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1 集成电路研究 工业和信息化部赛迪研究院主办 2016 年 3 月 15 日第 2 期总第 3 期 本期主题 存储器产业洞察分析国际观察 全球重点国家和地区发展存储器产业的经验与借鉴企业研究 三星电子发展存储器的经验与启示数据之窗 年全球 2D 和 3D NAND 出货比例及预测 年全球主要企业 NAND Flash 存储器技术路线图 年全球 DRAM 产业资本支出及预测 年全球 NAND Flash 产业资本支出及预测

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3 本期主题 : 存储器产业洞察分析 所长导读 存储器是集成电路产业的重要组成部分, 广泛应用于移动智能终端 计算机等各种电子信息产品当中 但是我国作为全球最大的存储器消费市场, 却在关键产品 DRAM 和 NAND Flash 存储器芯片领域依然是空白, 每年进口的集成电路产品中 1/4 以上是来自存储器 随着云计算 大数据 物联网等新兴应用领域的发展和 两化 融合的深度推进, 未来我国对存储器的市场需求还将进一步扩大 同时, 随着新一代信息技术的发展以及信息技术产业链的重构, 存储产品技术也正在发生深刻变革, 并出现了新的机会窗 当前如何抓住存储产业新一轮发展机遇, 打造我国集成电路领域的国之重器, 已是势在必行, 迫在眉睫 为此, 我们专门策划并精心准备了本期存储器产业洞察分析 主要聚焦存储器产业发展趋势与变革 DRAM 和 NAND 及新型存储技术发展趋势 竞争格局和知识产权情况, 在分析我国面临机遇和挑战的基础上, 提出了相关措施建议, 以期为我国存储器产业发展提供借鉴 本期内容由葛婕 史强 朱邵歆 张松撰写, 如有商榷之处, 敬请批评指正 赛迪智库集成电路研究所所长霍雨涛 2016 年 3 月 15 日 1

4 专业就是实力精准就是品牌 目录 CONTENTS 本期主题 : 存储器产业洞察分析 1 一 存储器定义与分类 4 ( 一 ) 定义与特征 4 ( 二 ) 产品分类 4 二 存储器产业发展特点 5 ( 一 ) 存储器市场呈现强周期性波动特征 5 ( 二 ) 存储器产业已经形成寡头垄断的格局 6 ( 三 ) 主流存储器企业采用 IDM 发展模式 8 三 存储器产业发展形势与面临的变革 8 ( 一 ) 计算模式转折带来信息技术产业链重构和存储产品技术变革 8 ( 二 ) 大数据和大应用带来的海量存储需求 9 ( 三 )ICT 产业融合推动分布式存储快速发展 10 ( 四 )3D 工艺技术发展推动计算与存储深入融合 11 四 DRAM 存储器发展趋势 11 ( 一 ) 市场规模 11 ( 二 ) 竞争格局 13 ( 三 ) 产品技术趋势 15 五 NAND 存储器发展趋势 17 ( 一 ) 市场规模 17 ( 二 ) 竞争格局 19 ( 三 ) 产品技术趋势 23 2

5 本期主题 : 存储器产业洞察分析 六 新型存储器技术发展趋势 27 ( 一 ) 相变存储器 PRAM 27 ( 二 ) 阻变存储器 RRAM 28 ( 三 ) 磁阻存储器 MRAM 29 ( 四 ) 主要结论 30 七 存储器知识产权分析 31 ( 一 )DRAM 存储器 IP 32 ( 二 )Flash 存储器 IP 34 八 我国发展存储器面临的机遇与挑战 36 ( 一 ) 发展机遇 36 ( 二 ) 面临挑战 36 九 我国存储器产业发展措施建议 37 ( 一 ) 合理规划和统筹布局, 长期持续大投入 37 ( 二 ) 抓住机遇, 以移动智能终端和服务器为切入点 38 ( 三 ) 通过全球合作和自主创新, 解决技术门槛 38 ( 四 ) 完善人才机制, 建设人才梯队 39 3

6 专业就是实力精准就是品牌 本期主题 : 存储器产业洞察分析 一 存储器定义与分类 1 ( 一 ) 定义与特征 存储器是集成电路产业重要的 组成部分, 它是利用电 磁或光学 技术手段将数字化信息加以存储的 记忆设备 计算机中的全部信息, 包括输入的原始数据 计算机程 序 中间运行结果和最终运行结果 都保存在存储器中 半导体器件和磁性材料是构 成存储器的主要介质 一个双稳态 半导体电路 CMOS 晶体管或磁性材 料, 可以作为存储器中单个存储元 来存储一个二进制代码 若干个存 储元组成一个存储单元, 而若干个 存储单元组成一个存储器 一个存 储器中所有存储单元可存放数据总 和称为它的存储容量 ( 二 ) 产品分类按照存储介质的不同, 可以将存储器分为三类 : 第一种是半导体存储器, 包括 RAM(Random Access Memory, 随机存储器 ) ROM(Read Only Memory, 只读存储器 ) 固态硬盘等 ; 第二种是磁表面存储器, 包括软盘 硬盘 磁带等 ; 第三种是光存储器, 包括 CD DVD 等 按照信息的可保存性可分为易失性存储器 (VM, 也叫挥发性存储器 ) 和非易失性存储器 (NVM, 也叫非挥发性存储器 ) 易失性存储器的特点是带电保持, 掉电数据丢失, 分为 SRAM( 静态随机存储器 ) 和 DRAM ( 动态随机存储器 ) 非易失性存储器具有在掉电情况下保持数据的能力, 包括 ROM EPROM EEPROM Flash ( 闪存 ) 新型非易失存储器等 1 Ashok K. Sharma, 先进半导体存储器,2005 年 1 月, 电子工业出版社 4

7 本期主题 : 存储器产业洞察分析 图 1 存储器产品分类 数据来源 : 赛迪智库整理 DRAM 与 NAND Flash 作为存储芯片产业的主要构成部分, 市场规模占据整个存储器产业的 85% 左右 因此本文着重讨论 DRAM 和 NAND Flash 二 存储器产业发展特点 ( 一 ) 存储器市场呈现强周期性波动特征存储器产业周期性明显强于半导体产业的整体周期性, 呈现出强周期变化的特点, 这是由存储器行业本身的特殊属性决定的 (1) 存储器需求量大, 同时具有高度标准化的特性, 各大厂商很难实现产品 的差异化, 因此不足以形成足够的客户黏性及产品溢价 这种特性导致各厂商在行业处于上行周期时, 通过不断的缩小产品特征尺寸以扩大产量, 同时通过扩厂增加产能 ; 而在行业下行周期时不断降价清理库存, 以此抢占市场份额 市场供求关系的剧烈波动, 导致了存储器产业的周期性风暴 (2) 主流存储器产品的下游应用领域较为集中, 主要为 PC 和智能终端, 这些产品的出货周期在一定程度上影响了存储器的需求波动 此外, 产品的更新换代对存储行业也有刺激作用 5

8 专业就是实力精准就是品牌 图 年全球 DRAM 和 NAND 市场规模 数据来源 :DRAMeXchange, 赛迪智库整理 ( 二 ) 存储器产业已经形成寡头垄断的格局目前, 全球存储器产业已经进入高度垄断的时代 2015 年, 全球前五大存储芯片公司三星 美光 SK 海力士 东芝和闪迪, 市场份额占比已经达到 95% 其中,DRAM 存储器, 三星 SK 海力士 美光三家市场份额达到 93%;NAND FLASH 存储器, 三星 东芝 / 闪迪 美光 /Intel SK 海力士市场份额则高达 99% 由于 DRAM 制造的技术难度高 资本开支大, 需要海量出货才能盈利 同时 DRAM 产业市场波动大, 企业在行业低迷期会出现巨额的亏损 DRAM 产业几乎每 8 年至 10 年就会进行一次大整合, 并淘汰一批企业 上世纪 80 年代,TI 和 IBM 宣布退出存储器产业, 随后东芝 日立和 NEC 也纷纷在 90 年代退出 进入本世纪后, 曾经作为全球第二大 第三大 DRAM 厂的奇梦达和尔必达先后破产,DRAM 厂商目前仅剩三星 SK 海力士 美光三大巨头 6

9 本期主题 存储器产业洞察分析 图3 2008年和2015年DRAM存储器市场份额变化 数据来源 DRAMeXchange 赛迪智库整理 NAND Flash应用广泛 在发展 加 大量企业纷纷退出 目前NAND 之初市场较为分散 除了专业存储 Flash领域也只剩下六个厂商 四 器企业以外 传统半导体大厂均有 个阵营 即三星 东芝/闪迪 美 涉足 如英特尔 瑞萨 意法 英 光/英特尔 SK海力士 飞凌等 随着技术和资金的逐年增 图4 2008年和2015年NAND Flash市场份额变化 数据来源 DRAMeXchange 赛迪智库整理

10 专业就是实力精准就是品牌 ( 三 ) 主流存储器企业采用 IDM 发展模式目前国际主流的存储器企业多为 IDM 的发展模式, 设计制造一体化, 如三星 美光 SK 海力士等都有自己的晶圆制造厂和后端封测厂, 产业布局相对完善 一是由存储器的产品特性决定的 存储器结构简单, 企业之间的核心竞争力主要在于高良率的大规模生产能力, 需要不断通过缩小工艺制程和扩大产能以降低成本, 因此存储器企业往往需要严格把控核心技术, 很少通过代工的方式外包订单 二是随着工艺技术水平的提高, 存储器生产线的建厂成本呈现指数倍增长, 新工艺的研发需要大量的人力和财力支持, 只有少数的巨头企业能够负担, 而中小规模的设计或代工企业难以维持 三是随着存储器技术逐渐向 3D 化 方向发展, 制造和封测技术结合更加紧密 存储器的微缩逐渐达到物理极限, 使得各大企业采用 3D 技术的方式进一步降低成本 3D 技术将二维存储器芯片变成三维, 通过将多层 die 芯片堆叠的方式, 配合 TSV SIP 等封装技术 得到 3D 存储器芯片 该技术需要制造工艺和封装工艺相结合, 使得制造业向封测业靠拢, 对于 IDM 模式发展的企业更有优势 三 存储器产业发展形势与面临的变革 ( 一 ) 计算模式转折带来信息技术产业链重构和存储产品技术变革在计算领域, 经历了从计算机到互联网, 再到移动互联网的变化和转折 云计算作为下一代计算模式, 目前已开始广泛应用于科学计算和商业计算领域 云计算模式的兴起, 将对 ICT 业务的承载平台 业务的提供方式和业务的接入方式产生深远的影响, 随之带来的是对信息技术产业链的重构 在此趋势下, 云计算需要新的计算架构, 将三个基本要素计算 存储和网络无缝集成和一体化, 以提供统一 高效 可靠和灵活的服务 云计算时代, 最终客户将不再购买 IT 资源, 而是从云服务提供商那里购买提供 IT 资源的云服务 设备 软件厂家与云服务提供商将成为云计算时代产业链的主角, 部分设备和软件厂家正在向云计算运营商转型 作为

11 本期主题 : 存储器产业洞察分析 云计算环境下的核心基础设施, 存储产品技术也正在进行着深刻的革命, 为提高存储效率和容量, 降低成本和能耗, 非易失性存储将填 补 CPU DRAM 和硬盘之间的时延空 档, 并提升方案性能, 成为云计算 和大数据最佳存储解决方案 图 5 全球企业级 SSD 市场规模及增长 数据来源 :IDC ( 二 ) 大数据和大应用带来的海量存储需求随着智能手机 平板电脑等移动设备和 4G 网络的普及, 移动互联网应用 电子商务等领域海量的文本 图片 音视频等数据倍增, 再加上科学研究和档案资料等, 全球产生的数据正在以年 ZB 的数级增长, 预计到 2020 年全球数据将超过 40ZB, 其中大约 70%-80% 的数据将存储在云端 当前, 数据量激增和数据虚拟化的发展使得传统存储的基础架构 数据存储方法和数据分析方法得到了新的挑战, 市场需要 性能更稳定 更灵活, 扩展性更好的存储方式来应对变化 大数据对存储提出了更高的要求, 包括存储量大, 实时分析能力强, 成本低, 易于管理, 统一存储等, 高端存储在大数据应用中将会发挥重要作用 内存计算成为大数据发展的新趋势, 非易失性存储技术增加内存计算的可靠性, 促进大数据技术的发展 存储技术的发展极大地提高了系统的计算性能 实时性和响应速度, 增加数据分析的价值, 使复杂的分析挖掘 深度学习 迭代计算等应用成为可能

