盘等领域。按照断电后是否保留存储的信息，存储芯片主要可分为易失性存储芯片（RAM）和非易失性存储芯片（ROM）。

  RAM为随机存储器，断电后不会保存数据，基本的产品包括SRAM和DRAM，DRAM即动态随机存储器，使用电容存储，DRAM的一个比特使用一个电容和一个晶体管存储，由于电容会漏电，因此就需要定时刷新一次存储单元来保持数据；SRAM即静态随机存储器，其内部结构比DRAM复杂，可以在不刷新电路下保存数据。ROM是一种存储固定信息的存储器，在正常工作状态下只能读取数据，不能即时修改或重新写入数据，在外部电源切断后仍能保存数据，读取速度较慢但存储容量更大，最重要的包含EEPROM（带电可擦可编程只读存储器）、Flash(闪存芯片)、PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)等。

  （3）根据具体的功能，可以将计算机中的存储器细分为寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘缓存、固定磁盘、可移动存储介质等6层。从CPUCache、内存到SSD和HDD，构成了计算机的存储体系，各层只和相邻的层交换数据，随着层级由高到低，设备容量变大、离CPU距离变远、访问加载速度变慢、传输时间变长，并且每字节的造价成本也慢慢变得便宜。CPU中的寄存器位于最顶部，记为L0，它使用SRAM芯片做成，集成在CPU的内部，其容量有限、速度极快、和CPU同步；缓存是一种小而快的存储器，一般作为DRAM的缓冲，采用SRAM技术实现，通常也会被集成在CPU内部；主存一般由DRAM组成，和SRAM不同，其存储密度更高，容量更大，价格更低，速度也更慢。综合看来，SRAM价格贵、速度快，DRAM价格实惠公道、容量更大，SSD和HDD硬盘作为外部存储设备容量更大、成本更低、离CPU更远、访问加载速度更慢。

  （4）DRAM和FLASH是目前市场上最为主要的存储芯片。FLASH可分为NOR和NAND两种，两者不同之处在于存储单元连接方法不一样，导致两者读取方法不一样，NAND由于引脚上复用，因此读取速度比NOR慢一点，但是擦除和写入速度比NOR快很多；NAND内部电路更简单，因此数据密度大，体积小，成本也低，市场上一些大容量的FLASH都采用NAND型，例如SSD、U盘、SD卡、EMMC。小容量的2～12M的FLASH多是NOR型，NOR更适合频繁随机读写的场合，通常用于存储程序代码并直接在闪存内运行。相比于Flash与Nor，DRAM具有较高读写速度、存储时间短等优势，但单位成本更高，大多数都用在PC内存(如DDR)、手机内存(如LPDDR)与服务器等设备等。

  （1）存储芯片是半导体产业的重要分支，下游应用空间广阔。存储芯片行业产业链上游参与者包括硅片、光刻胶、靶材、抛光材料、电子特种气体等半导体材料供应商与***、PVD、CVD、刻蚀设备、清理洗涤设施、封测设备等半导体设备供应商；产业链中游为存储芯片制造商，主要负责存储芯片的设计、制造和封测，常见的存储芯片包括DRAM、NAND闪存芯片和NOR闪存芯片等；产业链下游为消费电子、汽车电子、信息通信人工智能等应用领域内的企业，各类电子化和智能化设备不能离开存储芯片应用。

  （2）存储芯片按照制造流程又可细分为一条完整的产业链。存储芯片产业链主要由集成电路设计、晶圆制造、封装和测试、模组厂商集成等环节组成，从经营模式来看，大致上可以分为IDM和垂直分工模式。IDM模式指企业业务覆盖IC设计、制造、封装和测试的所有环节，大部分国际存储芯片大厂均为IDM模式，例如东芝半导体、三星半导体、飞索半导体、美光科技等大型跨国企业。另一种模式为垂直分工模式，即Fabless（无晶圆制造的设计企业）+Foundry（晶圆代工厂）+OSAT（封装测试企业），Fabless模式是指无晶圆生产线集成电路设计模式，即企业只进行集成电路的设计和销售，将制造、封装和测试等生产环节外包，例如高通联发科AMD、华大半导体等；Foundr 即晶圆代工厂，它是一种只负责芯片制造，不负责芯片设计环节的一种产业运作模式，这类企业典型代表为台积电、联电、中芯国际等；OSAT指专门从事半导体封装和测试的企业，比如日月光、Amkor、长电、通富微电等。

