正文目录 一 半导体存储器行业的全球格局 全球半导体存储器规模近 800 亿美元 半导体存储器市场被三星 海力士 美光等寡头垄断 主流半导体存储器性能对比及未来发展趋势分析 ) DRAM ) NAND Flash

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1 (%) 证券研究报告 行业专题报告 信息技术 电子 推荐 ( 维持 ) 技术迎变革, 新型存储器助中国弯道超车 2016 年 08 月 26 日半导体行业深度专题之六 上证指数 3068 行业规模 占比 % 股票家数 ( 只 ) 总市值 ( 亿元 ) 流通市值 ( 亿元 ) 行业指数 % 1m 6m 12m 绝对表现 相对表现 (%) 电子 沪深 Aug/15 Dec/15 Apr/16 Aug/16 资料来源 : 贝格数据 招商证券 相关报告 1 半导体行业深度专题之五 : 半导体设备和材料的国产化机遇 半导体行业深度专题之四 : 物联网风云渐起, 全球半导体整合加速 半导体行业深度专题之三 : 集成电路产业基金投资地图 半导体行业专题报告之二 : 中国智能终端芯片产业 : 顺应潮流, 逆流而上 鄢凡 yanfan@cmschina.com.cn S 马鹏清 mapq@cmschina.com.cn S 李学来 lixuelai@cmschina.com.cn S 半导体存储器行业迎来变革, 传统的 DRAM 和 NAND 技术遇到瓶颈, 新型存储器迎来发展机遇 中国近期投入巨资发展存储器产业, 新型存储器成为弯道超车的最佳选择 继此前 国家战略 / 智能终端 / 投资地图 / 物联网 / 设备和材料 五篇前瞻性半导体深度专题后, 我们首次深度分析了新型存储器的发展机遇和投资机会, 重点推荐紫光国芯 兆易创新 华天科技 深科技 七星电子 上海新阳 兴森科技 南大光电 太极实业 传统半导体存储器技术遇瓶颈, 新型存储器迎发展机遇, 重点关注 3D NAND/DRAM 3D Xpoint 和 PCRAM 传统的 DRAM 和 Flash 存储器在速度上无法满足 CPU 的要求, 且平面 NAND 和 DRAM 技术进入 1x 纳米制程存在技术和经济效益瓶颈 而 3D NAND 3D Xpoint PCRAM 等新型存储器在性能 成本等多方面有优势, 且技术日臻成熟, 部分新型存储器已经开始量产 三星年内将量产 64 层 3D NAND, 英特尔和美光也将于今年底或明年量产全新的 3D Xpoint 存储器 在新型存储器中, 结合性能和研发进度, 我们认为 3D NAND/DRAM 3D Xpoint 和 PCRAM 最值得关注 半导体存储器市场规模近 800 亿美元, 呈寡头垄断局面 2015 年全球半导体存储器的销售额为 772 亿美元, 在半导体市场的占比为 23%, 其中 DRAM NAND NOR 存储器的销售额分别为约 410 亿 300 亿 30 亿美元 三星, 海力士和美光三家垄断了 95% 的 DRAM 市场, 三星 东芝 / 闪迪 美光 海力士四家垄断了 99% 的 NAND 市场, 前 6 大厂家垄断 90% 的 NOR 市场 紫光联手武汉新芯, 加快存储器产业发展 发展存储器的战略和经济意义重大, 中国大陆发展存储器的决心十分坚定 7 月 26 日紫光集团联合武汉新芯成立长江存储, 打造存储器国家队 紫光集团的资本优势和武汉新芯的技术优势相结合, 集中优势资源发展存储器, 将加快我国存储器产业的发展 新型存储器成为我国存储器产业弯道超车的最佳选择 存储器行业门槛高, 我国在传统的存储器方面落后太多, 很难在短期内赶超国外同行 而在新型存储器方面, 国内与海外差距相对较小, 例如我国拥有自主知识产权的 PCRAM 技术已经取得突破, 用于打印机的 PCRAM 存储器芯片年出货量超过千万颗 因此, 发展具备自主知识产权的新型存储器有望实现弯道超车 投资建议 半导体存储器拥有 800 亿美元的市场空间, 国内产业链上相关公司有望受益, 重点推荐紫光国芯 兆易创新 华天科技 深科技 七星电子 上海新阳 兴森科技 南大光电 太极实业 风险提示 : 存储器投资进度不及预期, 新型存储器量产进度不及预期等 重点公司主要财务指标 股价 16EPS 17EPS 18EPS 16PE 17PE PB 评级 紫光国芯 强烈推荐 -A 兆易创新 强烈推荐 -A 华天科技 强烈推荐 -A 七星电子 强烈推荐 -A 兴森科技 强烈推荐 -A 上海新阳 审慎推荐 -A 南大光电 审慎推荐 -A 深科技 审慎推荐 -A 太极实业 审慎推荐 -A 资料来源 : 公司数据 招商证券 Wind 敬请阅读末页的重要说明

2 正文目录 一 半导体存储器行业的全球格局 全球半导体存储器规模近 800 亿美元 半导体存储器市场被三星 海力士 美光等寡头垄断 主流半导体存储器性能对比及未来发展趋势分析 ) DRAM ) NAND Flash ) NOR Flash 二 传统存储器的挑战 VS. 新型存储器的机遇 现有存储器技术存在不足, 难以满足市场需求 ) 存储技术是电子产品性能提升的瓶颈之一 ) 三大存储技术各有不足 新型存储器的分类及其优势 ) 3D NAND ) 3D DRAM ) PCRAM( 相变存储器 ) ) RRAM( 阻变存储器 ) ) MRAM( 磁存储器 ) ) FRAM( 铁电存储器 ) 揭秘英特尔 / 美光的 3D XPoint 技术 ) 结构特点及工作原理 ) 应用领域 ) 现阶段技术难点及量产计划 总结 :3D NAND/DRAM PCRAM 3D XPoint 是值得关注的新型存储器 三 紫光联手武汉新芯, 加快国内存储器发展 发展存储器产业意义重大, 弯道超车机遇难得 ) 战略意义 : 中兴事件再次敲响警钟, 芯片国产化关乎国家信息安全 ) 经济意义 : 大陆存储芯片市场约 400 亿美元, 新兴市场空间更大 ) 时机选择 : 技术换代机会难得, 迎弯道超车机遇! 未来布局 : 三龙头重点突破 ) 紫光集团收购武汉新芯, 设立长江存储 ) 福建晋华携手台湾联电, 两岸共谋 DRAM 大计 ) 合肥政府多方布局, 意图发展 DRAM 国内的主要半导体产业链公司 四 存储器产业链的投资机会分析 技术变革时期, 新型存储器或助中国弯道超车 重点投资标的 ) 紫光国芯 : 志在打破全球半导体存储器格局的中国企业 ) 兆易创新 : 国内存储器芯片设计龙头 ) 华天科技 : 封测龙头, 有望加入存储器国家队 ) 深科技 : 收购沛顿科技, 进入存储器封测领域 ) 太极实业 : 半导体厂房设计龙头, 存储器封测实力不容小觑 ) 晶方科技 : 存储器封装测试或有所作为 ) 七星电子 : 半导体设备龙头, 受益存储器生产线大规模投资 ) 南大光电 : 电子特气龙头, 新型存储器市场或有大作为 ) 上海新阳 : 半导体材料龙头, 大硅片即将迎来量产 ) 兴森科技 : 半导体测试板龙头, 受益存储器等芯片国产化机遇 图表目录图 年全球硬盘和半导体存储器产值对比 ( 单位 : 亿美元 )... 5 图 2 全球半导体产品总销售额和存储器销售额... 5 敬请阅读末页的重要说明 Page 2

3 图 3 中国半导体存储器市场规模 ( 亿人民币 )... 6 图 DRAM 主流供应商营收 ( 亿美元 ) 及市占率... 6 图 DRAM 主流供应商营收 ( 亿美元 ) 及市占率... 6 图 Q1 移动 DRAM 主流供应商市占率... 7 图 NAND 主流供应商市场规模 ( 亿美元 ) 及市占率... 7 图 NOR flash 主流供应商市占率... 8 图 NOR flash 主流供应商市占率... 8 图 10 存储器产品分类 ( 红色标记的为本报告重点关注存储器 )... 8 图 11 DRAM 的器件单元图示 ( 左下 ) 及其不同容量的剖面结构图... 9 图 12 DRAM 全球市场规模 ( 亿美元 ) 图 年国内 DRAM 市场结构 图 14 DRAM 制程更新对工艺步骤, 洁净室面积的要求 图 15 DRAM 技术发展路线图 图 16 Flash 存储器结构单元示意图 ( 浮栅 MOSFET) 图 17 NAND 的写入 ( 左图 ) 和擦除 ( 右图 ) 操作示意图 图 18 NAND 全球市场规模 ( 亿美元 ) 图 19 emmc/emcp 市场变化趋势 图 20 emmc/emcp 市场变化趋势 图 21 西数 希捷 2016 Q2HDD 出货量同比暴跌 ( 单位 : 万块 ) 图 年 NAND 细分市场占比 图 23 NAND 2D 转 3D 发展路线图 图 24 NOR 全球市场规模 ( 亿美元 ) 图 25 存储器性能瓶颈 图 26 2D NAND( 左图 ) 与 3D NAND( 右图 ) 对比 图 27 3D NAND 比 2D NAND 更具优势 图 28 三星 3D NAND 技术简图 图 29 三星 3D NAND 细节图 图 30 东芝 3D NAND 结构图 图 31 东芝 3D NAND 存储单元细节图 ( 环栅结构 ) 图 32 主流存储器厂商的 NAND Flash 技术路线图 图 33 3D NAND 专利数目前六大公司相对占比 图 34 3D NAND 国际文献发表数 ( 单位 : 篇 ) 图 35 三星 DDR4 内存条扫描电镜图 图 36 海力士 HBM 结构图 图 37 3D DRAM 专利数前六大公司相对占比 图 38 3D DRAM 国际文献发表数 ( 单位 : 篇 ) 图 39 PCM 结构图 图 40 PCM 读 / 写 / 擦除 (read/set/reset) 所用脉冲 图 41 IBM 发布的 PCM 样品 图 42 PCM 专利数目前四大公司相对占比 图 43 PCM 国际文献发表数 ( 单位 : 篇 ) 图 44 RRAM 的器件单元及存储原理 图 45 两种 RRAM 存储单元 :(a) 无源电路,(b) 有源电路 图 46 索尼 RRAM 结构示意图 图 47 Crossbar RRAM 产品 图 48 RRAM 专利数目前四大公司相对占比 图 49 RRAM 国际文献发表数 ( 单位 : 篇 ) 图 50 MRAM 存储单元 图 51 MRAM 原理图 ) 图 52 MRAM 专利数目前四大公司相对占比 图 53 MRAM 国际文献发表数 ( 单位 : 篇 ) 敬请阅读末页的重要说明 Page 3

4 图 54 两种主流 FRAM 结构 图 55 FRAM 专利数目前四大公司相对占比 图 56 FRAM 国际文献发表数 ( 单位 : 篇 ) 图 57 存储器的发展史 图 58 3D XPoint 集 NAND 与 DRAM 的优点 图 59 3D XPoint 延迟介于 DRAM 和 NAND 之间 图 60 3D XPoint 原型硬盘 Optane 图 61 3D XPoint 结构图 图 62:3D XPoint 存储器工作示意图 图 63 美光 3D XPoint 首先运用的领域 图 64 IM Flash 公司犹他州晶圆厂 (3D XPoint 研发生产厂房 ) 图 65 中兴事件及美国阻止中国企业的主要手段 图 66 集成电路进口额与原油进口额对比 ( 亿美元 ) 图 67 大陆地区传统和新型存储器专利申请数据 图 68 三星 海力士 美光在半导体方面的资本支出 ( 亿美元 ) 图 69 武汉新芯存储器芯片发展规划 图 70 武汉存储基地项目启动仪式 (3 月 28 日 ) 图 71 晋华 DRAM 项目动工仪式 (7 月 16 日 ) 图 72 国内存储器重点公司关系图 图 73: 电子行业历史 PEBand 图 74: 电子行业历史 PBBand 表 1: 传统存储器性能对比... 9 表 2: 主流 HDD 和 SSD 过去五年性价变化对比 表 3: 中外存储器公司 3D NAND 进展对比 表 4: 主流 PCM 驱动管性能及成本对比 表 5: 国内外机构 PCM 研究进展 表 6:PCM 国内产学研机构具体参与情况 表 7:RRAM 国内产学研机构参与情况 表 8: 新型存储器性能对比 表 9: 存储器产业链相关上市公司 ( 含新三板和 IPO 排队公司 ) 表 10: 存储器全产业链相关机构 ( 非上市公司 高校 科研机构等 ) 敬请阅读末页的重要说明 Page 4