12 专业就是实力精准就是品牌 图 年全球数据总量增长情况 数据来源 :IDC ( 三 )ICT 产业融合推动分布式存储快速发展传统的网络存储系统主要采用集中的存储服务器存放所有的数据, 不但造成存储成为系统性能的瓶颈, 也存在可靠性和安全性的风险, 不能满足未来大规模存储应用的需求 进入云时代以后, 原有的 C/S 架构, 逐步演变为分布式为主的架构, 对底层的计算硬件和存储器产生了很大的影响 分布式存储系统采用大量通用的 X86 服务器, 并通过高速网络连接, 对外 作为一个整体提供存储的服务 这种网络存储系统采用可扩展的系统结构, 利用多台存储服务器分担存储负荷, 利用位置服务器定位存储信息, 不但提高了系统的可靠性 可用性和存取效率, 还易于扩展, 在高性能计算 大数据分析 海量存储等领域得以广泛使用 分布式存储使得原来高度耦合的一体化硬件, 通过标准化和虚拟化, 解耦成不同的布局, 对存储单元的传输接口控制 输入输出带宽 功耗以及相应软件都提出了新的要求 10

13 本期主题 : 存储器产业洞察分析 图 年传统企业存储和分布式存储市场 数据来源 :Wikibon ( 四 )3D 工艺技术发展推动计算与存储深入融合为了持续降低成本和提升存储容量, 存储器技术一直沿着摩尔定律方向发展 随着尺寸缩小进入物理极限和结构瓶颈, 企业纷纷开始探寻新材料和新结构在存储领域的应用 3D 技术由于其巨大的发展前景而受到关注, 三星 东芝 美光 SK 海力士等存储巨头陆续推出新产品 三星在 3D 技术方面走在前列, 率先推出了 3D V-NAND 堆叠技术, 使得存储产品的性价比大幅提升 今年英特尔和美光联合推出了革命性的 3D XPoint 新技术, 采用新型相变材料和 3D 结构结合, 它模糊 了内存与闪存之间的界限, 既可以做 NAND 闪存, 也具备做 DRAM 内存的潜力, 进一步缩小了 CPU 和存储器之间的速度鸿沟 3D 技术的发展, 一方面是对存储器产品自身的变革, 使得存储容量 速度 可靠性等性能指标大幅提升, 以满足更高要求的存储场景 另一方面, 存储技术的进步为传统的计算加存储模式的变革提供基础 传统的冯诺依曼体系是处理器和内存是分离的, 处理器不断的与内存通过总线交换信息, 速度和带宽成为发展瓶颈 3D 存储技术的发展促进计算与存储的一体化, 预计将进一步推动人工智能和神经元网络等新型计算体系的发展 11

14 专业就是实力精准就是品牌 四 DRAM 存储器发展趋势 ( 一 ) 市场规模 1 受 PC 和手机影响,DRAM 市场增速放缓 2008 年金融危机后, 全球半导体市场开始逐渐复苏, 移动互联网的兴起以及智能手机 平板电脑等移动智能终端的快速发展带动了 DRAM 市场需求的增长,2010 年销售收入大幅上涨 74.7%, 达到 亿美元 随后两年由于企业扩产, 存储器价格大幅下降, 导致产业规模有所降低 2014 年随着云计算 物 联网 智能可穿戴设备等新兴应用的兴起,DRAM 产业开始稳步增长, 2014 销售收入为 457 亿美元, 同比增长 29.6% 受到 PC 和手机等应用领域业务和市场需求的萎缩影响,2015 年全球 DRAM 市场增速继续放缓 2015 年末, 由于各 DRAM 厂商转进更先进工艺制程, 出货量持续增加, 加之整体应用领域缺乏亮点, 从而出现供过于求的局面,DRAM 价格下滑, 2015 年全年总产值为 449 亿美元, 同比下降 1.7% 图 年全球 DRAM 销售收入及增长率 数据来源 :Wikibon 2 移动 DRAM 超越 PCDRAM 成为最大的应用市场 DRAM 主要分为 PC DRAM Mobile DRAM Server DRAM Consumer DRAM 和 Graphic DRAM 等几类 PC DRAM 主要指用于 PC 和笔记本内存的 DDR DRAM 标准型产品 ;Mobile DRAM 主要指平板电脑和智能手机等移动智能终端使用的移动内存, 主要特点是低功耗和小体积, 包括 PSRAM LPDRAM 等 ;Server DRAM 主要指用于服务器的内存, 具有极高的稳定性和纠错性能 ;Consumer DRAM 主要指各类消费电子产品中使 12

15 本期主题 : 存储器产业洞察分析 用的内存, 如应用于液晶电视 冰箱 空调 汽车 打印机 数码相机等消费电子产品中的内存, 具有高时钟速度 高存储密度和小体积低功耗等特点 ;Graphic DRAM 主要指用于图像处理的内存, 具有高存储密度和高传输速度等特点, 搭配高性能图像处理器使用 2015 年随着传统 PC 市场的逐渐萎缩,PC DRAM 的营收占比下降到 30%; 智能手机和平板电脑中应用的 Mobile DRAM 第一次超过 PC DRAM, 成为 DRAM 最大的应用市场, 市场占比为 33%; 随着云计算 大数据的兴起, 构建云服务需要更多服务器以及更高的 DRAM 配置, 使得 Server DRAM 需求量上升,2015 年市场应用占比提升到 13%;Consumer DRAM 存储器应用逐渐下降, 市场占比为 3% 四大应用合计占 DRAM 产值的 79% 图 年 DRAM 产品应用结构 数据来源 : 赛迪智库整理 ( 二 ) 竞争格局 1 DRAM 进入三国时代, 台厂退守利基型市场目前全球 DRAM 市场主要由三家企业垄断, 分别是韩国三星 SK 海力士和美国的美光集团, 占据全球 90% 以上的市场份额 2015 年韩 国三星依然位居 DRAM 存储器龙头位置, 市场占有率为 45%, 盈利能力最强, 利润率高达 42% 排名第二的韩国 SK 海力士于 2015 年通过扩建 M14 生产线, 营业收入进一步提升, 前三季度销售收入为 96.1 亿元, 同比增长 7.2%, 利润率为 13

16 专业就是实力精准就是品牌 40% 排名第三的美国美光集团通过收购尔必达, 在全球存储器芯片市场竞争力迅速提升, 在 DRAM 营收市场占有率为 21%, 毛利率约为 24.1% 排名其后的为中国台湾地区的企业, 以中小企业为主, 如南亚科 华邦科技 力晶科技, 主要从事利基型 DRAM 产品 2015 年营收占比分别为 3% 1% 和 1% 南亚科和其旗下华亚科由台塑集团扶持, 其中华亚科和美光集团建立协议关系, 盈利能力较强, 利润率高达 41.6% 华邦科技主攻利基型存储器与小容量市场,2015 年投片量持续提升, 营业利润率提升至 12.2% 力晶科技目前转为纯代工存储器企业, 受代工价格下降影响,2015 年营业收入有所下降, 市场占有率为 1%, 随着 P3 工厂的扩产, 未来公司盈利能力有望提升 产品方面, 生产 DDR 标准型内存企业主要有三星 SK 海力士 美光 华亚科和南亚科 LPDDR 移动内存企业主要有三星 SK 海力士 美光 南亚科和华邦电子 2 三星在工艺制程 良率 技术等方面处于绝对领先地位 目前三大 DRAM 厂商中, 三星依然具有制程和成本的优势 三星的 DDR4 内存早在 2015 年就已进入 20nm 制程的成熟期,8GB 产品已成为三星在 DDR4 的主流规格,2016 年下半年将进入 18nm 制程, 使得其成本更具优势 相比而言,SK 海力士主要以 25nm DDR4 产品为主, 迈入 8GB 产品需要 20nm 工艺的良率和稳定性的提高 ; 美光的 DDR4 产品依然是 30/25nm 制程, 其 20nm 工艺 8GB 的产品开发并不顺利, 所以其将先锁定毛利较高的服务器用内存上 20 nm 后制程还可以演进两代, 但由于复杂程度上升较快, 资本支出增加使得演进放缓 三星将于 2016 年第一季度量产 18 nm DRAM 颗粒 而 SK 海力士将于今年一季度开始 18 nm 的研发并计划于下半年开始量产 美光则争取在今年实现 1x nm 制程 DRAM 的量产 和 NAND 相似, 随着工艺制程的缩小,DRAM 技术也正朝着以垂直方向整合电路的趋势发展 由美光 三星 Altera ARM IBM SK 海力士 赛灵思等公司共同组成了 HMC(Hybrid Memory Cube, 混合内存立方体 ) 联盟, 共同开发 3D DRAM 技术 14

17 本期主题 : 存储器产业洞察分析 图 年全球 DRAM 企业竞争格局 数据来源 :DRAMeXchange 在移动内存领域, 三星在 LPDDR4 的制程与良率的优势使得其 领先竞争对手半年以上 ;SK 海力士 稳居第二位 表 年全球移动内存企业营收排名 排名 品牌 营业收入 ( 百万美元 ) 同比增长 市场份额 1 三星 % 56.39% 2 SK 海力士 % 24.99% 3 美光集团 % 16.90% 4 南亚科 % 0.69% 5 华邦 % 1.03% 数据来源 :DRAMeXchange ( 三 ) 产品技术趋势 1 DDR4 将快速取代 DDR3 成为标准型 DRAM 市场主流市场需求的转变和 20 nm 制程技术的逐渐成熟使得 DDR4 将逐渐取代 DDR3, 成为标准型 DRAM 应用市场的主流 DDR4 目前已首先应用在服务器端,2015 年第四季度已经替代 DDR3 成为服务器 DRAM 的主流 而在 PC 端 的应用还需等待支持 DDR4 的英特尔 Skylake 平台的大面积出货, 预计在 2016 年末 DDR4 内存的市场份额将迅速扩张 IC Insights 最新的报告显示,2015 年 DDR4 的市场占比已经达到 20%, 预计 2016 年将达到 35% 由于 DDR 和 DDR2 的市场已经萎缩至无需先进技术的特定领域, 所以 DDR4 主要侵蚀的是 DDR3 的现有市场 15

18 专业就是实力精准就是品牌 图 年标准型 DRAM 市场结构及预测 数据来源 :IC Insights 根据相关机构统计和预测, 2016 年 DDR3 4GB 合约均价较 2015 年 12 月下跌 6.15%, 而 DRAM 厂商也策 略性地调低 DDR4 的价格, 意图拉近 与 DDR3 的价格差 预计 2016 年第一 季度, 两者的价格将趋于相同 图 年 9 月 年 1 月 DRAM 产品平均合约价格 数据来源 :DRAMeXchange DDR5 产品的相关研发已经展开 2015 年, 三星披露了后 DDR4 内存 (Post-DDR4) 的技术细节和规划 三星的路线图显示后 DDR4 内存每个针脚的传输速率将达到 6.4Gbps, 是目前 DDR4 的 2-4 倍, 工艺制程达到亚 10 nm(sub 10nm), 预计原型产品最快会在 2018 年出 16