  （3）垂直分工模式进一步深化，减少相关成本同时明显提升产业运作效率。IDM模式下，企业投入大量资金用于晶圆制造设备和生产线的建设，内部各环节协同生产，整体规模效应显著，毛利率也会上升；但IDM模式下，企业内部管理成本增加，因此，IDM模式适合规模巨大的企业。Fabless模式注重轻资产运营，更为灵活，可以充分的利用半导体产业链资源，集中主要精力用于产品研制和技术迭代，适应激烈的市场之间的竞争环境，加快速度进行发展，缺点是没办法实现工艺协同，同时需要承担各种市场风险，相对来说适合小企业经营。存储芯片标准化程度较高，国际巨头大部分采取IDM模式运行，国内存储企业由于规模较小，刚开始从小众市场切入，多数采用Fabless模式，随企业规模的扩大，长期或将向IDM模式转型。近些年，国内大型存储项目长江存储、合肥长鑫、福建晋华均是IDM模式的大型晶圆厂布局。

  （4）行业发展和技术升级驱动产业链模式变化，并购加速产业链整合。在台积电成立以前，半导体行业只有IDM一种模式，经过半个多世纪发展，全球半导体产业链逐步朝向分工和整合趋势发展。

  1）产业链分工：摩尔定律推动半导体行业技术一直更新迭代，同时带动生产制造设备的升级改造，先进工艺晶圆厂资金投入增加，Foundry模式能最大化的分摊技术升级成本和利用产能，提高资本支出的收益率。IDM企业为减少投资风险、轻资产化，逐渐采取Fablite（轻晶圆厂）策略，将部分非核心和高难度工艺制造业务转为第三方代工，自身保留其余制造业务。

  2）产业链整合：半导体行业进入新的发展阶段，通过并购，企业间可以基于业务层面的协同互补，扩展产品条线和客户群体，缩减成本的同时实现更强的供应链溢价，提升行业市占率。因此，随技术进步，全球分工模式慢慢的变多，同时，大企业不断成长又不断合并为IDM模式，产业循环往复，推动全球技术不断推进。

  （5）近些年，随技术难度一直在升级，Fabless公司在全球IC销售额中的份额持续提升。根据IC Insights数据，在销售增长率方面，过去20年里，采取Fabless模式的公司IC销售额增长率明显高于采取IDM模式的公司，个别年份例如2017、2018年，Fabless公司份额增长低于IDM公司，而且相较于IDM公司，Fabless公司受市场环境波动幅度更小。在销售份额占比方面，2003-2021年，全球Fabless公司销售份额占IC销售额比重稳定增长，2019年IC市场的Fabless份额较去年同期提高4.1个百分点至29.9%，随后持续增长并在2021年达到34.8%的峰值。Fabless模式的轻资产化更为灵活，在市场周期下行的阶段，能更好适应激烈的市场之间的竞争环境。我国国产化空间巨大，大部分的存储芯片企业成立之初均以Fabless模式为主。

  （1）存储芯片产业发源于美国，此后经历过两次大的产业转移。进入1960年代后，随着计算机技术的发展，电子行业开始了将集成电路技术用于计算机存储领域的尝试，存储芯片产业链从垂直整合到垂直化分工越来越明确，并经历了两次空间上的产业迁移，迁移路径由美国至日本再到韩国。

  1）美国：行业市占率居前的主要厂商也随着产业迁移发生了明显的变化，最开始由美国加州的Advanced Memory System公司生产出了世界上第一款DRAM芯片（容量仅有1KB），随后英特尔德州仪器TI）、莫斯泰克（Mostek）、美光等存储厂商逐渐发展壮大。