5 一 半导体存储器行业的全球格局 1. 全球半导体存储器规模近 800 亿美元 半导体存储器超越硬盘, 成为全球主流存储器 2015 年全球硬盘驱动器 (HDD) 的市场销售额约 300 亿美元, 而半导体存储器的销售额接近 800 亿美元, 半导体存储器是全球最主流的存储器 随着固态硬盘 (SSD) 的普及, 将进一步侵蚀 HDD 的市场, 半导体存储器的市场地位将越来越高 在半导体产品中, 存储器所占比重达到 20% 以上, 是重要的半导体产品类型 2015 年全球半导体市场销售额为 3352 亿美元, 其中存储器的销售额为 772 亿美元, 存储器在半导体产品中的占比为 23% 中国作为全球电子产品的制造基地, 一直以来都是存储器产品最大的需求市场, 根据赛迪顾问的研究,2015 年中国大陆地区的半导体存储器市场规模为 2843 亿元 ( 约 400 亿美元 ) 图 年全球硬盘和半导体存储器产值对比 ( 单位 : 亿美元 ) 1000 HDD DRAM NAND Flash NOR Flash 其他 硬盘驱动器 半导体存储器 资料来源 : 招商证券,Wind IHS IC Insights 图 2 全球半导体产品总销售额和存储器销售额 存储器销售额 ( 亿美元 ) 半导体销售额 ( 亿美元 ) 存储器同比增长率 (%) E 60% 40% 20% 0% -20% -40% 资料来源 : 招商证券,Wind 敬请阅读末页的重要说明 Page 5

6 图 3 中国半导体存储器市场规模 ( 亿人民币 ) 资料来源 : 招商证券, 赛迪顾问 2. 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,2016 年第一季度,DRAM 市场 93% 份额由韩国三星 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 (1) DRAM: 全球市场规模约 410 亿美元 目前 DRAM 行业基本被三星, 海力士, 美光三家垄断了 95% 以上的市场 2014 年, 三星 海力士在先进制程上表现出众, 三星 (Samsung) 已大规模采用 20nm 工艺, 毛利达 42%,SK 海力士则以 25nm 工艺为主, 毛利率达 40%, 两者获利能力皆进一步提升, 而美光的工艺则仍以 30nm 制程为主, 毛利率约为 24%, 远低于前两家, 故 DRAM 市场的垄断格局有加剧之势, 尤其是三星, 由于率先进入 20nm 量产时代, 成功销售不少高附加价值产品,2015 年 DRAM 市场虽略有萎缩, 但三星的营业收入反而逆势生长, 突破 200 亿美元大关, 并连续 24 年蝉联 DRAM 半导体全球市占率第一 在移动 DRAM 市场上, 三星与海力士的市占率超过 80%, 呈现压倒性优势 图 DRAM 主流供应商营收 ( 亿美元 ) 及市占率 美光, , 25% 其他, 35.15, 8% 三星, 186.6, 40% 三星 海力士 美光 图 DRAM 主流供应商营收 ( 亿美元 ) 及市占率 美光, 90.70, 20% 其他, 31.04, 7% 三星, 204.3, 45% 三星 海力士 美光 海力士, , 27% 其他 海力士, , 28% 其他 资料来源 : 招商证券,IHS 资料来源 : 招商证券,IHS 敬请阅读末页的重要说明 Page 6

7 图 Q1 移动 DRAM 主流供应商市占率 南亚科, 0.9, 0.9% 美光, 15.3, 15.3% 华邦, 0.5, 0.5% 三星 海力士 海力士, 26.4, 26.4% 三星, 56.9, 56.9% 美光 南亚科 华邦 资料来源 : 招商证券,IHS (2)NAND Flash: 全球市场规模约 300 亿美元 NAND 的垄断形势比 DRAM 更加严 重, 三星依然是行业龙头, 连续多年市占率维持在 35% 左右, 东芝则和闪迪联手, 共 同夺得了 NAND 领域第二的位子, 市占率一般保持在 30% 左右 ; 美光则拥有英特尔的 帮助, 排行第三 ; 海力士在 2011 年市占率超过了美光, 之后则将重心放在了 DRAM 方 面, 年连续三年排第四 上述四家公司垄断了整个 NAND 市场, 且垄断程度 呈上升趋势,2011 年到 2014 年期间, 四大寡头的 NAND 市占率由 91.3% 上升到了 99.2% 图 NAND 主流供应商市场规模 ( 亿美元 ) 及市占率 海力士, 29.9, 12% 其他, 2, 1% 美光, 47, 19% 三星, 90.84, 36% 三星东芝 / 闪迪美光海力士其他 东芝 / 闪迪, 79.14, 32% 资料来源 : 招商证券,IHS (3)NOR Flash: 全球市场规模约 30 亿美元 相对 DRAM 和 NAND 来说,NOR 市场要小的多, 分散程度也更大, 目前市场主要由美光 飞索半导体 ( 被 Cypress 收购 ) 旺宏 三星 华邦 兆易创新 宜扬科技七家主导, 前五家属于 IDM 模式, 后两家属于 Fabless 模式, 其中兆易创新是我国唯一一家在主流存储器设计行业掌握一定话语权的企业, 其在 NOR Flash 领域进步飞速,2012 年还仅占市占率的 3.4%, 到 2013 年已跃居 11%, 位列全球第四 敬请阅读末页的重要说明 Page 7

8 图 NOR flash 主流供应商市占率 图 NOR flash 主流供应商市占率 三星 9% 其他 12% 华邦 11% 兆易创新 3% 旺宏 13% 资料来源 : 招商证券,IHS 美光 27% 飞索半导体 25% 美光飞索半导体旺宏兆易创新华邦三星其他 华邦 11% 三星 9% 兆易创新 11% 其他 8% 旺宏 14% 资料来源 : 招商证券,IHS 美光 25% 飞索半导体 22% 美光飞索半导体旺宏兆易创新华邦三星其他 3. 主流半导体存储器性能对比及未来发展趋势分析 半导体存储器种类繁多, 不同产品技术原理不同, 均各有优缺点和适用领域 例如 SRAM ( 静态随机存储器 ) 能利用触发器的两个稳态来表示信息 0 和 1, 即不需要刷新电路就能保存它内部存储的数据, 故 SRAM 读写速度非常快, 但是它非常昂贵, 且功耗大, 只用在 CPU 的一 二级缓存 (Cache) 等对存储速度要求很严格的地方 广泛运用的产品必定要能兼顾性能和成本, 从市场规模来看, 当下最主流的存储器是 DRAM,NAND Flash,NOR Flash, 这三者占据了所有半导体存储器规模的 95% 左右, 尤其是前两者, 占总规模约 9 成 图 10 存储器产品分类 ( 红色标记的为本报告重点关注存储器 ) 资料来源 : 招商证券, 维基百科 敬请阅读末页的重要说明 Page 8

9 表 1: 传统存储器性能对比 指标 DRAM NAND NOR 尺寸 (F: 制程规格 ) 6-12F² 4F² 10F² 非易失性 否 是 是 可擦写次数 无限 读取访问时间 10 ns ns 几十 ns 写入访问时间 10 ns 1-10 us 1-10s 量产及试制品研发情况 成熟量产 成熟量产 成熟量产 当前制程 18 nm 16 nm 32 nm 功耗 中 高 高 成本 高 低 中 抗辐射性 高 中 中 资料来源 : 招商证券 1) DRAM 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 11 DRAM 的器件单元图示 ( 左下 ) 及其不同容量的剖面结构图 资料来源 : 招商证券,IEDM 敬请阅读末页的重要说明 Page 9

10 DRAM 未来发展趋势 : 受 PC 端拖累, 整体规模下降 : 从整体来看, 近年来移动市场表现强劲,PC 端销售量受到侵蚀, 再加上同时受累于全球 GDP 疲软等因素, 包括 IC Insights,WSTS 等机构均预测 16 年 DRAM 市场规模会出现较大幅度的减弱 图 12 DRAM 全球市场规模 ( 亿美元 ) E 资料来源 : 招商证券,IC Insights 移动终端内存条增长迅速 : 除了计算机内存条之外, 移动终端的内存条也是 DRAM 的一大运用领域, 得益于近几年来电子产品 移动化 的消费趋势, 移动终端 DRAM 市场增长很快,2009 年移动 DRAM 出货量还仅占整体 DRAM 的 5.1%, 到了 14 年这一比例已经激增为 36%, 并且仍然呈上升趋势, 预计 15 年会突破 50% 而在中国, 由于人口众多, 智能手机普及率逐年升高, 移动端 DRAM 占比更是在 2014 年就已达到 55% 图 年国内 DRAM 市场结构 服务器端 11% 消费电子 8% 显卡 7% PC 19% PC 移动 服务器端 消费电子 移动 55% 显卡 资料来源 : 招商证券, 集邦科技 平面微缩趋近极限,3D 封装开辟新路 : 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 方敬请阅读末页的重要说明 Page 10

11 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 14 DRAM 制程更新对工艺步骤, 洁净室面积的要求 资料来源 : 招商证券,Micron 图 15 DRAM 技术发展路线图 资料来源 : 招商证券,Micron 2) NAND 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 ) 敬请阅读末页的重要说明 Page 11

12 图 16 Flash 存储器结构单元示意图 ( 浮栅 MOSFET) 资料来源 : 招商证券, Keithley Instruments Inc. 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 图 17 NAND 的写入 ( 左图 ) 和擦除 ( 右图 ) 操作示意图 资料来源 : 招商证券,Keithley Instruments Inc. 图 18 NAND 全球市场规模 ( 亿美元 ) E 资料来源 : 招商证券,IHS,China Flash Market 敬请阅读末页的重要说明 Page 12

13 NAND 未来发展趋势 : emmc/emcp 持续火热, 嵌入式存储市场广泛 :emmc 即嵌入式存储解决方案, 它把 MMC( 多媒体卡 ) 接口 NAND 及主控制器都封装在一个小型的 BGA 芯片中, 系统厂商只需要选择所需容量的 emmc 芯片, 而不用理会 NAND 品牌差异兼容性等问题, 从而简化新产品推出过程 而 emcp 则将 emmc 与 LPDDR 封装为一体, 可进一步减小模块体积, 简化电路连接设计, 主要应用于高端智能手机中 2014 年,eMMC/eMCP 受移动终端增长拉动, 需求旺盛, 在 NAND 比重达到 25%, 年复合增长率接近 60% emmc 5.0 已经是国内终端手机标配 此外, 大容量 emcp 模块的占比也会增加, 美光预计到 2018 年,32GB(eMMC)+24GB(LPDDR) 的 emcp 模块占比将超过 40% 图 19 emmc/emcp 市场变化趋势 资料来源 : 招商证券, 中关村在线 图 20 emmc/emcp 市场变化趋势 资料来源 : 招商证券,Micron SSD 前景可期 : 除嵌入式产品之外,SSD 也是 NAND 的主战场之一, 大数据存储和高速传输需求让 500GB 以上的 SSD 在服务器市场需求快速增加 而在 PC 端,HDD 也逐渐无法抵挡 SSD 的攻势, 从 2010 到 2015 年, 主流 HDD 的性能, 容量, 成本几乎 敬请阅读末页的重要说明 Page 13

14 没有太大变化, 而 SSD 却是紧跟摩尔定律, 在读写速度, 容量等方面都进步极大, 性 价比飙升 表 2: 主流 HDD 和 SSD 过去五年性价变化对比 产品 指标 增幅 HDD 主流产品容量 1T 1T 0% 旗舰产品容量 2T 6T 200% 主流产品容量价格比 2.5G/ 元 3.2G/ 元 26% SSD 主流产品容量 40G 256G 540% 旗舰产品容量 128G 2T 1460% 主流产品容量价格比 0.05G/ 元 0.42G/ 元 740% 资料来源 : 招商证券,PConline 图 21 西数 希捷 2016 Q2HDD 出货量同比暴跌 ( 单位 : 万块 ) 2015Q2 2016Q 西部数据 希捷科技 资料来源 : 招商证券, 西数 / 希捷 2016Q2 财报 目前 HDD 市场只剩西部数据, 希捷科技和东芝三家厂商,2015 年分别占据了 HDD 市场规模的 43.6%,39.8%,16.5% 从西部数据和希捷科技两家发布的 2016Q2 财报上可以看出,HDD 市场惨淡, 两者出货量分别为 4970 万和 4590 万快, 同比猛跌 18.5% 和 19.2%, 此外, 其 HDD 的平均价格也分别降至 60 美元和 58 美元 在这样的情况下, 目前 HDD 的全球市场规模已经萎缩至 300 多亿美金, 可以肯定, 未来随着 SSD 的降价和扩容,HDD 的市场将进一步被 SSD 蚕食 图 年 NAND 细分市场占比 闪存卡 14% U 盘 5% 其他 4% 嵌入式产品 41% 嵌入式产品 SSD 闪存卡 U 盘 SSD 36% 其他 资料来源 : 招商证券,China Flash Market 敬请阅读末页的重要说明 Page 14