19 本期主题 : 存储器产业洞察分析 现,2020 年率先使用在服务器中 2 移动内存和服务器内存成为 DRAM 产业增长新动力智能手机的持续稳定发展和物联网 云计算 大数据的高速发展, 使得移动内存和服务器内存的比重不断提高, 并为各 DRAM 厂商带来更丰厚的利润 一是智能手机内存的不断升级将拉动移动内存的市场需求 2015 年仅 iphone 6s 与少数高端安卓系统手机使用 LPDDR4, 而 2016 年不仅高通骁龙 820 支持 LPDDR4, 全数安卓阵营的高端旗舰手机也相继都会搭载 LPDDR4 的移动内存 目前智能手机中安卓系统的高端旗舰机型以 4GB 的 LPDDR4 为标准配置,2016 年 WMC 上发布的三星 S7 小米 5 LG G5 和乐视 MAX pro 等旗舰手机均配备 4GB 内存 2016 年 3 月发布的国产手机 vivo Xplay5 则成为首款搭载 6GB LPDDR4 内存的旗舰机型 未来两年 6GB/8GB 将成为安卓系统的高端旗舰手机内存的标配 未来两年移动内存将高速发展,2015 年增速达到 31%,2016 年将达到 35%, 其占整体 DRAM 营收的比例则会增长到 2016 年的 41% 二是大型数据中心对服务器内存产品需求的提升将拉动服务器内存的市场需求 阿里 腾讯等全球互联网企业密集建设大数据中心, 使得服务器内存的需求不断涌现 预计 2017 年英特尔将推出全新服务器平台 Purley, 届时将出现大量服务器的升级换机需求 同时, 高容量 32GB/64GB 组件成本不断降低, 单机搭载容量不断提升, 有助于服务器内存生产比重的提升 业界预估 2015 年服务器内存增速达到 48%, 增速超过移动内存,2016 年依然会有 40% 的增速 五 NAND 存储器发展趋势 ( 一 ) 市场规模 1 技术更新和终端需求助推 NAND 市场增长随着新技术的应用以及关键工艺尺寸的缩小,NAND 的成本进一步降低, 与此同时,eMMC emcp SSD 等产品需求的持续提升, 使得 NAND 市场规模稳步增长,2015 年 NAND 销售规模达到 亿美元, 同比增长 2.7%,2010 年到 2015 年销售收入年均复合增长率为 11.6% 17

20 专业就是实力精准就是品牌 图 年全球 NAND Flash 芯片销售收入及增长率 数据来源 :DRAMeXchange 2 智能终端和固态硬盘成为主要驱动力 NAND 产品销售收入增长的主要驱动力来自于智能手机 平板电脑和固态硬盘, 这三者应用需求占比超过 80% 智能手机的普及率持续提升, 中低端手机市场需求扩大, 使得闪存芯片需求量提升 固态硬盘在笔记本电脑和服务器上的用量增加, 也使得闪存市场进一步扩大 从 NAND 销售产品来看, 可分为 emmc/emcp SSD NAND 颗粒 内 嵌式存储器 emmc(embeded Multi Media Card) 和 emcp(embeded Multichip Package) 主要用在智能手机和平板电脑中, 同时, 近几年推出的智能电视和智能机顶盒也开始从直接使用 NAND 颗粒切换到了使用 emmc 产品 SSD 主要用在替代笔记本和服务器的传统机械硬盘 HDD 上 NAND 颗粒则主要出售给一些品牌和模组厂商, 用于移动存储及其他一些消费电子产品中 18

21 本期主题 : 存储器产业洞察分析 图 年 NAND Flash 应用市场结构 数据来源 : 赛迪智库整理 ( 二 ) 竞争格局 1 NAND 颗粒四强称霸, 主控芯片成为竞争新焦点 NAND 产业竞争比较激烈, 芯片原厂主要包括三星 东芝 / 闪迪 海力士 美光和英特尔 消费级产品控制芯片企业除了 NAND 原厂自研 外还包括美国 Marvell 中国台湾地区的群联 慧荣科技 智微科技和擎泰科技等, 联想等也正积极布局 企业级产品 ( 企业级 SSD) 的控制芯片企业主要有英特尔 三星 Microsemi(PMC-Sierra) 希捷 (SandForce) 华为等 图 年 NAND 芯片市场竞争格局 数据来源 :DRAMeXchange 19

22 专业就是实力精准就是品牌 NAND 原厂四强产能竞争, 加快 3D NAND 布局 三星 海力士 东芝 / 闪迪 美光 / 英特尔共同构成了 NAND 生产厂的产能争霸格局 韩国三星处于 NAND 龙头地位,2015 年市场占有率约为 31.9%, 由于 2014 年第三季度位于中国西安的生产线开始投产, 使得生产规模进一步扩大, 西安生产线主要生产 128GB 3D V-NAND 闪存芯片, 产能为 万片 / 月, 增加了三星在 NAND 的竞争优势 市占率排名第二的为日本东芝,2015 年营收约为 65 亿美元, 市场占有率为 19.6%, 东芝对 Fab5 生产线的扩产于 2014 年 9 月完成, 产线采用最先进的 15nm NAND 工艺制程, 其后对四日市工厂也进行改扩建, 加快布局 3D NAND 技术, 预计 2016 年开始量产 闪迪主攻存储器设计, 并与东芝联合投资存储器生产线, 近年来发展迅速, 市占率排名全球第三位,2015 年销售收入为 49 亿美元, 随着合资生产线的扩产完成, 市场占有率提升到 14.9% 美光和海力士市场占有率, 分别为 14.5% 和 11.2%, 海力士将无锡 M12 由生产 DRAM 转为 NAND Flash, 产线产能为 5 万片 / 月 英特尔与美光合作研发 NAND Flash 芯片, 并凭借计算机 服务器等终端优势, 加强对存储器的研发,2015 年其在该领域的市场占有率约为 7.8% 表 2 NAND 原厂重点产能布局情况 原厂 生产线 主流生产工艺 计划量产时间 Fab 12 16nm 三星 Fab 16 16nm 西安厂 3D V-NAND 平泽厂 10nm/3D V-NAND 2017 年 Fab 4 19nm 东芝 / 闪迪 Fab 5 15nm Fab 5 二期 15nm 2015 年 Fab 2 3D NAND 2016 年 MTV 20nm 美光 IMFT 16nm IMFS 16nm F10x 3D NAND 2016 年 q4 20

23 本期主题 : 存储器产业洞察分析 SK 海力士 M11 16nm/3D NAND 2016 年 Q1 M12 16nm/3D NAND 2016 年 Q1 M14 3D NAND 2016 年 Q3 新厂 NAND 2019 年 数据来源 : 中国闪存市场网, 赛迪智库整理 NAND 原厂及系统厂商开始争夺主控市场 相比于存储芯片, 控制芯片具有更强的设计灵活性和定制性, 因此市场机会也相对较大, 但竞争相当激烈 一方面 NAND 制造厂除了采购控制芯片外, 为确保供货充足 降低成本, 大多都想自己生产控制芯片, 例如 SK 海力士收购银灿的 emmc 团队, 东芝入股专门做 emmc 的金士顿电子 KSI 收购 OCZ 等均加大了对控制芯片的投入 另一方面很多应用产品企业也希望推出自己的主控, 例如希捷从 LSI 处购得 SandForce, 华为自研 SSD 控制器等等 预计 年通过兼并重组等方式将会出现几个巨头, 使控制芯片格局趋于稳定 2 emmc 应用向消费电子产品延伸, 面临 UFS 和 NVMe 标准新品挑战 emmc(embedded Multi Media Card) 是在 MMC 基础上集成了 NAND 控制芯片和接口电路, 从而将 MMC 接口 Flash 控制芯片三者封装 在一块芯片中 该结构与之前的分立元件相比, 降低了功耗, 节省了空间, 容量及速度都得到提升 同时,eMMC 通过标准接口简化了手机存储器的设计, 加速产品研发速度, 因此在智能手机及平板电脑的市场中被大量使用, 几乎成为标配, 并且其应用领域逐步向电视 机顶盒等其他产品的延伸 emmc 市场的竞争焦点在于 TLC 大容量存储 三星电子始终占据市场主导地位, 而 SK 海力士 闪迪以及东芝这些企业都不断开发产品争夺市场 尤其是控制芯片市场, 除了 Marvell 中国台湾的群联 慧荣和智微科技等独立控制芯片厂商外, 还有 SK 海力士买下银灿的 emmc 团队要自制控制芯片, 以及东芝入股由金士顿和群联合资专门做 emmc 的金士顿电子 KSI 等等 UFS 和 NVMe 规格开始发起挑战 智能手机中除了 emmc 规格闪存外, 近几年又出现了两种具备较强 21

24 专业就是实力精准就是品牌 竞争力的规格 :UFS(Universal Flash Storage, 通用闪存存储 ) 和 NVMe(Non-Volatile Memory E x p r e s s, 非易失性存储器标准 ) UFS 由于采用全双工通信和并行作业模式, 使得其主要在速率上优于 emmc, 例如 UFS2.0 速率为 1400M/S, 约是 emmc5.0 的 3 倍 此外, 在功耗方面 UFS 2.0 则与 emmc 基本持平 2015 年三星 Galaxy S6 手机上采用的就是 UFS 2.0 规范的闪存 NVMe 标准则是 2007 年 Intel 召集三星 美光 戴尔 Marvell EMC IDT 等主要存储厂商, 为缩小存储系统和内存带宽之间的差距, 针对下一代存储设备而建立的存储规范标准 目前多用在企业级 SSD 设备上, 而苹果在最新的 iphone 6s 手机也开始采用这一标准 UFS 和 NVMe 有其性能优势, 但 emmc 凭借成熟的工艺和较低的成本, 目前仍占据更大的应用规模,2016 年三套标准将定位在不同的应用领域中继续竞争 3 S S D 加速替换 H D D 市场, NAND 原厂技术竞争助推产品升级 SSD 消费市场的增长主要来自于笔记本电脑 供应商包括三星 电子 SK 海力士 东芝 / 闪迪 美光等 NAND 大厂和金士顿 江波龙等存储器模组厂, 以及 Marvell Microsemi(PMC-Sierra) 希捷 (SandForce) 群联 慧荣等几大独立控制芯片企业 SSD 企业市场的成长动力来自于数据中心与服务器 SSD 企业市场的主导权在 NAND 原厂或者系统厂商, 独立 SSD 控制芯片没有生存空间 三星和 Intel 是 SSD 领域的两大龙头, 三星称霸消费级市场, 同步兼顾企业级 SSD 市场, 而 Intel 则领军企业级 SSD 市场 三星最早将 TLC 应用到 SSD 中, 产品得到了市场的广泛认可, 之后东芝 美光 闪迪 江波龙 威刚 金泰克等也陆续推出 TLC SSD, 目前该技术应用市场已日趋成熟 三星也是最早将 3D NAND 技术实用化的公司, 其应用 32 层堆叠 V-NAND 技术及 MLC 结构提供了 86Gb 产品, 而 TLC 结构则提供 128Gb 容量 S K 海力士在 S S D 市场表现出色, 并计划在 2016 年 4 月开始量产 48 层的 3D NAND 最新市场报道称, SK 海力士还计划花费 125 亿美元再盖一座新 NAND 存储器工厂, 若新厂 22

25 本期主题 : 存储器产业洞察分析 全部投入生产, 将使海力士现有产能翻倍 美光与英特尔合作成立合资半导体制造公司 IMFT 为双方生产 NAND 芯片 多年来 IMFT 不断提高工艺水平, 从 74nm 一直升级到了现在的 20nm, 推动了整个 NAND 产业的发展 在 20nm 之后美光和英特尔分别开发了不同的技术, 美光开发了 16nm 的 NAND, 而英特尔推出了 3D NAND 技术 3D XPoint 虽然英特尔与美光联合宣布了 IMFT 生产 3D NAND 的消息, 但英特尔同时也保留了自己生产 3D NAND 的权利 英特尔利用 3D XPoint 技术可以大幅度提升固态硬盘容量 IMFT 在 2015 年下半年开发的基于 3D NAND 的 SSD 产品中的 3D NAND 具有 32 层堆叠, 每颗 MLC 结构颗粒可提供 256Gb(32GB) TLC 则提供 384Gb (48GB) 的容量 此前, 英特尔的标准 2.5 英寸固态硬盘最大容量为 4T, 采用 3D NAND 芯片后最高容量可以达到 10TB ( 三 ) 产品技术趋势 1 大容量/ 低成本 / 小尺寸的芯片需求推动制造技术从 16nm 后全面转向 3D 和 TLC 目前 NAND 工艺技术主要有两大发展趋势 一是制程尺寸缩小速度加快 NAND 工艺已经迈入 1z 纳米阶段, 三星 东芝 海力士等企业的 16nm 工艺制程均已全面量产, 在 2015 年转入 1z 纳米制程, 三星 东芝 海力士 美光的工艺制程分别为 14nm 12nm 13nm 和 15nm 二是向三维结构发展的趋势 业界普遍认为工艺制程进入 14nm 以后, 技术难度成倍增加, 获得的规模成本效益减少, 因此 3D NAND 技术快速发展,2015 年各大厂商纷纷布局 3D 技术, 相关的封装技术也配套发展 2017 年预计 3D 出货量将占 NAND 总出货量 65% 23