  2）日本：1976年，为发展半导体技术领域，日本通过制，成立了VLSI联合研发体，随后成功研制出64K DRAM，追平了美国研发进度；到了1980年代，日本厂商凭借质量和价格上的优势，开始反超美国，市占率逐渐达到全球第一；1985年，美苏冷战气氛不断减弱，日美贸易摩擦持续不断的增加，美国开始对日本经济实施打压，在陆续的施压下，日本存储芯片市场占有率一落千丈，很快丧失了主导权。

  3）韩国：韩国企业抓住了美日半导体竞争的契机，在美国的技术转让和市场准入扶持下，三星电子脱颖而出，逐渐赶超日本。

  （2）存储市场加速发展，国内厂商异军突起。2016年之前，国内没有生产DRAM、Flash的能力，直到合肥长鑫、长江存储成立。2019年，中国大陆公司开始全面进军存储器市场，长江存储64层3D NAND Flash进入量产阶段，紧接着合肥长鑫宣布中国大陆第一座12英寸DRAM工厂投产，并宣布首个19纳米工艺制造的8Gb DDR4。三年时间里，国内相继攻克了3D NAND Flash和DRAM技术，在某些特定的程度上打破了内存和闪存制造国际寡头垄断的局面。国内存储芯片起步晚，要实现全球领先任重道远，先进制造技术仍掌握在国际大厂的手里，因此，存储芯片产业高质量发展需要长期的资产金额的投入和技术革新，解决生产制造中不良率的下降以及产能的上升，提高性能指标。

  （1）DDR、LPDDR、GDDR是基于DRAM的三种内存规范或标准。固态技术协会（JEDEC）定义了三种DRAM标准类别，帮助设计人员满足目标应用的功耗、性能和规格要求。标准DDR：面向服务器、云计算网络、笔记本电脑、台式机和消费类应用，支持更宽的通道宽度、更高的密度和不同的形状尺寸，其发展路线通过提升核心频率来提高性能。移动DDR（LPDDR)：面向移动式电子科技类产品和汽车这些对规格和功耗非常敏感的领域，提供更窄的通道宽度和多种低功耗运作时的状态，四代之前是基于同代DDR发展，四代之后是基于应用端独自发展，通过提高Prefetch预读取位数来提升性能。图形DD (GDDR)：面向需要极高吞吐量的数据密集型应用程序，例如图形相关应用程序、数据中心加速和AI，是应用于高端显卡的高性能DDR存储器，侧重于数据位宽、远超同期DDR的运行频率。

  （2）DDR因其性能和成本优势成为目前PC和服务器端主流内存。SDRAM也可称为SDR SDRAM，即单倍数据传输率，SDR SDRAM的核心、I/O、等效频率皆相同，在1个周期内只能读写1次，若需要同时写入与读取，必须等到先前的指令执行完毕，才能接着存取。DDR是用于系统的RAM技术，规范名称为DDR  SDRAM，即双倍速率同步动态随机存储器，其特点是高带宽、低延时，DDR总线bit宽度，每根Data的管脚能够直接进行读操作或写操作（不同时）。目前已推出的DDR1-DDR5是由JEDEC制定的产品质量标准，从DDR1到DDR5的演进路线来看，DDR的能耗越来越低，传输速度慢慢的变快、存储容量也慢慢变得大，目前的最新标准是DDR5，起步速率为4800MT/S，最高可达6400MT/S，电压则从1.2V降至1.1V，功耗减少30%。目前，三星已经率先开始了下一代DDR6内存的早期开发，预计其DDR6设计将在2024年之前完成，在2025年之后开始商业应用。

  3）受益于终端需求加快速度进行发展，LPDDR和GDDR步入高速迭代期。LPDDR，即低功率双倍速率同步动态随机存储器，是DDR SDRAM的一种，又被称为mDDR（Mobile DDR SDRAM），拥有比同代DDR内存更低的功耗和更小的体积。目前智能手机广泛使用的LPDDR5内存标准是2019年2月由JEDEC协会正式对外发布，相较于上一代LPDDR4标准，LPDDR5的I/O速度提升到6400 MT/s，是LPDDR4速度的两倍，比LPDDR4X的4266MT/S快了50%。

  GDDR，是用于显示的RAM技术，其特点是高带宽、高延时，目前最新的标准是GDDR7，2023年7月，三星推出了首款具有32Gbps处理速度的GDDR7显存。

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