15 此外 PC 端已有 SSD 容量由 128GB 向 256GB 的替换升级也会拉动 SSD 的需求量, China Flash Market 预估 2016 年 SSD 将大约消耗 NAND 36% 的产能 美光产业分析部门预测, 年之间,SSD 在数据中心, 企业端, 笔记本和台式机的位元年复合增长率将分别高达 55% 53% 54% 和 25%, 到 2019 年,SSD 会消耗超过 50% 的 NAND, 且 SSD 移动 NAND 合计将超过 NAND 总数的 90% 技术上由 2D 向 3D 转变 : 目前,16nm 28nm 仍然是 NAND Flash 的主流制程, 不过随着 2D NAND Flash 制程微缩逐渐逼近物理极限, 平面微缩工艺的难度越来越大, 尤其是进入 16nm 后, 继续采用平面微缩工艺的难度和成本已经超过 3D TSV 技术, 几大存储器龙头公司在 年均已成功量产 16nm NAND, 但出于经济意义和未来发展前景的考虑, 这些公司都没有进一步推出更小的平面制程, 而是纷纷开始转攻 3D NAND 图 23 NAND 2D 转 3D 发展路线图 资料来源 : 招商证券,Micron 价格短期呈上涨趋势 : 此外, 由于三星, 东芝等厂商均把大量的人力物力投入了 1z nm (15 nm 以下 ) 平面制程和 3D NAND, 但进展却不如预期顺利, 故整体 NAND 产量受到影响,NAND 价格在经历了 2015 大跌之后, 已于 2016 年 3 月底触底反弹, 到 7 月为止, 各大 NAND 厂商涨幅已达 15%-20% 但在新制程和新技术逐渐成熟之后,NAND 价格也将趋向稳定 图 24 NOR 全球市场规模 ( 亿美元 ) 串行 并行 E 2014E 2015E 资料来源 : 招商证券, 中国半导体行业信息网 3) NOR Flash 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, 敬请阅读末页的重要说明 Page 15

16 然而其擦除是以 KB 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 NOR Flash 未来发展趋势 : 车用电子发展势头好 : 过去 NOR Flash 芯片主要应用多数以手机为主, 用来储存代码程序, 但自从智能型手机开始导入 emmc 解决方案后, 手机中采用 NOR Flash 比重大幅降低, 被 NAND 夺取了智能手机这一大市场的 NOR 只能另寻战场, 目前发展的最好的当属车用电子市场, 且在车体本身和外围娱乐导航等车载设备系统都能看到到 NOR Flash 的身影,Honda Toyota 采用美光的 NOR Flash 芯片,Nissan 则联手东芝, 其采用的内嵌式 NOR Flash 芯片容量大多是 230Mb 以上 工控, 网通领域增长快 : 除车用电子之外,NOR Flash 芯片也大量导入工控领域 网通设备等领域, 且同样多采用高容量 NOR Flash 芯片, 未来成长空间仍相当可观 并行衰弱, 串行增长 : 并行 NOR 闪存由于管脚多, 集成度低等缺点, 已经逐渐被管脚少, 集成度高的串行 NOR 闪存所取代, 近年来全球 NOR Flash 市场规模总体变化不大, 但内部来看则呈现串行 NOR Flash 增长, 并行 NOR Flash 衰退的趋势 二 传统存储器的挑战 VS. 新型存储器的机遇 现有存储技术进步的速度无法满足电子产品性能提升的要求, 为新型半导体存储器的发 展提供了契机, 本章我们将从现有存储器面临的挑战入手, 对比各类新型存储器的发展 现状, 并重点分析了 3D NAND,PCRAM 和 3D XPoint 技术 1. 现有存储器技术存在不足, 难以满足市场需求 1) 存储技术是电子产品性能提升的瓶颈之一 目前存储器行业的主要矛盾是日益增长的终端产品性能需求和尚未出现重大突破的技术之间的矛盾 具体一点来说, 是内存和外存之间巨大的性能差异造成了电子产品性能提升的主要瓶颈 这几年 SSD 成为电脑性能发烧友的最爱, 就是因为传统的机械硬盘的传输速度往往在 200MB/s 以内, 寻道时间约为 10ms 级 ; 而采用 NAND 闪存的 SSD 传输速度为数百 MB/s 到几 GB/s, 寻道时间约为 0.1ms 以内, 极大的速度提升让人感觉像是换了一个电脑 然而即便是顶级的 SSD, 其延迟也是百微秒级别, 离 DRAM 的十几纳秒相差近万倍, 传输速度也慢了一个数量级, 这就使得 DRAM 的性能不能全部发挥出来 敬请阅读末页的重要说明 Page 16

17 图 25 存储器性能瓶颈 资料来源 : 招商证券,Intel 2) 三大存储技术各有不足 除了内存和外存之间的性能差异之外, 三大主流半导体存储器本身也存在各种不足 : DRAM: 数据易失, 容量小 尽管 DRAM 各项性能都很优秀 纳秒级别的延迟, 数十 GB/S 的带宽, 接近于 长生不老 的寿命 ; 然而它是易失性存储器, 即断电后数据会丢失, 而且, 其成本比闪存高, 容量也较小 此外, 尽管平面微缩离物理极限还有一定的距离, 但是在 18/16nm 之后, 继续在二维方向缩减尺寸已不再具备成本和性能方面的优势 NAND: 延迟长, 寿命短, 平面微缩已到极限 NAND flash 具有低成本 ( 相对 DRAM), 低功耗, 非易失, 体积小等优点, 但由于其每次写入数据时需要施加高压, 让电子突破晶体管的氧化膜进入浮动栅极, 这一过程会对氧化膜造成不可逆的损害, 性能最好的 SLC NAND, 读写次数也只有 10 万次左右, 而差一些的 MLC,TLC 的读写寿命均以千次为量级 制程微缩方面的情况和 DRAM 类似, 进入 16nm 后,2D NAND 的成本在急剧上升, 继续采用平面微缩工艺的难度和成本已经超过 3D TSV 技术, 同时微缩之后绝缘层也需要相应减薄, 在薄到一定程度之后, 电子在电压不满足的情况下也可能会发生隧穿效应, 从而影响芯片的可靠性 NOR: 容量小, 写入擦除速度慢 NOR Flash 的优点是应用程序可以直接在 Flash 闪存内运行, 不必再把代码读到系统 RAM 中, 故其传输效率很高, 读取速度快, 在 1~4MB 的小容量时具有很高的成本效益, 主要被用来存储程序 然而 NOR 的器件结构要求其在进行擦除前先要将所有的位都写入 0, 这就使得其擦除速度很低, 同时由于闪存在写入数据之前, 均要求进行擦除, 故这也会影响到 NOR 的写入速度 综述所述, 现有存储器的问题主要有内外存性能不匹配 内存不具备非易失性 外存微缩难度大等等, 因此不少企业和研究机构都迫切想要研发出新型的存储器, 希望其能同时具有 DRAM 的高速度高寿命和 FLASH 的低成本非易失的优点 敬请阅读末页的重要说明 Page 17

18 2. 新型存储器的分类及其优势 传统的主流存储器面临挑战, 新型存储器技术值得关注 存储器的革新主要有两种手段, 一是结构上由 2D 变为 3D, 二是采用新的存储器件结构或材料, 本节我们将从器件结构, 功能特性, 研发进展等角度对目前最主要的新型存储器进行对比分析 3D XPoint 技术是最具革命性的热点技术, 故将放在下一节单独重点分析 1) 3D NAND 目前,NAND 闪存的主流制程为 28nm/16nm, 在制程进入 1x nm 世代后, 越来越紧邻的存储单元之间的串扰效应, 越来越薄的栅氧化层导致的电子击穿效应, 都使得 NAND 的可靠性和性能受到影响 此外, 在进入 2x nm 后, 由于平面微缩工艺的难度越来越大, 故微缩带来的成本优势开始减弱, 尤其是在 16nm 制程后, 继续采用 2D 微缩工艺的难度和成本已经超过硅通孔, 薄膜刻蚀等 3D 技术 也就是说, 不论是从性能角度考虑, 还是从经济角度考虑, 继续平面微缩都不是一个好办法, 因此三星, 海力士, 东芝, 美光等 NAND 龙头企业都在积极研发 3D NAND 技术 IC Insight 预计, 得益于 SSD 和智能手机的推动,2015 年开始 3D NAND 的出货量将以 200% 的年均复合增长率递增 (2D 则以每年 17.1% 的速度下降 ), 预计 2020 年达到 NAND 总量的 70% 的水平 3D NAND 优点 : 1) 轻松在宽松的制程下得到大容量 : 从 2D NAND 到 3D NAND 就像平房到高楼大厦, 因此单位面积的容量更高, 目前 32 层的 3D NAND 容量为 128Gb, 与主流 2D 1y/1znm NAND 的容量持平, 而 48 层的 3D NAND 存储器容量能够达到 256Gb, 即层数达到 48 层后,3D 的威力将初步显现, 三星预计 100 层的 3D NAND 容量将达 1TB 图 26 2D NAND( 左图 ) 与 3D NAND( 右图 ) 对比 资料来源 : 招商证券, 驱动之家 敬请阅读末页的重要说明 Page 18

19 2) 性能更高, 功耗更低 : 得益于立体堆叠的模式,3D NAND 能在较大的存储单元尺寸下保持很高的存储密度, 大的存储单元接受电荷信号更饱满, 栅氧的厚度也更大, 不易被击穿, 此外, 更大容量 NAND 读写不需要那么多次的重试, 因此总功耗也会更低 图 27 3D NAND 比 2D NAND 更具优势 资料来源 : 招商证券, 三星电子 主流技术对比 : 由于 2D NAND 的架构关键在于光刻, 而 3D 的关键则在于高深宽比通孔刻蚀, 薄膜加工等技术, 工艺差别较大, 故各家的进展并非一帆风顺 目前 3D NAND 的研发总体可以分为三大阵营, 分别是三星, 海力士, 东芝, 三家都有其相似的技术和专用技术 相同之处在于三者都使用了环栅技术 (GAA: gate-all-around), 使得栅极对导电沟道的控制能力更强, 关断电流也更小 不同之处主要有三点 : 1. 三星和海力士在其 3D NAND 产品中引入了电荷撷取层 (CTL:Charge Trap Layer), 即将电荷存储在高 K( 介电常数 ) 材料绝缘层 (SiN), 而传统的 2D NAND 则是将电荷储存在导电的多晶硅浮栅上, 氮化硅因为结构特殊, 电荷往往会自动积聚到它的晶格周围, 因此理论上这些电荷不会消耗, 从而其寿命可以得到提升 而 Intel/ 美光方面则是仍然采用传统的浮栅极, 理由是这项技术在 2D NAND 中已经久经考验, 比较成熟 图 28 三星 3D NAND 技术简图 图 29 三星 3D NAND 细节图 资料来源 : 招商证券, 三星 资料来源 : 招商证券,MicroComputer 敬请阅读末页的重要说明 Page 19

20 2. 东芝 / 闪迪, 西部数据在 3D NAND 方面是合作关系 ( 西部数据 2016 年收购了闪迪 ), 均使用一项名叫 BiCS(Bit Cost Scaling: 位成本可扩展技术 ) 的技术, 其 3D 堆栈上所有存储器单元可以采用相同的晶圆沉积步骤同时生产出来, 而且堆叠的存储器单元每个位行只需要一个位线, 故可以随 NAND 规模的扩大而降低成本, 号称在所有 3D NAND 闪存中核心面积最低, 成本最低 2015 年, 东芝 / 闪迪推出了 48 层第二代 3D NAND Flash( 即 BiCS2), 该产品在一个 2bit/cell (16GB) 的芯片中堆叠了 48 个字线层, 容量为 16GB, 其采用的 U 型 NAND 串结构可以提高阵列密度 3. 东芝和海力士使用自对准多晶硅栅, 而三星则是通过大马士革工艺淀积金属栅 图 30 东芝 3D NAND 结构图图 31 东芝 3D NAND 存储单元细节图 ( 环栅结构 ) 资料来源 : 招商证券, 东芝资料来源 : 招商证券,Toshiba IEDM 07 p.449 图 32 主流存储器厂商的 NAND Flash 技术路线图 资料来源 : 招商证券,Techinsights 研发进展 : 三星最早在 2013 年开始量产 3D NAND, 并在 2016 年 8 月的闪存峰会上展示了 64 层 3D NAND 产品 至此, 三星, 东芝, 西部数据均已成功研发出 64 层 3D NAND 产品, 前两者均预计 2016 年底开始量产 64 层 3D NAND 东芝和西部数据联手, 意图挑战三星存储器霸主地位, 双方未来三年将在 3D NAND 方面投入 146 亿美 敬请阅读末页的重要说明 Page 20