26 专业就是实力精准就是品牌 表 3 重点 NAND 企业技术路线 企业 2014 年 2D (1y) 2015 年 2D (1z) 2015 年 3D 技术水平 三星 16nm 14nm 32/24nm CTF( 电荷撷取 Flash) 东芝 / 闪迪 16nm 12nm 28nm 海力士 16nm 13nm 32nm p-bics( 管道成形位元可变成本 ) VSAT( 垂直堆叠阵列 Flash) 美光 / 英特尔 16nm 15nm 32nm HKMG( 高介电金属栅极 ) 数据来源 : 赛迪智库整理 此外, 大存储应用需求的扩大推动手机 emmc 从 MLC 向 TLC 演进 NAND 颗粒的存储单元分为 SLC MLC TLC 三种结构, 由于性能 生产成本及技术成熟度不同分别用于不同产品 但随着技术的发展,MLC TLC 的综合性能优势越来越明显 以在 12 寸硅片上制作 64GB NAND 芯片为例, 如果采用 1x nm MLC 可切割 600 片, 采用 1y nm MLC 可切割 750 片, 而 1y nm TLC 可切 1000 片 这意味着存储器厂商即使不增加新的产能和新的投片, 仅通过技术改变, 便会使整个市场的产出增加 30% 以上 目前 TLC 正在取代 MLC 成为闪存颗粒的主流 但受限于产能及应用条件, 预计在一段时期内 各家的 NAND 产品都将采用 MLC 和 TLC 两种模式相互切换 2 UFS2.0 等技术有望成为移动智能终端主流接口虽然 2015 年以来 emmc5.0 和 emmc5.1 标准规格仍为主流并占据大部分市场, 但更为先进的 UFS2.0 规格有望成为未来的趋势 早在 2014 年三星 东芝就开始生产 UFS 2.0 产品,2015 年 SK 海力士 美光也开始跟进 UFS 2.0 产品 近期三星 小米等手机厂商也陆续在最新推出的高端机型中采用了这一技术 三星在 3 月份的最新报道中宣布已经可以量产基于 UFS2.0 标准的 256G 闪存, 并将很快提上应用产品日程 预计 2016 年更多的主流旗舰 24

27 本期主题 : 存储器产业洞察分析 机型将采用 UFS 2.0 规格, 其市场份额将进一步扩大 3 NVRAM 将取代 DRAM 广泛应用于数据中心 N V R A M 主要用在 D R A M 和 S S D 存储介质之间作为新的缓存, 这将对现有存储架构造成较大的影响 N V R A M 存储模块, 主要包括 PCIe NVRAM 和 NVDIMM 两种 PCIe NVRAM 占用 PC 主板 PCIe 插槽, 延迟小于 10μs, 无需额外开发 BIOS; NVDIMM 则占用主板内存插槽, 延迟小于 0.01μs, 需要 BIOS 支持 英特尔最新推出的 3D XPoint 存储技术, 正是弥补了当前存储空档, 既可以作为 NVRAM 使用, 也可以作为 SSD 使用, 因而引起了业界的高度关注 英特尔计划一方面通过 3D XPoint 技术的 NVDIMM 场景取代 DRAM 市场, 另一方面作为 SSD 硬盘取代传统 SAS 和 SATA 硬盘 3D XPoint 预计优先在服务器 数据中心等高端企业级市场应用, 最终走向消费级市场的普及 目前发展关键是需要快速扩大量产规模和量产速度以形成优势, 并且需要软件生态的支撑, 但由于软件生态的演进 滞后于硬件技术的发展, 预计 3D XPoint 短期不会在存储产业生态中产生大变革 与英特尔和美光的 3D XPoint 形成有力竞争的是三星的 NVDIMM 产品 年底, 三星宣布与 Netlist 合作利用开放标准, 采用 NVDIMM-P 方案, 构建运行在内存通道之上的存储级内存产品 该产品将采用三星的 DRAM 与 NAND, 同时配合 Netlist 方面的 HyperVault 技术 HyperVault 是业内首个统一的内存存储架构, 其低成本, 高密度 NAND 存储能够实现高成本, 高速度 DRAM 内存的性能 它扩展了 NAND 的功能以便其无需更改系统软件就能实现近 DRAM 性能和 DDR4 兼容性 两项技术的整合将有望提供一种低成本 高性能的存储解决方案 预计标准化产品界将在 2016 年内实现, 其目标应用包括大数据分析 虚拟化 内存内数据库 在线交易处理以及高性能数据库等 4 SAS/SATA 硬盘接口将被 NVMe PCIe 逐步代替硬盘一直是阻碍服务器性能大幅提升的关键部件 此前服务器使 25

28 专业就是实力精准就是品牌 用 SATA SSD 替代传统机械硬盘, 虽然业务性能有较明显的提升, 但仍无法充分利用 CPU 内存等资源 造成硬盘存储时延迟的三大因素分别是存储介质本身 控制器以及接口标准 关于存储介质, 设计企业正在不断改进,Intel 的 3D XPoint 结构就旨在解决 NAND 与 DRAM 之间延迟水平与成本差异 关于控制器, 除了三星 英特尔等 NAND 原厂以及 Marvell 慧荣等专业厂商外, 华为等整机厂也已开始设计自己的控制芯片 关于接口, 相比于 SATA SAS 等,PCIe 主控与 CPU 直接相连, 而不是通过南桥控制器中转后再连接 CPU, 具有更小延迟, 因此业界 认为未来采用 PCIe 存储接口可使服务器的整体性能有进一步的提高 NVMe 标准的 PCIe 接口具有明显技术优势 NVMe 标准接口的优势在于一是精简了调用方式, 具备更低的延时 ; 二是提高了 S S D 的每秒读写次数, 具备更高的传输性能 ; 三是加入自动功耗状态切换和动态能耗管理功能, 具备更低的功耗控制 目前主流的 SATA3 接口速度是 600MB/s, 而 PCIe 的速度有望达到 1GB/s 英特尔曾宣布自 2015 年起将致力于推动在数据中心领域, 以 NVMe PCIe SSD 取代 SAS SSD 和 SATA SSD 表 4 SSD 接口最高传输带宽比较 接口类型 SATA 2 SATA 3 PCIe Gen3 x1 PCIe Gen3 x2 PCIe Gen3 x3 最高传输带宽 300MB/s 600MB/s 500MB/s 1GB/s 1GB/s 数据来源 : 中国闪存市场网, 赛迪智库整理 26

29 本期主题 : 存储器产业洞察分析 六 新型存储器技术发展趋势随着大数据时代的到来, 数据的快速增长和以数据为中心的发展趋势, 对内存的速度 容量 功耗和可靠性提出了极高的要求 现有的存储器工艺尺寸已经接近极限, 电子的微观特性越来越明显, 加上器件本身的物理特性产生的功耗和发热等制约因素, 传统的存储器结构在系统稳定性 数据可靠性等问题上面临困境, 出现了新材料 新结构的新兴存储器技术 具有代表性的新兴存储器的有 PRAM( 相变存储器 ) RRAM( 阻变存储器 ) MRAM( 磁阻存储器 ) FeRAM( 铁电存储器 ) STT-RAM( 自旋转移矩磁存储器 ) 等 ( 一 ) 相变存储器 PRAM 1 具有高密度 低延迟 非易失性等特征 PRAM(Phase-change RAM) 使用硫化物 硫化合金等材料的相变特性来实现储存, 利用电流的焦耳热作用下使材料在晶态和非晶态之间的转变, 材料的晶相变化必然导致不同的电阻特性和光学特性, 以此来储存 0 和 1 信息 PRAM 替代 DRAM 作为计算机内存 PRAM 具有 DRAM 不具备的非易失性, 可以在断电时保存数据, 同时在工艺制程 存储密度高和静态功耗方面具有一定的优势 但它在某些方面仍存在不足, 如 PRAM 写延迟约为 DRAM 的 10 倍, 同时由于 PRAM 写操作需要密集的电流注入, 带来较大的写功耗, 而且由于电流注入时存在热应力等问题, 导致存储单元也只能承受上百万次写操作 不可否认, 作为下一代存储器技术的 PRAM 在低功耗 覆写和耐写能力 更少的占位面积 较快的读写速度 可微缩性等方面颇具吸引力 但是系统设计人员要想使用 PRAM 进行存储, 必须在缓存设计 存储器控制以及 OS 等方面进行改变 同时, 高质量相变材料的制备以及使材料发生相变所需的大电流是限制 PRAM 商用化的主要原因 2 3D XPoint 技术中采用, 专利被英特尔 美光等公司掌握在市场方面, 英特尔 美光 三星 IBM 等多家知名半导体企业投入巨资研发 PRAM 技术 目前, 英特尔和美光掌握了最先进的 PRAM 制 27

30 专业就是实力精准就是品牌 造技术 其中, 三星于 2009 年量产了制程为 60nm 容量为 512Mb 的 PRAM 芯片, 并应用在手机存储卡中 ; 同时于 2011 年推出了 20nm 工艺的 8Gb 相变内存颗粒 2012 年 7 月, 美光推出了 45nm 制程 1Gb 容量 LPDDR2 接口的 PRAM 芯片, 主要面向移动设备领域 2015 年, 英特尔和美光联合推出了采用了 PRAM 的 3D XPoint 技术, 既可以作为 DRAM 内存使用, 也可替代 NAND, 而且成本介于两者之间, 具有 10 倍于 DRAM 的容量,1000 倍于 NAND 的性能和寿命, 在业界产生了巨大的轰动 由于工艺条件方面的限制, 国内对 PRAM 研究落后于国外 主要有中国科学院上海微系统与信息技术研究所 华中科技大学 中芯国际 北京时代全芯科技等机构对 PRAM 技术开展了研究 中国科学院上海微系统与信息技术研究所于 2001 年 4 月推出了中国第一款具有自主知识产权的 PRAM 芯片 2011 年 9 月, 北京时代全芯科技公司推出了容量 256Mb 接口为 LPDDR2 的 PRAM 芯片, 成为了我国第一家生产高密度相片存储器芯片的公司 2014 年 3 月, 北京时代全芯科技公司与 I B M 签订技术合作协议, 在 PRAM 芯片生产领域开展合作, 并在宁波建设我国首个拥有自主知识产权的存储芯片产业化项目, 投资金额为 47.5 亿美元 ( 二 ) 阻变存储器 RRAM 1 具有工艺兼容性好 擦写速度快 存储密度高等优势 RRAM 利用某些薄膜材料在外加电场的作用下表现出的不同电阻态实现数据存储, 是近十多年来受到学术界和工业界广泛关注的一种新型非易失性存储器 RRAM 的存储速度可与 SRAM 匹敌, 而成本与 NAND 相近 RRAM 主要有以下几方面优点 : (1) 与现有的 CMOS 工艺兼容, 可通过建设 气相沉积等常规的薄膜工艺制备, 使厂商在不改变工艺线的前提下进行阻变存储器的制造, 大大降低了成本 ;(2) 操作电压相对较低, 主流 RRAM 的操作电压普遍低于 5V, 有效的降低了大规模集成应用的功耗和设计成本 ;(3) 擦写速度快,RRAM 触发电阻转变的脉宽小于 100 纳秒, 使数据擦写速度远高于 Flash 存储器 ;(4) 存储 28

31 本期主题 : 存储器产业洞察分析 密度高,RRAM 电阻发生变化的区域很小, 约几个纳米, 因此存储单元可以很小 同时,RRAM 采用高低阻态进行信息存储, 相邻器件之间不易产生串扰 2 海外初创公司掌握先进 RRAM 技术作为最有可能替代 NAND Flash 的新型存储器 RRAM( 电阻存储器 ), 三星 闪迪等公司都投入巨资研发, 但走在最前列的是一家美国硅谷的创业公司 Crossbar 该公司在 2010 年成立, 但其 RRAM 芯片已经可以量产, 最新产品采用 16 层芯片堆叠, 容量达 1TB 同时,Crossbar 宣称该技术可以将尺寸缩减到 5nm 美光和索尼多年来一直在联合研发 RRAM, 但进展缓慢 ( 三 ) 磁阻存储器 MRAM 1 具有高速度 高密度 低延迟等特征 MRAM 存储器采用磁性隧道结, 由上下两层磁性材料 ( 如钴铁合金 ) 和中间隧道栅层 ( 如氧化镁 ) 构成 通过磁场调控上下磁性层的磁化方向, 当两层磁场方向平行时, 存储单元呈现低电阻, 当磁场 方向相反时, 则呈现出高电阻, 根据磁致电阻的大小存储数据 由于磁阻不随时间变化, 因此 MRAM 是非易失性随机存储器 MRAM 在性能上具有接近 SRAM 的高速读写能力, 以及 Flash 非易失性的特性, 在 Cell 面积上也和 DRAM 比例相近, 而重复读写次数和 DRAM SRAM 相同, 操作电压也近似, 可说是集各种记忆体优点于一体的产品 MRAM 技术目前还存在着一些困难, 一是对 MRAM 进行写入操作时, MRAM 写入数据的速度 延迟和功耗都会增加 二是由于磁性材料的原因,MRAM 在进行写入和擦除操作时, 不同存储单元存在磁场干扰问题, 器件小型化后这一问题将更加严重 MRAM 的高低阻态之比太小, 尤其是当读取电压降低时更加明显, 阻碍其大规模使用的进程 2 可能作为未来替代 SRAM DRAM 的潜力产品 Intel 公司对 MRAM 的研究主要集中在 PC 领域, 在 LLC 电路中用作缓存 ; 高通及 TSMC 合作研究适用于移动便携设备的 MRAM; 而 IBM 希捷研究的 MRAM 则针对 HDD 缓存加速 29

32 专业就是实力精准就是品牌 方面 另外还有 SK 海力士 东芝 三星和美光也正在积极进行研发 但是, 目前市场上主要的 MRAM 晶片的厂商是 Everspin Technologies, 产品最大的存储容量为 64Mb, 而 128Mb 甚至 1Gb 的 MRAM 可能会在未来两年内问世, 其中 1Gb 产品将可望让 MARM 进军消费性应用 ( 四 ) 主要结论 PRAM 是研发时间最早 距离市场最近的新型存储器, 已经有小容量的产品面世, 但由于其材料工艺特殊 容量小 功耗等问题, 且专利被英特尔 美光垄断, 业内普遍 着 3D XPoint 的推出又重新被产业界重视, 为其未来发展注入了活力 RRAM 则具有高速 低功耗和与现有产业工艺兼容等特点, 其易于三维集成的优点符合当今存储器 3D 化的发展趋势, 可能会在未来 5 年内通过 3D 化以增大容量 MRAM 虽然被认为是电子设备中的理想存储器, 但较高的位干扰率和较低的集成密度仍是 MRAM 技术发展的主要障碍, 预计需要 5 年左右的时间才能达到技术成熟期 下表从工艺制程 读写速度 功耗及技术瓶颈等方面对比了各个存储技术的特点 认为 PRAM 是一个过时的技术 但随 表 5 新兴存储器与 DRAM 和 NAND Flash 的性能比较 NAND 类型 DRAM -Flash PRAM RRAM MRAM FeRAM 容量级别 16Gb 1Tb 8Gb 1TB 64Mb 64MB 器件尺寸 6F 2 5F 2 4.8F 2 4F 2 20F 2 22F 2 读 / 写操作 <10ns/ 1ms/ 10ns/ 10ns/ 2ns/ 20ns/ 时间 <10ns 0.1ms 20ns 10ns 5ns 5ns 循环次数 >10 15 > > 保持时间 刷新 10 年 >10 年 10 年 >10 年 10 年 易失性 易失 非易失 非易失 非易失 非易失 非易失 三维存储潜力 无 无 有 有 无 困难 多值存储潜力 无 有 有 有 无 困难 30

33 本期主题 : 存储器产业洞察分析 技术瓶颈 需刷新 易失, 作为内存工艺制程有限 寿命 / 性能有限, 存储密度较低 容量较小, 材料可操作温度范围较窄 材料缓存储机理尚不明确 容量小, 写功耗较大, 稳定性差 容量小, 具有读破坏性, 存储密度较低 应用范围 应用于 3D XPoint, 可能取代 NAND 未来可能取代 NAND 小容量和嵌入式产品, 应用在航空 军工领域 抗辐射的医疗设备 数据来源 : 赛迪智库整理 从产业发展角度来看, 新兴存储器也是我国实现超越的潜在机会点, 行业后来者只有利用产业发展拐点, 才能有效占据市场份额, 打破寡头垄断的存储器产业格局 我国应抓住新兴存储器的发展机遇, 加强核心技术研发, 作为我国发展存储器产业的重要切入点 七 存储器知识产权分析存储器产品在生产制造过程中经历不同的环节, 每个环节都需要相应的 IP 作为支撑 根据存储器制造流程将 IP 分为两个阶段, 分别为存储芯片技术 IP 和定制存储器产品技术 IP (1) 存储器芯片技术 IP, 包括四个部分, 分别为基本存 储单元中涉及的运算 结构和工艺制程 IP, 设计存储器阵列的结构组织和运算方式 IP, 存储器电路组成 IP, 以及总体芯片架构 IP (2) 特殊定制的存储器产品技术, 包括实现特殊功能的存储器系统设计 IP 接口设计和软件实现 IP 存储器封装 IP 以及最终的存储器产品 IP 在不同的环节由于约束能力强弱不同,IP 所处的重要性也不同 其中在存储器芯片技术环节, 基本存储单元中涉及的 IP 属于原理性 IP, 处于最重要的地位 ; 在特殊定制存储器产品技术环节, 实现特殊功能的存储器系统设计 IP 处于相对重要的地位 31

34 专业就是实力精准就是品牌 图 16 存储器 IP 产业链关系图 数据来源 : 赛迪智库整理 ( 一 )DRAM 存储器 IP 1 存储巨头掌握大量基本存储单元的原理性 IP DRAM 技术经历了快速的更新换代过程 早期的 DRAM 是异步式的, 如英特尔推出的第一款 DRAM 芯片 Intel 年代中期, 美光发明了扩展数据输出内存 (EDO DRAM) 技术 随着三星推出同步式动态随机存储器 (SDRAM), 逐渐占据了 DRAM 存储器市场的主要地位, 因此三星掌握着 DRAM 领域大量原理性 IP 和设计 IP 2 DRAM 存储器专利主要集中在日 美 韩三国 DRAM 技术经过近几十年的发展, 技术趋于成熟, 截止 2015 年全球专利申请量为 件, 主要集中在日本 美国和韩国 早期美国 Fairchild 将 DRAM 授权给日本 NEC 公司, 后来 NEC 将专利分享给三菱 东芝 日立和京都电器, 使得日本掌握了大量器件结构和制造工艺专利 美国 DRAM 数量占比为 26.7%, 主要有美光 T I I B M 等公司申请 90 年代美国 IT 将 DRAM 专利授权 32

35 本期主题 : 存储器产业洞察分析 给韩国现代, 美光将专利授权给三 星, 使得韩国存储器产业快速发 展, 专利积累量全球排名第三位 目前三星和美光处于专利布局的领 先地位, 不仅拥有大量核心的有效 专利, 而且被引用的次数较多 图 17 全球 DRAM 存储器专利区域分布 数据来源 : 赛迪智库整理 图 18 DRAM 存储器专利申请企业排名 数据来源 : 赛迪智库整理 33

36 专业就是实力精准就是品牌 3 国内机会国内发展 DRAM 存储器基础薄弱, 工艺技术来源可以采取多种方式, 一方面购买国外已经在公开销售的 DRAM IP, 如原奇梦达破产后 IP, 在此基础上进行二次开发, 逐渐缩小技术差距 ; 另一方面寻求与国际主流企业的合作, 如芯成半导体 ISSI 中国台湾的晶豪 ESMT 钰创 Etron 茂德 ProMOS 力积 Zentel 等, 采取参股 技术授权 并购等方式, 获得部分基础 IP ( 二 )Flash 存储器 IP 1 Flash 专利交叉授权关系复杂在 NOR Flash 领域, 英特尔拥有很多基本结构 接口设计和编译器等 IP, 如 NOR 存储器 read-whilewrite( 读同时写 ) 结构设计 IP 涉 及基本原理, 在进行功能和架构设计时几乎无法绕过, 使得其他公司在生产 NOR Flash 时都需要得到英特尔的专利交叉授权 早期英特尔将 NOR IP 和 AMD 之间实现交叉授权, 随后分别授权给美光公司和日本夏普公司 NAND Flash 由日本东芝公司发明, 因此东芝定义了 NAND 闪存的标准接口, 随后东芝将 NAND 技术授权给韩国三星公司, 使得三星后来居上, 逐渐在 NAND 闪存领域占据主导地位 NAND 领域产品更加标准化,IP 授权关系更为复杂 早期各大 NAND 企业之间都存在技术交叉授权, 东芝 三星 闪迪 索尼 夏普等公司在 NAND 基本存储单元 系统架构等方面都存在授权关系 图 19 Flash 存储器各大企业部分 IP 授权关系图 数据来源 : 赛迪智库整理 34

37 本期主题 : 存储器产业洞察分析 2 3D NAND 大量基础核心专利由东芝和三星掌握随着工艺制程的逐渐缩小, 3D NAND 技术逐渐受到关注, 专利申请量也呈现增长态势 3D NAND 技术专利主要分布在三个方面, 一是半导体结构及其制造方法, 包括浮栅层 沟道 通孔 制造工艺 整体架构等内容, 申请量占全部申请量的 77% 左右, 大量的核心专利主要由东芝和三星掌握, 其中东芝 的 BiCS p-bics 架构, 以及三星的 V-NAND VG-NAND 架构, 已经成为 3D NAND 的主流架构 二是操作方法专利, 包括编程方法 擦除方法和管理方法等, 申请量占 17%, 闪迪的专利主要集中在这个方面 三是外围电路专利, 包括字线控制电路 位线控制电路的改进等, 申请量较少, 占全部申请量的 6%, 主要申请人包括海力士 美光 旺宏等公司 图 20 3D NAND Flash 专利申请企业排名 数据来源 : 赛迪智库整理 3 国内机会我国应抓住 3D NAND 发展机遇, 提升 NAND 颗粒设计能力 一是加强 NAND 存储器自主核心技术研发, 鼓励企业与高校研究所开展合作, 掌握核心知识产权 ; 二是与日本 欧美以及 中国台湾地区等存储器大企业合作或获得其专利技术授权, 在其基础上自行向下开发工艺技术 ; 三是伺机收购或入股海外具有 NAND 专利的中小企业, 如韩国 ATO Solution 等, 获得设计方面的基础 IP 35