21 元, 并在 2018 年实现 3D NAND 出货量占其总体 NAND 90% 以上的目标 国内武汉新 芯与飞索 (Spansion) 签订合作协议共同研发 3D NAND 技术,2015 年其 9 层 3D NAND 芯片已通过电气测试, 预计 2017 年底或 2018 年初会推出 48 层 3D-NAND 产品 表 3: 中外存储器公司 3D NAND 进展对比 公司 已量产层 所用制程 容量 (GB) 研发层数 量产计划 所用关键技术 三星 nm(48) 256(48 层 ) 年下半年 电荷撷取技术 西部数据 暂无 层未知 ) 256, 最高 0.5TB 年上半年 BiCS3,3 位元型技术 东芝 / 闪迪 48( 小批 ) 32 MLC:128,TLC: Q3 BiCS2,2 位元型技术 美光 / 英特 nm MLC:256,TLC: Q3 量产 32 层 传统浮栅技术 海力士 暂无 32 nm MLC:128,TLC:256B 垂直堆叠阵列 武汉新芯 暂无 未知 电荷撷取技术 资料来源 : 招商证券 图 33 3D NAND 专利数目前六大公司相对占比图 34 3D NAND 国际文献发表数 ( 单位 : 篇 ) 东芝 11% 美光 9% 英特尔 12% 海力士 7% 三星 36% 闪迪 25% 35 三星 闪迪 20 英特尔 15 东芝 10 美光 5 海力士 资料来源 : 招商证券, 世界知识产权组织 ( 截止 2015) 资料来源 : 招商证券,Web of science 2) 3D DRAM 与 NAND Flash 技术类似,DRAM 的平面微缩也正在一步步接近极限并向垂直方向扩展 :18/16nm 之后, 由于薄膜厚度无法继续缩减, 以及不适合采用高介电常数 (High-K) 材料和电极等原因, 继续在二维方向缩减尺寸已不再具备成本和性能方面的优势 与 DRAM 的 3D 技术路线不同的是,DRAM 的 3D 技术体现在芯片层面, 而非晶体管层面, 即其 3D 指的是 3D 封装 采用 TSV 将多片芯片堆叠在一起, 随着电子产品对 DRAM 容量要求和性能的提升, 未来 3D DRAM 比重将呈上升趋势 3D DRAM 优点 : 1) 宽松尺寸下实现高密度容量 : 和 3D NAND 类似,Z 方向的扩展能力使得其对平面微缩的要求降低, 从而可以在较大制程下大幅提升单根内存条容量 2) 寄生阻容减少, 延时串扰降低 : 改用 3D 封装之后, 很多芯片之间的连接由水平面上交杂的铜线变成了垂直方向的通孔, 互连线长度大大降低, 从而极大的改善了后道线间延时和串扰, 对芯片性能的提升有很大的帮助 研发进展 : 三星作为 DRAM 领域的绝对龙头, 多年前就开始研发 3D TSV( 硅通孔 ) 封装技术,2015 年 11 月, 三星成功量产使用 3D TSV 技术的 128GB DRAM 服务器模块 其他厂商也在积极开发 3D TSV 封装技术, 其中海力士于 2015 年发布高频宽记忆体 (HBM), 该技术将 TSV 与微凸块接合, 实现了四个 DRAM 芯片和一个逻辑芯片的堆敬请阅读末页的重要说明 Page 21

22 叠 图 35 三星 DDR4 内存条扫描电镜图 图 36 海力士 HBM 结构图 资料来源 : 招商证券,Tech Insights 资料来源 : 招商证券,Tech Insights 图 37 3D DRAM 专利数前六大公司相对占比图 38 3D DRAM 国际文献发表数 ( 单位 : 篇 ) 东芝 6% 闪迪 8% 海力士 6% 英特尔 21% IBM 6% 三星 三星 31% 美光 22% 美光 英特尔 闪迪 东芝 海力士 IBM 资料来源 : 招商证券, 世界知识产权组织 ( 截止 2015) 资料来源 : 招商证券,Web of science 3) PCRAM( 相变存储器 ) PCM(Phase Change RAM): 相变随机存储器, 此类存储器利用材料晶态和非晶态之间转化后导电性的差异来存储信息, 过程主要可以分为 SET 和 RESET 两步 当材料处于非晶态时, 升高温度至高于再结晶温度但低于熔点温度, 然后缓慢冷却 ( 这一过程是制约 PCM 速度的关键因素 ), 材料会转变为晶态 ( 这一步骤被称为 SET), 此时材料具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度, 故电阻率较低 当材料处于晶态时, 升高温度至略高于熔点温度, 然后进行淬火迅速冷却, 材料就会转变为非晶态 ( 这一步骤被称为 RESET), 此时材料具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度, 故电阻率很高 相变材料在晶态和非晶态的时候电阻率差距相差几个数量级, 使得其具有较高的噪声容限, 足以区分 0 态和 1 态 目前各机构用的比较多的相变材料是硫属化物 ( 英特尔为代表 ) 和含锗 锑 碲的合成材料 (GST), 如 Ge 2 Sb 2 Te 5 ( 意法半导体为代表 ) 敬请阅读末页的重要说明 Page 22

23 图 39 PCM 结构图 图 40 PCM 读 / 写 / 擦除 (read/set/reset) 所用脉冲 资料来源 : 招商证券, 科技世界网 资料来源 : 招商证券, 基于二极管选通相变存储阵列器件的建模与优化 表 4: 主流 PCM 驱动管性能及成本对比高密度可行性 制备工艺成本 功耗 研究机构代表 二极管 优秀 低 较差 三星 双极晶体管 中等 高 中等 意法半导体 MOS 管 差 中等 低 日立 资料来源 : 招商证券,Full Integration of Highly Manufacturable 512 Mb PRAM Based on 90 nm Technology PCM 优点 : 1) 低延时, 读写时间均衡 : 与 NAND flash 相比,PCM 在写入更新代码之前不需要擦除以前的代码或数据, 故其速度比 NAND 有优势, 读写时间较为均衡 2) 寿命长 :PCM 读写是非破坏性的, 故其耐写能力远超过闪存, 用 PCM 来取代传统机械硬盘的可靠性更高 3) 功耗低 :PCM 没有机械转动装置, 保存代码或数据也不需要刷新电流, 故 PCM 的功耗比 HDD,NAND,DRAM 都低 4) 密度高 : 部分 PCM 采用非晶体管设计, 可实现高密度存储 5) 抗辐照特性好 :PCM 存储技术与材料带电粒子状态无关, 故其具有很强的抗空间辐射能力, 能满足国防和航天的需求 PCM 研发难点 : 1. 器件功耗与工作速度难以兼顾 : 为了减少器件功耗, 应尽量降低相变材料的热导率, 以提高热量的利用率 ; 但同时过低的热导率使得相变单元的绝热常数过高, 不利于 RESET 后的快速冷却, 影响了器件的工作速度 2. 高密度情况下的热串扰问题 : 在当一个器件单元中的相变材料处在高温熔化状态时, 热扩散可能会使相邻的器件单元也发生相变, 从而导致存储信息的错误 3. 串扰电流影响数据稳定性 : 目前二极管作为选通管是高密度 PCM 的一个主要选择, 但其制备工艺会导致同一字线上相邻二极管之间会形成寄生三极管, 而寄生三极管的串扰电流又会影响数据稳定性 4. 材料需兼备高结晶温度和低熔点 : 数据保存时间与非晶态的热稳定性有关, 即 PCM 材料需要几倍较高的结晶温度, 同时, 为了降低功耗, 其熔点不能太高 敬请阅读末页的重要说明 Page 23

24 5. 相变前后体积变化影响器件可靠性 : 材料发生非晶态和晶态之间的转变时, 其体积 会发生变化, 进而可能导致相变材料和与其接触的电极材料发生剥离, 器件失效 各机构研究进展 : 目前国内外有不少企业和科研机构都在研究相变存储器, 但由于 PCM 技术还有很多难点有待攻克, 故大多机构的研发进展并不顺利, 能实现小规模量产的只有三星 美光等海外大公司, 以及国内中科院上海微系统所与信息技术研究所 ( 与中芯国际合作 ) 国内目前对 PCM 技术的研究机构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 今年 5 月,IBM 方宣称其在 PCM 领域取得了重大突破, 其使用能够以多种不同的电阻级别来实现每单元 3 bit ( 即 8 个电阻级别 ) 的容纳能力, 其速度比 NAND 快 70 倍, 读取延迟仅为 1 微秒, 是 DRAM 的十倍, 写入周期长达 100 万次 图 41 IBM 发布的 PCM 样品 资料来源 : 招商证券,IBM 图 42 PCM 专利数目前四大公司相对占比图 43 PCM 国际文献发表数 ( 单位 : 篇 ) IBM 24% 美光 9% 索尼 42% 索尼 三星 IBM 50 三星 25% 美光 资料来源 : 招商证券, 世界知识产权组织 ( 截止 2015) 资料来源 : 招商证券, Web of science 表 5: 国内外机构 PCM 研究进展 机构名称 使用制程 容量 写入速度 读取速度 使用材料 选通管 三星 20 nm 8GB 40MB/s 二极管 美光 45 nm 1GB 400MB/S GST 双极晶体管 意法半导体 90 nm 4M 未知 N-Ge-GST 双极晶体管 IBM 90 nm 未知 MIEC( 混合离子电子导电体 ) MOS 中科院上海微系统 45 nm 8M 未知 GST 二极管 华中科技大学 未知 1M 未知 资料来源 : 招商证券 敬请阅读末页的重要说明 Page 24

25 表 6:PCM 国内产学研机构具体参与情况公司名研发进展中科院微系统所 & 中芯国际 2007 年, 双方签订合作协议, 共同开发 PCM 技术 2011 年, 以中科院上海微系统与信息技术研究所自主研发的相变存储器工艺为基础, 开发了一款容量为 1kb, 可应用于射频标签 (RFID) 的嵌入式相变存储芯片, 成功实现了相变存储器的读写功能 测试结果显示, 该芯片可重复擦写次数达到 107 次, 在 80 条件下数据保持力达到 10 年, 圆片 (wafer) 成品率达到 99.9%, 同年双方还合作, 研发出一款容量为 8Mb 的 PCM 产品 华中科技大学 & 武汉新芯 资料来源 : 招商证券 研制成功容量为 1Mb 的 PCM 芯片, 相变速度达到同期全球最快 (0.2ns) 4) RRAM( 阻变存储器 ) RRAM(Resistive Random Access Memory): 阻变式存储器, 典型的 RRAM 由两个金属电极夹一个薄介电层组成, 介电层作为离子传输和存储介质 选用材料的不同会对实际作用机制带来较大差别, 但本质都是经由外部刺激 ( 如电压 ) 引起存储介质离子运动和局部结构变化, 进而造成电阻变化, 并利用这种电阻差异来存储数据 目前最被接受的 RRAM 机理是导电细丝理论, 基于细丝导电的器件将不依赖于器件的面积, 故其微缩潜力很大 RRAM 所选用的材料多为金属氧化物, 此外硫化物及有机介质材料也受到了一定的关注 图 44 RRAM 的器件单元及存储原理 资料来源 : 招商证券,Crossbar RRAM 优点 : 1. 高速度 :RRAM 擦写速度由触发电阻转变的脉冲宽度决定, 一般小于 100ns 2. 耐久性 :RRAM 读写和 NAND 不同, 采用的是可逆无损害模式, 从而可以大大提高其使用寿命 3. 具备多位存储能力 : 部分 RRAM 材料还具备多种电阻状态, 使得当个存储单元存储多位数据成为可能, 从而提高存储密度 RRAM 缺点 : 1. 丝状电阻扩展难 : 大多数的 RRAM 都是丝状的, 需要编程来统计每一次丝状的变化 因此要想扩展非常困难, 速度也不够理想, 同时, 丝状结构会提升电流密度, 并对性能与可靠性造成影响性 敬请阅读末页的重要说明 Page 25