38 专业就是实力精准就是品牌 八 我国发展存储器面临的机遇与挑战 ( 一 ) 发展机遇 1 国家政策和产业基金为存储器产业发展营造良好环境近年来, 国家科技重大专项持续实施, 推动集成电路核心技术实现突破, 同时发布一系列重大政策促进产业发展 2014 年 国家集成电路产业发展推进纲要 出台, 为产业发展指明方向, 并特别指出要发展新型存储等关键芯片产业 随后发布的 互联网 + 行动计划中, 也提出到 2018 年要在高性能计算 海量存储系统等领域取得重大突破 另外, 国家产业投资基金和各地区的地方基金也把存储器作为重点投资对象, 其中湖北省特别设立 300 亿元规模的集成电路产业投资基金, 并联合多家投资机构投资 240 亿美元在武汉打造存储器基地 政策支持及基金设立将缓解我国存储器长期投资不足的难题, 形成良好的产业发展环境 2 技术拐点出现为存储器产业发展提供赶超机会存储器技术经过多年的发展, DRAM 存储器国际主流工艺制程进 入 2x nm,nand Flash 进入 1y nm, 特征尺寸的缩小面临发展瓶颈 如 NAND Flash 领域, 东芝 15nm 技术已经实现量产, 预计平面工艺很难实现进一步缩小, 各大厂家纷纷转而研究 3D NAND 技术, 该技术采用较为成熟的 30nm 工艺和 3D 技术, 目前除三星技术较为成熟以外, 其他企业仍在研发阶段, 为我国快速进入存储器领域并缩小与国际先进水平的差距提供机会 另一方面, 随着新材料 新结构的出现, 新型存储技术不断涌现, 如相变存储器 阻变存储器 磁存储器等, 这些新型技术均未实现成熟应用, 国内部分大学和研究所已经实现相关技术储备, 可以成为我国发展存储器的重要技术切入点 ( 二 ) 面临挑战 1 关于先进技术获取问题一是存储器生产技术属于最高精尖技术之一, 对生产设备依赖度较高, 但我国依然受瓦森纳协议的限制, 无法获得最先进的半导体设备 二是存储器生产技术经过多年发展演变, 核心技术主要掌握在韩国三星 海力士 美国美光 日本东芝等个别企业手中, 后进入者可 36

39 本期主题 : 存储器产业洞察分析 能需要突破严密技术专利壁垒 特别是存储器技术开发也呈结盟发展态势, 企业之间通过组建联盟共同开发先进技术, 以保持技术领先优势, 并排挤联盟外的企业 三是纯粹依赖技术授权或合作已被证明行不通, 产业发展必须依靠自主核心技术 中国台湾地区虽在存储器领域投资近 9700 亿台币, 解决资金问题, 但由于技术过于依赖与日本 美国和欧洲企业的合作, 缺乏自主核心技术, 在技术快速演进中, 未能及时跟进, 加上巨额授权费等, 企业亏损巨大, 多被迫转型或破产 2 关于人才队伍建设问题存储器产业的发展离不开一支优秀的人才队伍 一是领军人才 存储器需要持续高投入并时常遭遇低谷, 需要领军人物对投资时点和技术路线能果断 准确的判断, 三星能够快速崛起并超越日本的企业离不开三星李秉喆与李健熙等优秀掌舵者, 因冒险精神出名的美光的前掌舵人史蒂夫 阿普尔顿就曾表达过坚持发展存储器业务是一件需要胆量的事情 这也是我国半导体领域一直所欠缺的 二是经验丰富人才队伍 存储器产品单一, 核心 竞争力即为将存储器线宽和集成度做到极致, 需要一批有足够耐心 执着, 并且有多年经验积累的产线工人和技术人员 我国在存储器领域投资中断, 使得人才梯队存在断层, 这方面人才与韩 美 日等国家略有差距 三是人才吸引问题 存储器技术是最高精尖技术之一, 需要最优秀的人才投入, 但由于我国集成电路企业竞争力不足, 未能给优秀人才提供相应薪资, 加上部分城市生活成本增大, 人员生存压力较大, 流动性增大 九 发展我国存储器产业的措施建议我国存储器产业虽然有所积累, 但是总体发展处于起步阶段, 在主流的 DRAM Flash 存储器领域布局明显缺失, 力量分散, 急需根据两类存储器产品的不同特点制定发展战略, 加大资金投入, 推动产业链各环节协同创新, 实现存储器领域的重点突破 ( 一 ) 合理规划和统筹布局, 长期持续大投入存储器产业发展需要巨额投资, 这离不开政府支持 一是对发展存储器的战略意义和存储器行业 37

40 专业就是实力精准就是品牌 高投入 持续投入等特征有深刻认识, 坚定发展信心, 并且对存储器亏损保持一定容忍度 ; 二是制定合理发展规划, 深刻认识我国与国外先进水平的差距, 近期以实现自主可控为目标, 跟进发展, 远期图谋跨越 ; 三是统筹发展布局, 重点支持 1-2 家骨干存储器企业, 吸收产业链上下游企业和科研院所参与, 发展存储器及控制芯片技术等, 推动创新要素集聚 商业模式创新 产业链互动以及优势资源共享 ; 四是充分发挥国家集成电路产业发展基金的作用, 与金融机构和地方资本协同解决存储器融资问题 ( 二 ) 抓住机遇, 以移动智能终端和服务器为切入点我国作为存储器的消费大国, 存在巨大的市场空间 一是瞄准移动智能终端和服务器市场对存储器的巨大需求, 如在 DRAM 方面, 服务器中使用的 DDR4 和智能手机中使用的 LPDDR4 产品, 同时提前布局 DDR5; 在 Flash 方面, 服务器中使用的 SSD 和智能手机中使用的 emmc 产品, 大力扶持相关国内企业如兆易创新 武汉新芯 紫光集团等提高技术水平和研发能力, 增强产 品在国内市场的占有率, 并逐步提高全球市场竞争力 二是重视存储器控制芯片, 由于控制器芯片中涉及纠错算法和磨损平衡算法, 同时和闪存芯片的安全息息相关, 国内应该重视存储器控制芯片的设计和制造 目前国内有华为 联想 国科微电子等企业涉及存储器控制芯片设计领域 建议 NAND 颗粒企业与存储器控制芯片企业合作或联合研发, 开发存储器控制芯片 三是发力信息安全领域, 以自主可替代引导市场, 在国家专控市场和独立应用领域, 为国内的存储器企业发展创造市场空间 如在党政军信息系统和设备采购中, 对国产存储器产品提出明确要求 四是发挥大国大市场的优势, 在国际市场中要求话语权或定价权, 间接要求国外整机厂商采购中国产品或将产品交由我国企业代工, 解决国产存储器的市场问题 ( 三 ) 通过全球合作和自主创新, 解决技术门槛存储器产业的发展依靠缩小制程, 但是随着线宽进入 1z nm 世代, 即将达到摩尔定律的极限, 新结构 新材料和新工艺的出现使得线 38

41 本期主题 : 存储器产业洞察分析 宽不再是制约存储器发展的最关键因素, 我国将迎来发展的好时机 一是抓住 3D NAND 发展机遇, 通过国际并购 入股或技术授权的方式, 获得国际先进技术, 快速提升 NAND 颗粒设计能力 二是坚持自主创新, 依托政产学研生态体系, 通过自主创新突破核心技术, 将大力发展自主知识产权的技术体系作为长远发展战略 三是坚持开放式发展策略, 充分利用全球的技术 资金 人才 市场等资源, 通过海外并购的方式, 获取先进技术和核心专利, 快速突破存储器技术瓶颈 ( 四 ) 完善人才机制, 建设人才梯队存储器产业乃至整个集成电路产业的发展, 都需要全方位构建新 时期的人才梯队 一是注重对存储器一线技术工人的培养, 加强操作技术的准确性和一致性, 并为其提供长期的培训进修机会 二是依托国家重大人才工程, 完善人才特聘专家制度, 创造良好的发展环境, 吸引更多华人工程师和管理团队回国发展, 实现常态化的人才引进渠道 三是探索高校 企业共建的订单式集成电路产业人才培养机制, 培养务实 有实干精神, 有国际化视野的有效人才队伍, 为我国存储器发展提供强有力人支撑 四是利用行业变革期的人才流动, 多渠道全方位招募国外专家和团队来华发展, 拓宽人才供应深度和广度 ( 作者 : 葛婕史强朱邵歆张松 ) 39

42 专业就是实力精准就是品牌 国际观察 : 全球重点国家和地区发展存储器产业的经验与借鉴 存储器产业的发展经历了三个阶段和两次大范围的区域转移 从 70 年代美国发明存储器并统治市场 10 余年, 到 80 年代日本半导体产业崛起, 存储器龙头转移至日本, 再到 90 年代韩国崛起, 成为存储器市场的霸主 期间, 存储器产业还经历了日本的衰落 中国台湾的出师未捷和欧洲的昙花一现 如今, 存储器产业寡头瓜分了 9 成以上的市场 :DRAM 产业由韩国的三星 SK 海力士和美国的美光三分天下 ;NAND 产业由三星 美光 东芝 闪迪 海力士五家垄断 研究日本的盛极而衰 韩国的独步青云和中国台湾的苦苦追赶, 对于我国发展存储器产业具有重要的启示和借鉴作用 一 日本 : 盛极而衰 ( 一 ) 替代美国成为存储器市场的霸主上世纪 70 年代, 英特尔是 DRAM 产业的全球霸主 虽然 1966 年由 IBM 首先发明了第一块 DRAM 芯片, 但是 1970 年英特尔公司推出了第一款 1k 的商用 DRAM 芯片 Intel 1103, 成为首个量产 DRAM 的厂商 当时的英特尔率先使用 3 英寸晶圆来取代 2 英寸晶圆来实现 DRAM 生产, 使得其一直保持着领先地位, 几乎占据着存储器芯片 100% 的份额 80 年代, 伴随着本国汽车产业的飞速发展, 日本的 DRAM 产业开始高速发展 日本通过政府支持 人才和技术引进以及本土创新的发展模式, 采取大规模的投资和购买专利授权的手段发展本国存储器产业 其率先开发出了基于 CMOS 工艺的 1M DRAM 芯片, 并依靠其可靠性和低成本的优势, 取代美国成为了 DRAM 的主要供应国, 全球 DRAM 产业一度有 90% 以上的市场份额被日本的 NEC 东芝和日立所垄断 英特尔此时也出现了亏损, 并放弃存储器市场, 转而发展微处理器 自此, 存储器产业被日本企业所垄断 40

43 国际观察 1989 年, 日本在半导体产业发展到极点 日本半导体产业雇佣员工近 20 万名, 附加价值达到 2.8 万亿日元 日本六大半导体巨头攫取了全球 52% 的市场份额, 而美国只占有 35%, 其他国家和地区占据 了 13% 根据 Gartner 的统计数据, 1987 年全球排名前 20 的半导体企业中, 日本企业占据了一半, 前 10 名中日本占据了包括冠 亚 季在内的 5 席 表 年全球半导体企业营业收入排名 排名 企业 营业收入 ( 百万美元 ) 所属国家 1 NEC 半导体 3368 日本 2 东芝半导体 3029 日本 3 日立半导体 2618 日本 4 摩托罗拉半导体 2434 美国 5 德州仪器 2127 美国 6 富士通半导体 1801 日本 7 飞利浦半导体 1602 荷兰 8 国家半导体 1506 美国 9 三菱半导体 1492 日本 10 英特尔 1491 美国 11 松下半导体 1457 日本 12 AMD 986 美国 13 三洋半导体 852 日本 14 SGS-THOMSON 851 法国 - 意大利 15 AT&T 802 美国 16 西门子半导体 657 德国 17 OKI 半导体 651 日本 18 夏普半导体 590 日本 19 索尼半导体 571 日本 20 通用电气 520 美国 数据来源 :Gartner 41

44 专业就是实力精准就是品牌 ( 二 ) 国内经济低迷导致产业地位被取代受本国经济形势的影响, 日本存储器产业的衰落非常迅速 首先是 20 世纪末的亚洲金融危机使得日本的经济严重衰退, 经济基础遭受沉重打击, 以高科技带动经济发展的光景一去不复返 而存储器产业具有需求波动大的特点, 由于需求量大, 其与宏观经济形势关联紧密, 一旦整个经济形势不景气, 存储器作为电子行业 基础原料 的需求会出现巨大波动 1998 年, 受亚洲金融危机的影响,DRAM 供过于求, 同业大幅亏损 1999 年, 日立 NEC 三菱的 DRAM 业务合并成立尔必达公司力图避免亏损 2008 年金融危机后,DRAM 价格从 2006 年 Q4 的 6 美元 / 颗跌到 2009 年 Q1 的 0.6 美元 / 颗, 全球 DRAM 行业出现巨亏, 2012 年, 强强联合 而成的尔必达也难以为继,2012 年被美国美光集团收购 从此, 日本的存储器产业龙头地位被完全取代, 仅剩下东芝在 NAND Flash 市场上孤军奋战 二 韩国 : 双雄并进 ( 一 ) 三星和 SK 海力士成为存储器市场的龙头 三星和 SK 海力士是韩国存储器产业和半导体产业的代名词 2015 年, 三星和 SK 海力士的半导体营业收入分别达到 416 亿美元和 169 亿美元, 合计占据韩国半导体营业收入的 95% 以上 在 DRAM 行业, 三星和 SK 海力士的营业收入占据全球的前两位, 而在 NAND Flash 行业, 三星和 SK 海力士则分列第一和第五位 韩国的全球存储器行业龙头地位是从日本手中夺过来的 韩国的存储器起步比日本要晚, 其发展模式与日本类似, 走的是政府大力支持 引进技术和人才 降低生产成本的道路 韩国在日本经济形势衰退 存储器企业难以为继的形势下大力投资, 利用相似的模式成功取代日本成为全球存储器行业的龙头 1983 年, 致力于成为全球内存芯片龙头企业的三星推出了 64k DRAM, 与国际领先水平相差 4 年, 而 1986 年推出的 1M DRAM 与国际差距缩短至 1 年,1992 年, 三星与美国和日本企业于同一年推出 64M DRAM, 而 1995 年 256M DRAM 的推出则实现了对美国和日本企业的赶超 从此, 三星占据了 DRAM 市场的最大份额 三星和 SK 海力士在