26 2. 相邻单元串扰和器件微缩能力难以兼顾 :RRAM 的存储器矩阵可以分为无源矩阵和有源矩阵两种, 无源矩阵的存储单元由一个阻变元件以及一个非线性元件 ( 一般使用二极管 ) 相连, 后者的作用是使阻变元件得到合适的分压, 从而避免阻变元件处于低阻态时, 存储单元读写信息丢失 这种方法的优点是设计比较简单, 工艺微缩性好, 但采用无源矩阵会使相邻单元间不可避免地存在干扰 有源单元则由晶体管来控制阻变元件的读写与擦除, 虽可良好隔离相邻单元的干扰, 但其设计更复杂, 且器件可微缩性较差 图 45 两种 RRAM 存储单元 :(a) 无源电路,(b) 有源电路 资料来源 : 招商证券, 百度文库 RRAM 综述 研发进展 :2000 年, 研究人员首次在二元金属氧化物和钙钛矿薄膜中发现了电阻随电压变化的材料, 并开始研究其在 RRAM 中的运用,2008 年, 惠普实验室公布了基于 TiO 2 的 RRAM 器件 ;2011 年, 索尼公布了其基于超细铜丝的 RRAM 产品 ; 2014 年, 美光在 IEDM 大会上公布了采用 27nm CMOS 工艺制造的 RRAM 原型, 但这些进展大多还处于实验室研发阶段, 更有传闻称惠普将于今年年底终止 RRAM 的研发 图 46 索尼 RRAM 结构示意图 图 47 Crossbar RRAM 产品 直径小于 10nm 铜丝 资料来源 : 招商证券, 索尼 资料来源 : 招商证券,Crossbar 敬请阅读末页的重要说明 Page 26

27 图 48 RRAM 专利数目前四大公司相对占比图 49 RRAM 国际文献发表数 ( 单位 : 篇 ) 美光 17% 海力士 5% 希捷科技 4% 三星 74% 三星 美光 海力士 希捷科技 资料来源 : 招商证券, 世界知识产权组织 ( 截止 2015) 资料来源 : 招商证券,Web of Science 在所有研发机构中, 比较接近商业化的是一家名为 Crossbar 的创业公司, 它在 2013 年推出了邮票大小的 RRAM 产品原型, 可以存储 1TB 数据, 且具备比 NAND 快 1000 倍的写入速度和高 1000 倍的耐久性 该公司的技术特点在于导电 丝状体 是由离散的金属颗粒而不是连续的金属丝组成, 且采用了微缩能力更好的非晶硅膜作为形成丝状体的基质材料 Crossbar 还表示其产品在 3D 架构中各分层还可以彼此叠加, 从而扩大内存容量, 此外, 借助具体的架构技术,RRAM 可以层叠在 CMOS 逻辑栅上, 从而产生逻辑芯片和内存整合的系统解决方案 2016 年 3 月,Crossbar 公司宣布正式进军中国市场, 并与中芯国际达成合作, 将使用其 40nm 以下工艺研发生产运用于消费电子和物联网市场的 RRAM 表 7:RRAM 国内产学研机构参与情况公司名研发进展中芯国际 2016 年 3 月 10 日, 中芯国际和 RRAM 技术领导者 Crossbar 共同宣布双方就非易失性 RRAM 开发与制造达成战略合作协议 中科院微电子所 2012 年, 用实验手段直接观测到 RRAM 器件中导电通路的动态生长过程之后, 又首次在国际上开展了 RRAM 器件中热电效应的实验研究, 阐明了载流子在导电通路中的输运机制 2016 年, 中国科学院微电子研究所研究员刘明团队在 RRAM 三维垂直交叉阵列研究领域取得新进展, 提出了自对准高性能自选通 RRAM 结构, 为高密度 低成本三维垂直交叉阵列的制备提供了解决方案 资料来源 : 招商证券, 中芯国际, 中国科学院网 5) MRAM( 磁存储器 ) MRAM(Magnetic RAM): 磁性随机存储器, 它靠磁场极化而非电荷来存储数据 MRAM 的存储单元由自由磁层, 隧道栅层, 固定磁层组成 自由磁层的磁场极化方向可以改变, 固定层的磁场方向不变, 当自由层与固定层的磁场方向平行时, 存储单元呈现低电阻 ; 反之呈高电阻, 通过检测存储单元电阻的高低, 即可判断所存数据是 0 还是 1 敬请阅读末页的重要说明 Page 27

28 图 50 MRAM 存储单元图 51 MRAM 原理图 ) 资料来源 : 招商证券, 捷配点子通资料来源 : 招商证券,MRAM 综述 ( 百度文库 ) MRAM 优点 : 1. 非易失 : 铁磁体的磁性不会由于断电而消失, 故 MRAM 具备非易失性 2. 读写次数无限 : 铁磁体的磁性不仅断电不会消失, 而是几乎可以认为永不消失, 故 MRAM 和 DRAM 一样可以无限次重写 3. 写入速度快, 功耗低 : 在目前已经得到的实验样品中,MRAM 的写入时间可低至 2.3ns, 并且功耗极低, 可实现瞬间开关机并能延长便携机的电池使用时间 4. 和逻辑芯片整合度高 :MRAM 的单元可以方便地嵌入到逻辑电路芯片中, 只需在后端的金属化过程增加一两步需要光刻掩模版的工艺即可 再加上 MRAM 单元可以完全制作在芯片的金属层中, 甚至可以实现 2~3 层单元叠放, 故具备在逻辑电路上构造大规模内存阵列的潜力 MRAM 缺点 :MRAM 最大的缺点是存储单元之间存在干扰, 当对目标位进行编程时, 非目标位中的自由层很容易被误编程, 尤其是在高密度情况下, 相邻单元间的磁场的交叠会愈加严重 研发进展 :1995 年摩托罗拉公司 ( 后来芯片部门独立成为飞思卡尔半导体 ) 演示了第一个 MRAM 芯片, 并生产出了 1MB 的芯片原型 2007 年, 磁记录产业巨头 IBM 公司和 TDK 公司合作开发新一代 MRAM, 使用了一种称为自旋扭矩转换 (spin-torquetransfer,stt) 的新型技术, 从此 MRAM 进入了加速发展阶段,2008 年, 东芝利用 STT 技术, 做出了仅有邮票大小, 容量高达 1GB 的 MRAM 芯片 ;2011 年, 三星电子买下拥有 STT-MRAM 技术的开发公司 Grandis, 介入这一领域 ;2014 年, 美光和 Sony 在 ISSCC 会议上表示, 正在研发 27nm 制程的 16GBRRAM;2016 年 7 月, 三星与 IBM 携手研发出 11nm STT-MRAM, 同时, 三星晶圆代工厂预计在 2018 年底将以 28 纳米 FD-SOI 制程提供 SST-MRAM 的风险生产, 预计在 3 年内开始量产 敬请阅读末页的重要说明 Page 28

29 图 52 MRAM 专利数目前四大公司相对占比图 53 MRAM 国际文献发表数 ( 单位 : 篇 ) IBM 13% 三星 高通 19% 美光 20% 三星 48% 美光高通 IBM 资料来源 : 招商证券, 世界知识产权组织 ( 截止 2015) 资料来源 : 招商证券,Web of Science 6) FRAM( 铁电存储器 ) FRAM(Ferromagnetic RAM): 铁电存储器, 结构与 DRAM 大致相同, 基本单元由一个 MOS 管和电容组成, 但 DRAM 电容的电介质材料断电后无法继续存储电荷,FRAM 则使用断电后电荷不会丢失的铁电晶体作为电介质, 当在平面电容中加电压时, 铁电晶体在电场作用下会形成极化电荷, 正向电压下所形成的极化电荷较低, 反向电压下所形成的极化电荷较高, 这种二元稳定状态使其可以作为存储器 FRAM 的结构主要有两种 : Planar 结构的工艺相对简单, 其隔离采用 LOCOS 结构, 且不需要使用 CMP, 而 Stacked 结构的集成度较高, 但工艺更加复杂, 需要用到 STI( 浅槽隔离 ) 和 CMP 图 54 两种主流 FRAM 结构 资料来源 : 招商证券,Microcomputer FRAM 优点 : 兼具 DRAM 的高速读写优势和 Flash 的非易失性 FRAM 缺点 : 最大的缺点是微缩能力差, 难以采用纳米级工艺, 此外, 目前还没有发现一种完美的铁电晶体材料, 主流材料 PZT( 锆钛酸铅 ) 和 SBT( 钽酸锶铋 ) 都有缺点 : PZT 能够使用溅射和 MOCVD 等方法在较低的温度下制备, 原材料便宜 晶化温度较低, 工艺集成较容易, 但有疲劳退化问题, 而且铅会对环境造成污染 SBT 虽然环保且无疲劳退化问题, 但其制作工艺温度较高, 工艺集成难度很大 FRAM 研发进展 :2006 年, 东芝在 ISSCC 会议上宣布其成功开发数据传输速度达 敬请阅读末页的重要说明 Page 29

30 200MB/s 的 64Mbit FRAM;2009 年, 东芝使用 130nm CMOS 工艺, 将 FRAM 的速度提升 1.6GB/s, 容量扩大至 128Mbit 2016 年, 富士通成功开发出具业界最低运行功耗的 64 Kbit FRAM, 瞄准低功耗小型化电子组件设备市场, 例如以电池供电的可穿戴设备 测量设备及智能电表等产品 图 55 FRAM 专利数目前四大公司相对占比图 56 FRAM 国际文献发表数 ( 单位 : 篇 ) 西部数据 8% 海力士 11% IBM 7% 索尼 14% 三星 23% 东芝 37% 东芝 三星 索尼 海力士 西部数据 IBM 资料来源 : 招商证券, 世界知识产权组织 ( 截止 2015) 资料来源 : 招商证券,Web of Science 3. 揭秘英特尔 / 美光的 3D XPoint 技术 在 2015 年七月的 IDF( 英特尔技术峰会 ) 上, 英特尔和美光联手发布了一种名为 3D XPoint 的新一代存储器技术, 该技术历经十载研发, 第一次在实际产品上实现了低成本, 高速度, 非易失三大性能的结合, 被英特尔称为自 1989 年 NAND 被发明后存储领域的第一次质的突破 图 57 存储器的发展史 图 58 3D XPoint 集 NAND 与 DRAM 的优点 资料来源 : 招商证券,Intel 资料来源 : 招商证券,Intel 具体来看,3D XPoint 的随机写入速率是 NAND 的 1000 倍, 密度是 DRAM 的 10 倍, 英特尔还将使用 3D XPoint 技术的初期实际产品和其另一款使用 NAND 闪存的顶级 SSD 进行性能对比, 结果表明 8 线程情况下前者的 4K 随机读写速度是后者的 5.44 倍, 而在单线程中差距扩大到 7.25 倍, 英特尔表明该技术的延迟高于闪存, 略低于内存, 可以在靠近处理器的位置以较低成本存储更多数据, 显著降低延迟, 以加快分析速度 敬请阅读末页的重要说明 Page 30

31 图 59 3D XPoint 延迟介于 DRAM 和 NAND 之间 图 60 3D XPoint 原型硬盘 Optane 资料来源 : 招商证券,Intel 资料来源 : 招商证券, 驱动专家 3D XPoint 除了在性能方面兼具闪存的非易失性和内存的高传输速度优点之外, 还拥有更为宽松的蚀刻尺寸要求和层数添加空间, 这使得其制备成本也会显著降低 英特尔和美光在存储器方面连续多年被三星 海力士, 东芝等日韩厂压制, 此次联手推出这一颠覆性新型存储器, 无疑夺取了不少本聚焦在三星和海力士重点推进的 3D NAND 上的目光, 在本节报告中, 我们将针对 3D XPoint 展开详细分析, 揭秘其究竟缘何具备如此高的综合性能, 它的运用场景在哪里, 目前还存在哪些难点以及量产计划 1) 结构特点及工作原理 轻松定位存储单元, 随机写入速率飙升 :NAND Flash 无法定位到具体每一个存储单元, 只能定位到一个 page( 每个 page 大约是 4KiB 或者 8KiB) 的内容, 写入需要整个 page 写入, 擦除更是需要一次性擦除整个 block( 每个 block 为 128 或 256KiB), 这导致 NAND 需要使用复杂的垃圾回收算法, 极大的影响了其随机访问性能 而在 3D XPoint 中,1280 亿个密集排列的存储单元被交叉的字线和位线连接, 从而使得每一个记忆体都能通过两条导线进行定位, 以支持对单个存储单元的独立访问, 每个存储单元存储一位数据, 故其和 DRAM 类似, 具有很好的随机性能 图 61 3D XPoint 结构图 资料来源 : 招商证券,Intel 基于电阻变化, 向晶体管 Say goodbye:3d XPoint 是通过其使用的特殊材料的电阻 敬请阅读末页的重要说明 Page 31