45 本期主题 : 存储器产业洞察分析 年第四季度占据全球 DRAM 市场的 75%, 而在 2015 年第三季度占据 NAND Flash 市场的 42% ( 二 ) 举国体制和 逆周期投资 使韩国存储器产业否极泰来 97 年, 三星在亚洲金融危机中负债率是 366%, 到 99 年仍然有 166% 负债率, 但是最终熬过了金融寒冬, 避免破产命运 从此之后一路高歌猛进, 成为 DRAM 和 NAND Flash 霸主至今 背后的原因离不开举国体制和 逆周期投资 一是韩国政府和国内金融资本对于本国的存储器产业发展提供了巨大帮助 在韩国国有银行的帮助下, 韩国企业以低成本的资金大量建设存储器工厂, 在 DRAM 行业通过低价产品来打击竞争对手 即使是在企业严重亏损的情况下国家依然坚定的支持其发展 据不完全统计,20 世纪初韩国政府给予了三星公司共计 87 亿美元的税收减免 正是这种持续稳定的海量资金支持, 使得韩国企业可以大力引进国外技术和人才, 通过重金购买美国美光集团的技术授权, 高薪聘请国外的存储器人才 二是韩国在 DRAM 风暴 的低 谷中延续大规模投资, 从而在竞争中立于领先地位 DRAM 风暴 指的是 DRAM 市场的周期性兴衰 以三星为代表的韩国企业通过国家资本和国内民间资本的大力支持, 打破传统做法, 在周期低谷时进行 逆周期投资, 从而与缩减投资来止损的竞争对手拉开差距 07 年推广不及预期的微软 Vista 系统使得全球 DRAM 产能过剩, 加之 2008 年金融危机的影响, 全球 DRAM 的价格大跌, 从 2.25 美元跌至 0.31 美元 而采取 逆周期投资 三星则将其 2007 年总利润的 118% 投入 DRAM 的投资扩张中, 使得竞争对手亏损加剧, 最终拖垮了当时行业排名全球前五的欧洲的奇梦达和日本的尔必达 三 中国台湾 : 徒劳无功 ( 一 ) 投入巨资发展存储器产业中国台湾地区原本希望通过巨额投资, 挑战韩国在存储器行业的地位 韩国曾在晶圆厂从 6 英寸转向 8 英寸的世代交替之际, 以 9 座 8 英寸晶圆厂的产能优势, 取代日本跃居全球 DRAM 行业的龙头 而 20 世纪初的中国台湾地区也按照同样的思路, 借晶圆厂从 8 英寸过渡到 12 43

46 专业就是实力精准就是品牌 英寸时, 大力投资建设 12 英寸晶圆厂来取胜 2004 年至 2008 年, 中国台湾地区曾拥有 20 条 12 英寸晶圆生产线, 位列全球第一 从 2001 年到 2010 年, 台湾地区的力晶 茂德 华邦 华亚科 南亚科等五家 DRAM 厂商共投资 9048 亿元 1989 年台湾地区的 PC 厂商宏碁与德州仪器合资成立台湾第一家 DRAM 厂德碁 通过与台湾工研院合作, 中国台湾地区拥有了自主 DRAM 技术 1994 年台积电牵头成立世界先进公司来发展自主研发的 DRAM 技术 ( 二 ) 错失时机和依赖代工使得台湾地区存储器产业未能崛起不同于台湾地区的其他半导体产业, 巨额的投资并未使得存储器产业迅速崛起 2015 年第四季度, 中国台湾地区的 DRAM 产业营业收入只占全球的 5.6%, 远远落后于韩国和美国 在 2009 年的 DRAM 风暴 中, 中国台湾的 DRAM 产业遭受重创而一蹶不振 南亚科和华邦转型为利基型 DRAM, 力晶转为晶圆代工厂, 而茂德转型为 IC 设计公司 其中的原因一方面是市场时机不合适的外部因素, 另一方面也是其过于依赖代工 没有核心技术和国内力 量分散等内部因素 一是台湾地区错过了进入存储器产业的时机 台湾地区进入存储器产业的时间点并非是竞争对手韩国走下坡路的阶段, 竞争对手十分强大 这与当年韩国利用日本企业难以为继来一举超过日本的时候不可同日而语 而且此时市场技术较为成熟, 没有驱动存储器市场需求的重大利好, 存储器产业的竞争已经到了成本比拼的阶段, 很难给中国台湾的企业留下太多的机会 二是台湾地区的存储器发展以代工模式为主, 缺乏自主技术 自从台湾地区的世界先进公司退出自主研发 DRAM 业务以来, 台湾地区的企业就完全采用其他公司的技术, 如南亚科和华亚科的技术来自于美光, 茂德的技术来自于海力士 力晶的技术来自于尔必达 但是存储器是标准化产品, 相对来说设计简单, 制程工艺的更新十分重要, 其制程工艺紧跟摩尔定律, 代工模式并不适合 一方面代工厂只有通过投资来不断地升级技术和扩充产能才具有市场竞争力, 但又惮于在 DRAM 产业的低谷中难以接到订单而不敢持续大量投资, 另一方面 IDM 44

47 国际观察 企业担心客户流失也不会把先进制程的产品交给代工厂生产 三是技术来源不统一导致整合困难 中国台湾地区的存储器企业没有自主技术, 其技术来源又分别属于不同的阵营, 例如力晶与尔必达, 茂德与海力士及华亚科与奇梦达, 这使得金融危机时政府难以实现各家企业资源的整合, 使得力量分散, 未能抵御住金融危机的冲击 四 启示和借鉴 ( 一 ) 把握产业发展时机韩国成为全球存储器的龙头和中国台湾地区未能撼动韩国地位的案例说明, 把握产业发展的时机非常重要 当下, 全球半导体产业向发展中国家转移是产业发展的趋势 中国的半导体产业在全球的份额不断提高, 封装 制造和设计等环节中中国企业的话语权不断增加 物联网 大数据中心 智能家居 可穿戴设备等应用领域的快速发展成为存储器市场未来的增长点, 加之新的存储器结构的出现, 这时大力发展我国的存储器产业可使我国有机会建立起完整自主的产业链体系 ( 二 ) 取得国家政策的支持存储器产业的发展需要国家在资金和政策上给予持续稳定且海量支持 韩国存储器产业的崛起依靠的是举国力量的支持, 否则很难在全球性金融危机且自身持续亏损的局面下独善其身 我国的存储器产业刚刚起步, 是不折不扣的新进者, 更需要发挥国内广阔的市场和较低的生产成本等自身优势, 结合国家资本和民间资本的力量来持续且科学的大力投资存储器产业 ( 三 ) 掌握核心技术来源中国台湾地区存储器产业的徒劳无功与其只是全球存储器的代工厂, 未能掌握核心技术有关 当国外的技术来源企业发展困难时, 台湾地区的存储器企业也就难以为继, 转而寻找新的技术来源, 并再花费重资改造生产线 我国存储器产业起步很晚, 发展初期需要通过国际并购或合作等方式来获得技术授权, 实现核心技术的引进, 并从低端做起, 逐步壮大 在这一过程中必须始终坚持对技术来源的实质性控制, 从而避免沦为国际存储器产业的代工厂 ( 作者 : 朱邵歆 ) 45

48 专业就是实力精准就是品牌 企业研究 : 三星电子发展存储器的经验与启示 三星电子是韩国电子行业最主要的代表企业, 其半导体业务近几年更是保持在世界排名前三的高位, 其发展的轨迹也最能代表韩国电子产业赶超美 日电子行业的过程 一 发展概况 ( 一 ) 发展历程半导体业务是如今三星电子显赫全球的最大功臣 1974 年, 韩国半导体公司 (Korea Semiconductor Inc) 投资建立起第一条韩国本土企业的硅晶圆生产线, 并且在韩国第一次研发和生产了 CMOS 大型集成芯片 (CMOS Large Scale Integrated chips) 但是很快因为资金问题, 韩国半导体公司被三星收购, 成为了三星半导体部门的前身 1983 年三星集团创始人李秉哲决定正式进军半导体行业, 开始了对半导体业务的持续投入 当时全球的半导体市场几乎被日本和美国两家瓜分, 垄断格局严重 在此后的 10 个月内, 三星电子在世界上第三个推出 64K DRAM, 在全球引起 强烈反响 此后三星加大投入不断追赶,1992 年率先成功开发 64M DRAM, 终于在确保了其全球技术领先的技术地位 ;1993 年, 三星如愿登上全球存储器半导体第一的宝座, 并保持至今 ( 二 ) 经营现状三星电子包含消费电子 信息技术与移动通讯以及设备解决方案三大项业务 其中, 消费电子包含数字电视 家用电器 打印机以及医疗设备等 ; 信息技术以移动通讯包含手机通讯及互联网业务 ; 设备解决方案则包括存储器 集成电路及 LED 业务 三星电子多年来保持着良好的经营情况, 受全球整体经济形势影响在, 销售收入及净利润呈现波动上涨趋势, 而半导体业务的收入则基本保持稳步增长 IC Insights 指出, 年, 三星电子的年均增长率 (CAGR) 为 13.5%, 而英特尔为 3.4% 全球存储芯片只有三星基本保持持续盈利, 其他厂商受 46

49 企业研究 行业周期波动造成毛利率和净利率 振幅大 图 年三星电子销售收入与净利润 图 年三星电子半导体业务营收情况 三星存储器业务的任务是提供整体移动解决方案, 它在产品 模组以及颗粒的技术开发方面都是世界内存市场的领导者 目前三星生产的存储器产品主要包括 :DRAM 及 NAND Flash 自 年以来, 三星是半导体存储器领域公认的世界第一 2014 年 DRAM 占全球市场份额 40.4%,NAND Flash 占全球市场份 额 36.5% 三星拥有全球领先的生产工艺,DRAM 制造已进入 14nm 量级 2015 年三星公司将存储器芯片的重点放在保持供需平衡与稳定芯片价格上面, 着重控制 20nm 制程的损耗成本并开发大容量 SSD 和 emcp 等高成长性产品 2016 年随着移动市场增长放缓, 三星半导体正在寻找新的市场增长驱动, 例如高附加值以及差异化的产品 47

50 专业就是实力精准就是品牌 图 年三星存储器全球市场占有率变化 从三星电子的整体经营情况出发, 可以总结出以下特点 : (1) 自身产业链完整 三星电子既包含存储器 逻辑芯片等半导体业务, 又包含笔记本电脑 台式计算机及手机等终端产品, 产业上下游垂直分工体系完整, 拥有完整的全球供应链 (2) 工艺制造技术领先 就工艺制程而言, 三星拥有与英特尔 台积电并驾齐驱的自主技术, 良好的工艺技术和产品良率使得制造成本较低 (3) 三星电子产业的品牌效果强 三星电子在全球范围内都拥有强势的品牌效应, 生产的各项电子产品流通性强覆盖面广, 品牌渠道拥有低成本的竞争优势 (4) 充沛而质优的劳动人力资源 三星电子经过多年的发展, 吸引了各国的人才, 累积良好的管理经验, 并培养出许多优良世界级管理和技术人才 二 发展战略三星电子的发展模式, 可谓是举国一体, 上下齐心, 韩国政府对三星电子给予了大力扶持 韩国政府具有扶持财团的传统, 对企业研发 设备投资方面给与的税收优惠一向要高于其他国家 80 年代三星电子刚涉足存储器产业时, 政府就以 官民一体 的研发方式予以政策和资金支持 90 年代, 三星液晶面板产业连续亏损 9 年, 韩国政府先后以低于国内平均水平的利率给予三星超过 60 亿美元的政策性贷款, 使得三星面板产业熬过发展期直至稳坐业界龙头 1997 年亚洲金融危机, 大量企业破产倒闭, 三星负债率一度高达 366%, 到 1999 年仍然有 48