32 变化来存储数据, 当这种材料处于高电阻状态时, 存储单元表示 0, 反之则为 1 这种无晶体管的设计意味着其能耗能够大幅降低, 同时存储器单元的密度也能得到极大的提升 图 62:3D XPoint 存储器工作示意图 资料来源 : 招商证券,Intel 无伤害读写, 功耗降低寿命延长 :NAND 在写入数据时需要施加高压让电子突破氧化膜绝缘体, 进入浮栅, 而这个膜不是无限寿命的, 每次承受高电压, 就会带来较大的功耗, 同时也会对氧化膜造成损害, 故目前常见的 NAND 读写寿命大多以千次为量级, 而 3D XPoint 的则是通过在字线与位线之间提供特定电压来激活选择器, 并改变存储单元材料的电阻来进行读写, 这一变化基本可以认为是可逆的,Intel 方宣称其使用寿命将千倍于 NAND, 即读写次数达到百万量级, 当然这一寿命相对于耐久性几乎无限的 DRAM 来说还是略微逊色 32 层 VS. 2 层,Z 方向堆叠潜力大 : 随着平面方向微缩难度不断增大, 不少产品都开始进攻 Z 方向的空间, 目前三星等存储器龙头厂家都在大力推进 3D NAND, 对于 3D NAND 来说, 要做到 32 层其容量才可追平 1y/1znm 制程下的 2D NAND(128Gb), 然而 32 层已不是一个可以被简单攻克的技术 而 3D XPoint 目前在 20nm 制程下仅需两层即可存储 128Gb 数据, 因此其未来在 Z 方向扩展的潜力要显著优于 3D NAND 首创选择器概念, 实现数据高效管理 : 存储单元通过改变发送至每个选择器的电压实现访问和写入或读取, 这比 NADN 的寻址方式更加高效, 它可以有效的调控数据存储位置, 并让数据不单单只呆在一个地方, 还能够将数据合理 快速的分配到没有被使用的存储单元, 省略了逐个排查寻址的过程, 从而提升数据吞吐的速度, 让读取擦写都变得高效 相变 阻变或其他? 实际材料仍成谜 : 目前针对 3D XPoint 技术最大的谜团就是其存储单元所用的材料究竟属于哪一种, 英特尔和美光方面只表明该材料的数字化信息由其电阻水平决定, 并指明某种硫化物材料是重点材料, 由于目前相变存储器主要材料就是硫化物, 故不少业内人士推测给技术其实属于相变存储器, 但 Intel 和美光均再三强调其不属于相变记忆体 我们通过对英特尔 / 美光公布的有关材料, 工作原理, 研发时间等信息, 再结合此前双方在有关方面申请的类似专利, 认为其大概率属于 类 PCM, 小概率属于 类 RRAM 英特尔方说该技术不属于 PCM, 应该是因为其主要革新成果体现在底层存储单元材料以及选择器的设计层面, 而非物理流程中的相变机制, 业界普遍认为这一成果要远远领先于东芝及三星的 STT-MRAM( 自旋磁性 RAM) 方案, 以及惠敬请阅读末页的重要说明 Page 32

33 普一直没有实际产品的 RRAM 2) 应用领域 由于 3D XPoint 具备极高的访问速度, 能够很好的降低处理器和数据之间的延迟性能瓶颈, 故具备很大的运用前景,Intel 认为该技术既可用于 NAND 闪存, 也具备做 DRAM 内存的潜力 在 IDF 会议上,Intel 也阐述了 3D XPoint 闪存的未来用途,Intel 将存储系统分为热 (Hot) 暖 (Warm) 及 Cold( 冷 ) 三个层次, 这三个层次对性能的要求逐级降低, 同时对容量和低成本的要求逐级升高 3D XPoint 可在热 暖两个层级上发挥作用 其中热层的 3D XPoint 闪存有 DIMM 及 SSD 两种规格, 前者每通道带宽可达 6GB/s, 延迟 250ns, 更接近上一层级中每通道带宽 10GB/s 的 DRAM 内存 后者通常使用 PCI-E 3.0 x4 通道, 带宽 3.2GB/s, 延迟低于 10ms, 使用同样接口的 3D NAND 闪存 SSD 延迟在 100ms 级别 Intel 表明其首先会在服务器产品上使用 3DX Point 技术, 用 3D XPoint 技术制造的 NVDIMM 和 SSD 都将直接与 CPU 连接 具体到行业来看, 在需要快速访问大量数据的领域都能有很好的运用, 比如机器学习 实时跟踪疾病和高清画质 (8K) 游戏等等 图 63 美光 3D XPoint 首先运用的领域 资料来源 : 招商证券,Micron 3) 现阶段技术难点及量产计划 3D XPoint 使用了至少 100 种新材料, 这会使得材料之间的交叉污染问题很严重, 为了解决该问题, 美光方面工程师表示需要更多的层叠沉积 ( 主要是 CVD) 和扩散步骤, 进而需要额外的设备, 这可能让资本支出与所需厂房空间比先前的最新一代快闪记忆体还要增加 3~5 倍, 此外未来 XPoint 技术每一次演进也预期会需要比 3D NAND 更多的支出与厂房空间 此外, 所需材料之多也容易引发供应链问题, 美光方面表明有一些材料可能只有单一供应商, 这会使得供应链断裂的危险增大 有关负责人表示目前该技术在英特尔和美光合资的 IM Flash 公司犹他州晶圆厂进行开发, 预计要到 2016 年底或 2017 年中才会进入量产 敬请阅读末页的重要说明 Page 33

34 图 64 IM Flash 公司犹他州晶圆厂 (3D XPoint 研发生产厂房 ) 资料来源 : 招商证券,Intel 4. 总结 :3D NAND/DRAM PCRAM 3D XPoint 是值得关注的 新型存储器 近年来, 在市场需求和新兴技术的推动下, 传统存储器向新型存储器的转变速度在加快, 我们从速度, 非易失性, 成本, 微缩能力, 当前研发情况等多种角度对各类存储器进行 了对比, 综合来看, 目前发展前景比较好的是 3D NAND 3D DRAM 和 PCM, 以及被 很多人认为是 类 PCM 的 3D XPoint, 其他大多还停留在实验室样品阶段, 造成这 种现象的原因主要有两种, 一是因为 RRAM,FeRAM,MRAM 等存储器本身研发难度 大 ; 二是因为 3D NAND 和 3D DRAM 涉及到的新技术新材料相对较少, 研发相对简单, 目前已有部分公司可以实现量产, 且该产品较之上一代 2D 闪存已经有很大的性能提升, 三星预计离 3D NAND 的极限到来还有好几年, 再加上还有 PCM 这个已经发展的比较 正规的预备军, 故各大公司目前并没有将重点精力和资源放在其他新技术的开发 因此 我们预计在未来几年里, 各大存储器厂商的主要战场将在 3D NAND 上, 而 3D NAND 之后的下一代存储器将大概率会是 PCM 或 3D XPoint 表 8: 新型存储器性能对比 存储器类型 3D XPoint STT-MRAM PCM RRAM FeRAM 指标 GST 类 TRAM CeRAM CBRAM TaOx 尺寸 (F: 制程规格 ) 2F² 10-25F² 4-10F² 4F² 未知 5-10F² 5-10F² 15F² 非易失性 是 是 是 是 是 是 是 是 可擦写次数 >10 12 > 读取访问时间 1-10 ns ns 100 ns 5-10 ns 未知 5-10 ns 5-10 ns 100 ns 写入访问时间 ns 1-10 ns 10 ns 10 ns 10 fs <10 ns <10 ns <20 ns 研发 & 量产进展 已小规模量产 三星预计 18 年底试产 有试制品 难实现 暂无试 制品 很难实现 有试制品 很难实现 微缩制程极限 3 nm <10 nm 10 nm 以 10 nm 5 nm 10 nm 10 nm 未知 当前试制品制程 20 nm 20 nm 20 nm 30 nm 800 nm 10 nm 28 nm 28 nm 功耗 低 低 低 低 低 低 低 中 成本 低 低 低 低 低 低 低 高 抗辐射性 未知 高 高 高 高 高 高 高 资料来源 : 招商证券, 日经技术在线 敬请阅读末页的重要说明 Page 34

35 三 紫光联手武汉新芯, 加快国内存储器发展 1. 发展存储器产业意义重大, 弯道超车机遇难得 半导体存储器芯片行业是一个高技术壁垒, 高资金壁垒, 高度垄断的 三高 行业, 粗看上去, 是一个难以啃下的硬骨头, 国家这两年砸下重金发展存储器, 能否实现存储器的国产化目标值得探讨 本章我们将从战略意义和经济意义两个角度来分析大陆发展存储器的必要性, 并论述我国为什么要选择此时大力发展存储器行业 1) 战略意义 : 中兴事件再次敲响警钟, 芯片国产化关乎国家信息安全 继 2013 年斯诺登事件之后, 今年 3 月发生的中兴通讯事件再次让我们认识到芯片国产化的紧迫性 因涉嫌违反美国对伊朗的出口管制政策, 中兴通讯在今年 3 月遭到美国商务部处罚 美商务部下令 : 限制中兴通讯在美国的供应商向中兴出口产品, 该出口限令可能会切断中兴通讯目前系统设计的关键器件供应 尽管出于缓和中美双方政治关系, 保护美芯片供应商利益等原因, 经过半个月的多方博弈后, 美国政府在该政策实施半个月后的 3 月 21 日宣布解除禁令, 但此次事件相当于给我国半导体行业的现状再次敲响了警钟 存储芯片作为半导体行业的重点产品, 是海量数据的载体, 在电子化, 数据化程度越来越高的今天, 数据就是每一个公民乃至国家的 电子身份证, 关乎信息安全和军事安全, 战略地位非常重要, 只要一天不能自主掌握关键技术, 命脉就仍然掌握于他人之手! 一旦两国关系僵化甚至开战, 美国政府实施彻底禁运, 将会给我国的经济和信息安全带来极大的打击, 因此加快我国存储芯片和整个半导体行业的国产替代速度, 以期早日摆脱发达国家的严重依赖! 图 65 中兴事件及美国阻止中国企业的主要手段 资料来源 : 招商证券,21 世纪经济报 敬请阅读末页的重要说明 Page 35

36 2) 经济意义 : 大陆存储芯片市场约 400 亿美元, 新兴市场空间更大 行业研究 存量市场约 400 亿美元 : 中国大陆作为最大的集成电路消费国, 自身企业的市场占有率却很低, 极大的消耗量, 自给率却很低, 这意味着巨额的进口 近年来, 集成电路进口额多次超过原油, 堪称我国第一大进口商品, 目前我国 80% 的高端芯片依赖于进口, 而芯片的利润和其技术含量高度相关, 为此国家每年都要向韩国, 美国, 日本等国家付出大量的外汇, 存储器更是半导体行业四大产品类型中自给率最低的一个,DRAM, NAND 两大存储芯片均由国外前三 四家公司就占据了 90% 以上的市场, 仅 2015 年前三季度, 中国购买了 120 亿美元的 DRAM 和 66.7 亿美元的 NAND flash, 分别占到全球消费的 21.6% 和 29.1% 图 66 集成电路进口额与原油进口额对比 ( 亿美元 ) 进口金额 : 集成电路 进口金额 : 原油 资料来源 : 招商证券,Wind 新兴市场快速增长, 潜力无限 : 受宏观经济不景气, 摩尔定律生命力减弱, 智能手机普及红利消耗殆尽等因素的影响, 半导体行业传统运用市场增速放缓 但物联网这颗新星却正在冉冉升起,2016 年 6 月,NB-IOT 无线通讯技术标准被冻结, 该标准为物联网量身定制, 具有覆盖广, 连接多, 低功耗, 低成本等优点, 一经推出就得到了众多设备商和电信运营商的支持, 其正式冻结预示着物联网将进入高速发展阶段 根据分析机构 Markets and Markets 预测, 年全球物联网芯片市场复合成长率将高达 11.5%,2022 全球物联网芯片市场规模或将超 100 亿美元 在大多数物联网终端和服务器端, 都会用到存储芯片, 尤其是在服务器端, 会需要存储大量的数据, 这将是半导体存储器的一个新增长点 3) 时机选择 : 技术换代机会难得, 迎弯道超车机遇! 不论是 NAND 还是 DRAM, 目前在成本和性能双方面都渐渐开始显露疲态, 因此各大存储器龙头都在积极发展新型存储器, 新的存储器虽然仍存在很多技术方面的挑战 但挑战总是与机遇并存的, 传统存储器市场已经呈现高度垄断形式, 且近几年垄断程度还在逐渐加剧, 而新型存储器由于在架构和材料方面都有很大的不同, 各大龙头存储器厂商目前的进展也并非一帆风顺, 而国内机构在国家政策的大力支持下, 已取得了不少成就 :3D NAND 方面, 武汉新芯携手 Spansion, 目前已经能做到 9 层 ; 在 PCM,RRAM 等新型存储器上, 国内也有不少企业和科研单位再进行探索 从专利数目上看,DRAM 和 NAND 由于行业高度垄断, 三星, 海力士, 东芝, 美光等几家公司经过多年积累, 已经形成了极高的专利壁垒, 而新型存储器龙头公司并未占据绝对优势, 在不少细分领敬请阅读末页的重要说明 Page 36

37 域都有施展拳脚的机会, 目前我国新型存储器的专利拥有数已大大超过 DRAM 和 NAND, 和国内龙头企业的差距相对来说也较小 图 67 大陆地区传统和新型存储器专利申请数据 FeRAM, 40 MRAM, 27 RRAM, 270 PCM, 484 DRAM, 69 NAND, 56 3D NAND, 44 DRAM NAND 3D NAND PCM RRAM MRAM FeRAM 资料来源 : 招商证券, 国家知识产权局 当下正是十年一遇的技术更新换代, 颠覆革新之时, 我国应要抓住这个机会, 大力支持 相关企业和科研机构, 力争实现弯道超车, 一旦错过, 让其它企业再次形成专利壁垒和 规模壁垒之后, 我国想再进入该领域就要付出更大的代价 2. 未来布局 : 三龙头重点突破 半导体企业在建设初期都有 烧钱 的特征, 而存储器更是整个半导体产业中资本壁垒最高的一个环节, 根据调研机构 Semiconductor Intelligence 数据, 存储行业是整体半导体资本支出最高的领域,2015 年资本支出占整个行业的 38% 三星在 2015 年规划中, 半导体相关资本支出高达 151 亿美元 ( 其中 DRAM 占 64 亿,NAND 占 47 亿 ), 同比增长 13%; 海力士为 51 亿美元 (38 亿用于 DRAM,13 亿用于 NAND), 同比增长 12%, 美光近年来在 DRAM 方面与三星和海力士,NAND 方面与三星, 东芝的差距越来越大, 为了扭转这一局面, 美光加大新型存储器研发力度,2015 年资本支出规划为 38 亿美元, 同比增长 186% 图 68 三星 海力士 美光在半导体方面的资本支出 ( 亿美元 ) 三星海力士美光 资料来源 : 招商证券,Semiconductor Intelligence 敬请阅读末页的重要说明 Page 37

38 此外, 从整个国际存储器市场来看, 龙头存储器企业通常是 IDM 模式 ( 如三星, 海力士 ), 或者是制造和设计紧密合作的模拟 IDM 等产业模式, 纯做代工或设计均难以在这个技术壁垒和资金壁垒双高的行业取得胜利 台湾就是一个典型的教训 :20 世纪初期, 台湾定下了 5 年内投资 300 亿美元以上 ( 大大超出同期三星的投资 ), 建设 20 条 12 英寸晶圆生产线, 以期通过拥有最多的 12 英寸存储器产线来向韩国发起挑战, 最终却因为过度依赖代工, 缺乏核心技术而以失败告终 为避免资源过度分散而造成浪费或非必要竞争, 我国应在存储器领域重点上培育 1-2 个龙头企业, 既重视技术研发, 也重视资本运作 在国家政策的引导下, 企业强强联合, 走以资本为纽带的虚拟 IDM 道路, 上中下游龙头公司紧密合作, 共同发展 目前, 国内已形成三方重点力量发展存储器, 力争在数年或十数年内, 实现存储器的国产替代, 并占据一部分海外市场 1) 紫光集团收购武汉新芯, 设立长江存储 2015 年 11 月, 紫光国芯 ( 原同方国芯 ) 发布 A 股有史以来最大定增额度预案, 将在存储器领域投入 932 亿资金 ( 其中募集资金 600 亿 ) 建设存储芯片工厂, 主要用于生产闪存芯片 2016 年 2 月, 紫光国芯发布公告, 将以 37.9 亿人民币的价格认购力成科技 25% 的股份, 并以 23.4 亿人民币认购南茂科技 25% 的股份 力成和南茂都是半导体存储器领域的主要封测厂, 紫光布局存储器的意图非常明确 2016 年 3 月, 大基金与湖北省集成电路产业投资基金股份有限公司 国开发展基金有限公司 湖北省科技投资集团有限公司签署协议, 投资 240 亿美元助推武汉新芯重点开发 3D NAND 存储器 图 69 武汉新芯存储器芯片发展规划 资料来源 : 招商证券, 武汉新芯 2016 年 7 月 26 日, 长江存储科技有限责任公司 ( 简称长江存储 ) 正式成立 公司注册资本分两期出资, 一期由国家集成电路产业投资基金股份有限公司 湖北国芯产业投资基金合伙企业 ( 有限合伙 ) 和湖北省科技投资集团有限公司共同出资, 并在武汉新芯的基础上建立长江存储 赵伟国任长江存储董事长, 丁文武和杨道虹任副董事长, 王继增敬请阅读末页的重要说明 Page 38

39 任监事长, 杨士宁任总经理 武汉新芯将是长江存储的全资子公司 二期将由紫光集团和国家集成电路产业投资基金股份有限公司共同出资 紫光集团将持有武汉长江存储科技有限公司超过 50% 的股份, 而其他股份由国家集成电路产业投资基金以及武汉市政府支持的一家基金所持有 长江存储将以武汉新芯现有的 12 英寸先进集成电路技术研发与生产制造能力为基础, 继续拓展武汉新芯目前的物联网业务布局, 并着力发展大规模存储器 长江存储将共享紫光和武汉新芯的资金平台 研发技术 市场渠道, 从而极大提升企业的发展速度, 其主要产品为 3D NAND, 未来将以芯片制造环节为突破口, 集存储器产品设计 技术研发 晶圆生产与测试 销售于一体, 成为我国 NAND 闪存发展的排头兵 图 70 武汉存储基地项目启动仪式 (3 月 28 日 ) 图 71 晋华 DRAM 项目动工仪式 (7 月 16 日 ) 资料来源 : 招商证券, 长江日报 资料来源 : 招商证券, 晋江新闻网 2) 福建晋华携手台湾联电, 两岸共谋 DRAM 大计 2016 年 5 月, 福建晋华集成电路有限公司宣布与联电合作, 此次合作将结合台湾的半导体制造能力, 及中国大陆的市场与资金, 由联电在台湾进行 32 纳米制程技术研发, 由晋华提供 DRAM 特用设备, 并依开发进度支付技术报酬金为开发费用, 成果将由双方共同拥有 双方合作开发的技术, 主要应用在利基型 DRAM 生产 7 月 16 日, 福建省晋华存储器集成电路生产线在泉州市晋江举行开工奠基 该项目一期投资达 370 亿元, 预计 2018 年 9 月形成月产 6 万片 12 英寸内存晶圆的生产规模, 预计年销售额 12 亿美元, 主要用于生产利基型 DRAM, 而项目的二期工程将在五年内扩产至月产 12 万片的规模 此次合作选择先以利基型 DRAM 作为突破口, 原因主要有两个, 一是因为其技术开发相对容易, 二是因为此类 DRAM 企业特殊应用的小众市场, 通常三星, 海力士将重点放在标准型 DRAM 上, 对于利基型 DRAM 并没有固定的生产线, 而是根据市场需求来做调整安排, 若晋华联电能专心做好利基型 DRAM, 专为这一部分市场服务, 无疑将更容易赢得客户的信赖, 有利于打开整个 DRAM 市场 3) 合肥政府多方布局, 意图发展 DRAM 合肥政府一直非常重视半导体行业的发展, 早在 2013 年 10 月, 合肥市政府就出台了 敬请阅读末页的重要说明 Page 39

40 合肥市集成电路产业发展规划(2013~2020 年 ), 规划中提到, 合肥将重点发展芯片设计业和特色晶圆制造, 并计划到 2020 年, 要建设 3~5 条特色 8 英寸或 12 英寸晶圆生产线, 实现综合产能超 10 万 ~15 万片 / 月 2015 年 4 月, 合肥面板龙头京东方传出要切入 DRAM 领域, 并于 10 月宣布要与兆基科技合作研发 DRAM 技术, 后者是一家 DRAM 设计公司, 由曾经的 DRAM 市场龙头企业尔必达 (2012 年被美光收购 ) 部分团队成员成立 2016 年 2 月, 据日本 NHK 报道, 合肥政府传出将与兆基科技合作, 由合肥政府初期将投入 8000 亿日圆 ( 约 460 亿人民币 ), 兆基科技则负责工厂设备引进和生产计划制定, 目前厂房已经在建设中, 第一步是设计物联网科技所需的低耗电 DRAM 芯片 力争 2018 年投入生产, 预计投产后月产可达 10 万片 图 72 国内存储器重点公司关系图 资料来源 : 招商证券 3. 国内的主要半导体产业链公司 存储器是大陆半导体产业相对薄弱的领域, 尚未真正形成具备全球影响力的大公司 随 着大陆半导体产业的长期快速发展, 在存储器领域也出现了一些公司, 本节整理了大陆 存储器领域的相关公司 表 9: 存储器产业链相关上市公司 ( 含新三板和 IPO 排队公司 ) 产业链公司代码存储相关业务简介设计兆易创新 SH 国内 NOR Flash 龙头, 未来在 NAND 方面也将加大研发力度 敬请阅读末页的重要说明 Page 40

41 紫光国芯 行业研究 SZ 2015 年 8 月紫光集团收购西安华芯 51% 的股份 西安华芯在国内申请 DRAM 相关专利 24 项, 为国内之最, 主要产品有 DRAM 芯片 (DDR 系列 ) DRAM 模组 (SO-DIMM U-DIMM R-DIMM 等 ) 芯邦科技 OC 主营用于 U 盘 SD/eMMC 等产品的存储器控制芯片等 华澜微电 OC 国内唯一拥有全系列存储控制器芯片技术, 并将其产品化 产业化的企业, 其技术可用于下一代 SAS/SATA 接口及固态存储接口领域, 客户包括西部数据, 希捷等, 未来可能受益于 SSD 的高速发展 制造 中芯国际 HK 国内晶圆制造龙头企业, 目前已经能实现 28 nm 量产 已有 130nm 到 65nm 特殊 NOR Flash 产线,38nm NAND 产线 2015 年 6 月, 与英飞凌签订 DRAM 合作协议, 英飞凌将向中芯国际转移用于 12 英寸晶圆的 0.11 微米 DRAM 沟槽技术, 该技术将用于专为英飞凌制造产品 华虹半导体 紫光国芯 1347.HK 公司是全球具领先地位的 200mm 纯晶圆代工厂, 在嵌入式非易失性存储器及功率器件领域具备优势 SZ 紫光集团于 2016 年 8 月宣布收购武汉新芯, 成立长江存储, 武汉新芯可以提供具有全球尖端技术的 12 英寸半导体晶圆代工服务, 主要产品有 65/45 nm NOR 闪存, 并已获国家支持大力发展 3D NAND 封测 华天科技 SZ 2015 年 2 月, 宣布与武汉新芯签订合作协议, 华天负责其未来存储芯片的封测工作 深科技 SZ 旗下沛顿科技长期与金士顿和美光合作, 专门从事 DRAM 芯片封测业务 长电科技 SH 收购星科金朋后成为全球第三大封测公司, 并拥有了包括 TSV,WLP 在内的多项先进封装技术 通富微电 SZ 通富微电拥有 WL-CSP FC BGA SiP 等先进封装技术和圆片测试 系统测试等测试技术 全球前十大半导体制造商有一半以上是通富微电的客户 ( 包括存储器龙头企业东芝 ) 紫光国芯 SZ 紫光国芯认购台湾芯片封测公司力成 南茂各 25% 股权, 两家公司都具备存储器封测能力 太极实业 SH 与海力士成立的合资公司海太半导体专门从事存储器封装和测试业务 晶方科技 SH 主要为影像传感芯片 环境光感应芯片 微机电系统 (MEMS) 发光电子器件 (LED) 等提供晶圆级芯片尺寸封装 (WLCSP) 及测试服务 2014 年公司收购智瑞达科技和智瑞达电子, 后者专业从事 DRAM Logic/RF Flash 等产品的 华岭股份 OC 专注晶圆测试业务, 是目前国内少数能完成高低温晶圆测试 超薄晶圆测试 的企业, 也是首个拥有 12 英寸芯片测试线的企业 设备 七星电子大族激光 SZ 国内半导体设备龙头企业, 主要产品有刻蚀机 CVD ALD 氧化炉 清洗机等设备, 其 55/28 nm 刻蚀机已经进入中芯国际和华力微电子产线, 研发 SZ 半导体设备包括激光打标 划片机等 FinFET 伟仕泰克 OC 主营晶圆制程设备, 包括湿清洗 湿法刻蚀 剥离 显影等设备 材料 上海新阳南大光电 SZ 主营用于晶圆制程和封装的高纯化学品, 包括高纯铜电镀液 ( 可用于铜互连和 TSV), 铝电镀液, 干 / 湿法蚀刻清洗液, 硅材料加工表面化学品等 ;2014 年 SZ 全球最大 12MO 源制造商,MO 源可用于相变存储器 ;/ 高纯特种电子气项目研 发顺利 ; 投资国内光刻胶领域龙头企业科华微电子, 以上三大产品均将受益于国内存储器行业布局 有研新材 江丰股份 巨化股份 资料来源 : 招商证券,Wind SH 公司生产砷化镓 磷化镓 锗单晶 金属溅射靶材等, 可应用于应用于半导体等领域 A16012 国内材料最齐全 工艺最完整 设备能力最强 产能最大的超高纯度金属材料及溅射靶材生产基地 SH 主营电子特气, 光刻胶, 电子湿化学试剂等可用于晶圆制程的材料, 中芯国际 京东方 华虹宏力等均为其客户 敬请阅读末页的重要说明 Page 41