51 国际观察 166% 负债率, 此间三星获得了大量的政府扶持资金, 最终度过难关成为世界电子产品龙头企业 据不完全统计, 年期间, 韩国政府先后给予三星电子 87 亿美元的税收减免 在这种长期稳定的支持下, 三星电子不仅屡次度过经济困境, 更是在一次次的行业低谷期进行了著名的 逆周期投资, 加大自己和全行业的亏损, 直至拖垮对手, 等到行业复苏期, 则可赚取高额利润并占据较大的市场份额 (1) 逆周期投资 : 三星可以依仗雄厚的资金支持, 进行 逆周期投资, 即在产业不景气同行缩减投资降低损失时, 三星加大投资加大损失, 从而在自己弱小时缩小与对手的差距, 或者在自己强大时进一步拉开与对手的差距 在三星半导体业务成长过程中多次采取了这种投资策略, 但到现在成为业界龙头后则更注重价格和利率的控制 (2) 产品高端策略 : 自 DRAM 存储器发展开始, 三星始终遵循产品高端策略, 不断提高存储器的技术含量, 保持与一般产品的技术差距 从笔记本 手机等终端产品也 可看出, 三星非常注重良好设计带来的高价效应, 从而搭配品牌战略以及完整的售后服务等塑造高端品牌 高质量的产品和高端品牌附加值带来了销售利润率的提高 (3) 价格掌控策略 : 三星公司作为全球最大的存储器芯片生产企业非常注重产品的价格走势, 其产能计划的重点也放在保持供需平衡与稳定芯片价格上面, 以求获得高额的产品毛利率 同时其高端产品策略也与高价格策略相对应, 三星打造中高端产品路线, 同时以高于大多数竞争对手的价格出售产品, 使产品的销售利润率得到提升 三 成功因素分析 ( 一 ) 政府强有力的引导三星电子的一路发展与韩国政府的支持路线高度重合 韩国政府自 80 年代开始, 将半导体产业作为重点支持发展的产业, 并将存储器作为半导体领域中优先发展的方向, 在存储器取得领先后, 开始向非存储器领域扩展, 发展系统芯片和半导体设备业 其政策主要体现在两方面, 一是通过产业政策引导, 积极刺激国内市场需求并改善出口环境, 并以国家名义给企业提 49

52 专业就是实力精准就是品牌 供担保等 二是政府根据行业发展所属阶段不同采取不同的资金支持计划, 早期由政府出资, 企业配套, 组织主要企业进行技术攻关, 成熟阶段则资助前沿技术领域建立产学研合作的研究开发计划 ( 二 ) 团队协同优秀领军人物带领下的优秀团队是半导体企业取得成功的保障 一是领军人物有较强的前瞻性和果断 准确的投资决断能力 半导体行业具有周期性波动 投资大等特点, 要求企业掌舵者要具有战略眼光, 韩国三星公司在李秉哲 李健熙的带领下, 多次通过逆周期投资而奠定在行业今天的地位 二是重视技术人才 三星高度重视技术在企业中的作用, 其 CEO 几乎都是工程师出身, 能更好把握到行业技术发展方向快速对市场变化作出应对, 同时重视技术也可极大提高工厂的运作效率 三是强大的执行力 三星自上而下的管理十分严格, 到处充满竞争 ( 三 ) 文化渲染一是家族文化 员工以企业为家, 有较强的奉献精神, 企业也不会轻易开除员工, 此举可使得员工可以集中精力到企业技术开发中, 为了工作可以日夜兼程, 这是韩国文化与美国文化有较大不同之处 二是创新文化, 韩国的危机感较强, 体现在半导体领域则是积极求变求新, 三星公司会长李秉哲曾说过 除了老婆和孩子, 一切都要变 三是契约精神, 韩国社会诚信体系建设较为完备, 这也使得企业在发展过程中能够更专注于核心竞争力提升, 避免由于尔虞我诈带来的分心, 政府政策执行也有的放矢 ( 四 ) 人才支撑半导体是知识和技术密集型产业, 而人才是产业核心竞争力 三星对人才的吸引主要体现在 : 一是高薪, 二是高成就感 在韩国, 三星是最受尊敬的企业之一, 在其中就业的社会满足感较强, 再加上三星等企业的高薪待遇, 对人才吸引力较强 三是订单式教育方式, 从大学网罗优秀人才 企业往往也以课题的形式与大学合作, 课题需要定期向企业汇报, 企业专业人员会对项目进行评估或指导, 以此培养网罗具有发展潜力的研发人才 ( 五 ) 国际化视野韩国资源匮乏 市场规模较小, 因此政府因势利导, 放宽对企业海外投资的限制, 对国际化企业 50

53 企业研究 给予优惠的税金支持和灵活的融资待遇 这也使得三星 海力士等企业很早就开始实施国际化发展策略, 员工多具有第二外语能力, 在建设海外工厂及全球化研发中心, 即使是最先进的生产线也会放在国外生产, 如三星在中国西安开设全球最先进的闪存生产线等 而我国集成电路企业由于国内市场较大, 多固守在国内, 但未来如若发展壮大, 必然要面对国际市场 ( 六 ) 持续创新集成电路产业是一个技术引领的产业, 技术上的突破一种是自己研发, 另一种是技术共享或是交换, 三星采取双线并行策略 在先进存储器技术的开发方面, 三星自研总是能够领先对手一年以上 在制造方面, 三星与 IBM 格罗方德等企业组成研发团体共同降低成本, 为开发新工艺 新设备抱团取暖, 并排挤联盟外的企业 四 借鉴与启示 ( 一 ) 明确发展重点方向, 持续扶持龙头企业国外大企业在集成电路技术 产品等方面的领先优势明显, 高度垄断的局面已经形成 韩国三星存储器在日本垄断的格局下成功突 破, 而我国作为后来者, 多年来没有找到一条适合自身发展行之有效的途径, 缺乏明确的发展重点和竞争策略, 导致我国在高端产品方面无法与国际先进企业竞争, 中低端应用领域也未形成我国的局部优势 因此, 未来需要从国家层面加强顶层设计, 明确我国所处的位置和阶段, 确定未来发展的方向和重点, 以集中各方力量进行突破 以量大面广的存储器领域为例, 可借鉴三星在存储器产业的发展经验, 重点支持我国一 两家企业通过持续投资 ( 包括资金 技术 人才等 ) 和并购, 突破存储器发展瓶颈, 通过存储器生产线发展带动半导体制造业的发展 ( 二 ) 推进产业资源整合, 推动企业国际化发展依托骨干龙头企业和管理团队, 推动产业资源整合, 实现企业做大做强 以股权投资为引导, 通过股权改造优化公司治理架构, 推动企业兼并重组, 促进企业竞争力提升, 争取在每个细分领域均有企业跻身全球第一阵营 适应产业国际化特征, 抓住全球集成电路产业处于调整变革期的机遇, 着力推进国际并购, 加强技术 人才引进, 51

54 专业就是实力精准就是品牌 努力推动一批企业进入国际第一梯队 同时考虑充分发挥上海自贸区的政策优势, 加快推进海外融资和并购 ( 三 ) 加强重大项目的组织实施, 突破关键核心技术和产品进一步发挥企业作为技术创新的主体作用, 创新组织方式和模式, 以国家资金投入作为研发的重要引导, 吸引企业 社会资本积极投入, 充分发挥行业协会等平台机构在项目咨询 组织及评定中的作用, 依托优势单位, 在重大产品 重大工艺 重大装备以及新兴领域实现关键突破 加强对项目承担单位的跟踪指导 项目进展情况的评估以及项目的验收等后期管理, 对未能完成预定目标的国家项目, 可收回投入资金 ( 四 ) 加强政产学研协同, 完善产业生态环境充分发挥政府 产业界 高校以及科研院所间的协同作用, 通过政策引导 项目安排 环境营造等手段, 将资源引入到重点发展领域 ; 加强产业界和高校及科研院所间的协作互动, 企业通过提供资金等手段为高校 科研院所提供研究 经费, 同时高校和科研院所为企业提供技术和人才支持 ; 鼓励企业间的协作, 如加强芯片与整机企业间的互动, 以整机升级带动芯片设计的有效研发, 以芯片设计创新提升整机系统竞争力 ( 五 ) 重视人才, 创新人才培养模式紧跟产业应用需求, 不断探索新的人才培养模式, 无论是研究型大学还是专业型大学, 都可以积极与企业联合培养符合半导体技术需求的定制型高级技术人才, 以满足半导体领域不同层次的人才需求 为优秀人才提供良好的再教育培训环境, 以满足半导体企业内的人才的继续深造需求 探索半导体企业和高校 研究机构内的高层次人才的自由流动机制, 鼓励高水平的人才在学校 研究所和半导体企业内进行良好的沟通和互动, 促进企业家和管理团队的培养 瞄准全球先进人才, 尤其是海外华人团队等, 多渠道 多途径引进人才, 为产业发展创造良好条件 ( 作者 : 史强张松 ) 52

55 数据之窗 数据之窗 : 年全球 2D NAND 和 3D NAND 出货比例及预测 数据来源 :HIS 年全球主要企业 NAND Flash 存储器技术路线图 数据来源 : 公司网站, 赛迪智库整理 53

56 专业就是实力 精准就是品牌 年DRAM产业资本支出及预测 数据来源 isuppli 公司财报 年全球NAND Flash产业资本支出及预测 数据来源 isuppli 公司财报 54

57 数据之窗 赛迪智库是中国工业和信息化领域的知名思想库, 直属于国家工业和信息化部中国电子信息产业发展研究院 自成立二十余年以来, 秉承 面向政府, 服务决策 的宗旨, 赛迪智库专业从事软科学研究工作, 积极开展基础研究 预先研究和对策研究, 致力为政府提供决策咨询和支撑服务 研究领域既注重发展规划 产业政策 产业科技 产业经济, 又突出信息化 电子信息产业和软件服务业, 同时涵盖装备工业 消费品工业 原材料工业和工业节能 目前, 赛迪智库总部设在北京, 并在上海 广州和深圳等地设有分支机构, 拥有 400 余名专业研究人员, 业务网络覆盖全国 200 多个大中型城市 详情请浏览网站 : 北京 地址 : 北京市海淀区万寿路 27 号院电子大厦 4 层邮编 : 联系人 : 刘颖电话 : 传真 : 邮箱 :liuying@ccidthinktank.com 广州 地址 : 广州市先烈东路 190 号粤海凯旋大厦 10 层邮编 : 联系人 : 林紧电话 : /5703 传真 : 邮箱 :Linjin@ccidgroup.com 上海 地址 : 上海市浦东新区亮秀路 112 号浦东软件园 Y1 座 408 室邮编 : 联系人 : 张天翼电话 : 传真 : 邮箱 :zhangty@ccidconsulting.com 深圳 地址 : 深圳市南山区深南大道西 号佳嘉豪商务大厦 6C 邮编 : 联系人 : 王三义电话 : 传真 : 邮箱 :sevice-sz@ccidconsulting.com 55

58 专业就是实力精准就是品牌 工业和信息化部赛迪研究院 集成电路研究 编辑部编辑部 : 工业和信息化部赛迪研究院通讯地址 : 北京市海淀区万寿路 27 号院 8 号楼 12 层邮政编码 : 联系人 : 刘颖董凯联系电话 : 传真 : 网址 : 电子邮件 56 集成电路研究 :liuying@ccidthinktank.com 2016 年第 2 期