42 表 10: 存储器全产业链相关机构 ( 非上市公司 高校 科研机构等 ) 产业链机构名称存储相关业务简介设备中微半导体中微自主研发的等离子体刻蚀设备和 8 英寸硅通孔刻蚀设备已在国际主要芯片制造和封测厂商的生产线上广泛应用于 45 纳米到 1X 纳米制程 上海微电子装备 中电 48 所 沈阳芯源 材料上海新昇 重庆超硅半导体 北京科华 设计西安华芯 公司产品可广泛应用于 IC 制造与 3D-TSV 等先进封装领域 是大陆唯一具备步进投影光刻机量产技术的厂商, 在大陆市占率超 80%, 并且批量出口海外市场 主营各类 CVD(PCVD,MOCVD,LPCVD),PVD 设备, 反应离子刻蚀机 (RIE) 强流氧离子注入机等 主营涂胶机 显影机 喷胶机 去胶机 湿法刻蚀机 单片清洗机 擦片机等, 广泛应用于 12 英寸晶圆的生产和先进封装领域 公司由上海新阳 新傲科技等四家机构合资创办, 是国内领先的 12 寸大硅片制造商, 预计 2017 年投产, 一期产能 15 万片 / 月 目前已经与中芯国际 武汉新芯 华力微电子三家公司签署了采购意向协议 公司正在进行 8 英寸 /12 英寸单晶硅晶体生长与硅片抛光以及延伸产品的研发项目 北京科华是集光刻胶研发 生产 检测 销售于一体的中外合资企业, 是唯二能在高端光刻胶领域能与国外企业直接竞争并实现进口替代的国内企业之一 公司于 2014 年开始研发用于先进封装的光刻胶, 目前已初见成效 2009 年收购德国奇梦达中国研发中心, 开始切入 DRAM 领域 ;2011 年研发出超高速固态存储 SoC 主控芯片,2015 年顺利通过国家密码管理局的芯片测试, 现有 51% 的股权被紫光集团收购 中科院微系统所与中芯国际合作, 共同研发 PCM 技术, 已成功制备 8Mb PCM 测试芯片, 并开量产用于打印机的相变存储器 中科院微电子所 复旦大学 上海新茂 在阻变存储器三维垂直交叉阵列研究领域取得新进展, 提出了自对准高性能自选通阻变存储器结构 2013 年 8 月, 复旦大学张卫团队研发出一种新型微电子基础器件 : 半浮栅晶体管, 该晶体管可用于 DRAM, 并宣称在集成度 读写速度 成本方面都有优势 主要产品包括通信 消费类 ASIC, 嵌入式 MCU/Flash DSP, 以及含有 DRAM 在内的系统级芯片 (SOC) 制造福建晋华集成电路 封测山东华芯 资料来源 : 招商证券 2016 年 7 月, 福建晋华集成电路公司在联电的技术支持下, 已着手建造半导体厂, 目标是利基型 DRAM 第一期工程投资规模预计达 370 亿人民币, 预计 2018 年月产能可达 6 万片 (12 英寸,32nm) 拥有世界先进水平的 FBGA( 细间距球栅阵列 ) 封装工艺,2014 年与济南 台湾群成合作研发 WLP 先进封装技术, 总投资 10 亿美元, 目标是在 2020 打造出世界先进水平的集成电路先进封装测试产业基地 敬请阅读末页的重要说明 Page 42

43 四 存储器产业链的投资机会分析 1. 技术变革时期, 新型存储器或助中国弯道超车 我们认为大陆发展半导体存储器存在三大挑战 : 1) 存储器进入壁垒高 : 传统的 DRAM,NAND Flash,NOR Flash 已经是一个高度垄断的市场, 而且资金 技术门槛极高, 三 四家龙头公司霸占了全球 90% 以上的市场, 这样的市场进入壁垒极高 2) 存储器技术进步快, 追赶压力大 : 存储器技术按照摩尔定律发展, 每 1~2 年技术进步一代, 三星 美光等领头羊的量产技术不断进步, 大陆在技术 人才非常落后的情况下追赶的难度可想而知 3) 海外技术封锁 : 半导体技术是信息技术的核心, 是美日等国对大陆技术封锁的主要领域, 大陆企业在需求海外收购和技术合作方面存在困难 紫光集团通过收购美光等海外企业或与海外企业合作开发存储技术的努力迄今未取得很大的进展 ( 不排除后续取得较大突破的可能性 ) 同时, 大陆发展存储器也面临三大机遇 : 1) 大陆发展存储器产业的坚定决心 : 无论是从信息安全, 还是芯片国产化的角度, 大力发展存储器产业已经成为共识 紫光国芯的 800 亿定增, 武汉新芯的 240 亿美元投资等, 都表明了大陆发展存储器的坚定决心 2) 存储器产业迎来变革, 提供弯道超车机会 : 传统 2D 结构的 DRAM 和 Flash 技术在成本 性能等方面存在不足 3D NAND 已经量产,3D DRAM PCM,3D XPoint, RRAM,MRAM 等各类新存储器技术日益成熟, 有望取代传统 DRAM 和 Flash 成为主流的半导体存储器 3) 新型存储器领域的差距小, 有望打破行业垄断局面 : 最近 10 多年来, 大陆的高校 研究所 企业等机构在 PCRAM RRAM 3D NAND 等新型存储器领域不断取得进步, 与全球顶尖机构的差距较小, 有望成为弯道超车的突破口 以 PCRAM 为例, 中科院上海微系统所与中芯国际合作开发, 具有自主知识产权的打印机专用相变存储器芯片年出货量已达到千万颗的规模, 处于全球领先行列 在大力发展存储器芯片的过程中, 我们认为, 应好好利用当前存储技术的变革时期, 着力发展具备自主知识产权的新型存储器, 或许能够实现存储器产业的弯道超车 在新型存储器方面, 应重点发展 3D NAND 3D DRAM PCRAM 和 MRAM, 并密切关注英特尔和美光的 3D Xpoint 技术量产进度, 以及三星 海力士 东芝等龙头企业的研发动向 2. 重点投资标的 半导体存储器拥有 800 亿美元的大市场, 因此, 参与到存储器国产化浪潮中的企业都有望从中受益 建议重点关注以下几个方面的公司 : 1) 存储器国产化的主体单位, 包括紫光国芯 兆易创新等 ; 敬请阅读末页的重要说明 Page 43

44 2) 存储器产业链的配套企业, 包括设备供应商七星电子 大族激光等, 材料供应商上海新阳 南大光电 兴森科技等, 封测配套厂商华天科技 深科技 太极实业 晶方科技等, 厂房设计和建设厂商太极实业等 ; 3) 潜在进入产业链的公司, 包括有望切入存储器封装测试的长电科技 通富微电 大港股份等, 以及新型存储器的参与者, 4) 新型存储器的合作伙伴也有望受益, 包括采用国产相变存储打印芯片的艾派克, 以及在新型存储器领域布局的海康威视等 此外, 与传统存储器相比, 新型存储器多采用新的制造工艺和新的材料, 可能出现一些新的供应商, 而且能够提供新的制造工艺或新材料的公司受益程度更大 在 3D NAND 的制造过程中, 将采用更多的薄膜沉积工艺, 对刻蚀的要求更高, 因此薄膜沉积和刻蚀设备的供应商受益程度更大 在 PCRAM 3D Xpoint 等新型存储器技术中, 都采用了多种新材料, 包括硫系化合物等 因此, 薄膜沉积和刻蚀设备供应商七星电子, 硫系化合物供应商南大光电应格外重视 1) 紫光国芯 : 志在打破全球半导体存储器格局的中国企业 紫光国芯是紫光集团旗下重点上市公司, 主营 FPGA 军工芯片 智能终端芯片 智能卡等, 国内替代空间巨大, 其董事长赵伟国于 2015 年同时出任紫光国芯的董事长, 体现了紫光集团对同方国芯的高度重视 紫光集团与武汉新芯联手发展半导体存储器, 成为我国重点打造的存储器公司龙头, 公司近年来积极进行海内外上下游产业链并购整合, 着力发展半导体存储器 : 设计方面 :2015 年 7 月, 公司收购西安华芯半导体 51% 的股权, 后者是国内 DRAM 设计龙头企业, 从此切入存储器领域 制造方面 :2015 年 11 月, 公司通过定向增资的方式, 拟募资金额 800 亿元投向集成电路业务 此次定增规模创造了 A 股有史以来的非公开融资纪录, 其中 600 亿元拟投入存储芯片工厂 ( 加上其他来源的资金, 投入存储器领域的总规模达到 932 亿 ), 以期实现存储器的国产化 ;200 亿元拟用于对芯片产业链上下游公司的收购, 进行产业链垂直整合 封测方面 :2016 年 2 月, 紫光国芯宣布以 37.9 亿 23.4 亿人民币的价格认购力成科技和南茂科技各 25% 的股份, 力成是全球最大的内存封测厂, 主要客户包括美光 东芝 Intel SanDisk 等 Memory 大厂, 南茂科技是全球第九大集成电路封测厂, 主要为高频高密度存储器提供封测服务 2016 年 7 月, 紫光集团联合武汉新芯, 成立长江存储科技有限责任公司, 长江存储的发展目标是以 3D NAND 的芯片制造环节为突破口, 集存储器产品设计 技术研发 晶圆生产与测试 销售于一体, 成为我国 NAND 闪存发展的领头企业 通过上述布局可以看出, 作为国内存储器龙头企业, 紫光国芯以资本为纽带, 已逐步构建出一个庞大的芯片 IDM 帝国, 目前公司手握智能卡芯片 军 / 民用 FPGA 等现金牛产品, 未来将重点发展 3D NAND,DRAM 存储器 敬请阅读末页的重要说明 Page 44

45 2) 兆易创新 : 国内存储器芯片设计龙头 公司是国内 NOR 闪存芯片龙头, 受益智能终端市场发展和国际巨头退出 兆易创新主营业务为闪存芯片及其衍生产品 公司客户以中国内地电子产品龙头企业为主,2014 年和 2015 年, 紫光集团连续位居公司第一大客户, 销售收入占比分别为 27.94% 和 23.28% 全球范围内公司主要竞争对手包括飞索半导体 美光科技 旺宏电子 华邦电子 宜扬科技和复旦微等, 闪存芯片行业竞争充分, 公司市场地位稳定 制程升级 成本下降推动毛利提升 公司 2015 年收入 亿元, 增长 26%, 净利润 1.57 亿元, 较 2014 年上升 61%, 增速持续上升 毛利率由 14 年的 25.22% 上升到 15 年的 28.64%, 主要原因是公司产品技术节点提升 ( 由 90nm 升至 65nm), 单位晶圆上晶圆颗粒产出量大幅增加以及可获得的晶圆颗粒数量增加, 推动公司产品成本持续下降 工艺持续改善, 产品升级是公司未来主要成长动力 公司未来业务计划重点布局和升级 45nm 等先进工艺节点 NOR Flash 3X/2X nm 及更先进制程的 NAND Flash 产品 55nm 及更先进工艺节点的通用 MCU 芯片, 有望成为公司长期成长动力 公司业务布局符合产业发展趋势, 即 1)NOR Flash 芯片继续占据中低容量及代码存储市场 ;2) NAND Flash 芯片需求稳步攀升 ;3) 小型化高性能需求强烈 3) 华天科技 : 封测龙头, 有望加入存储器国家队 公司是国内封测三巨头之一, 且在三巨头中盈利能力最强 公司在国内建立了多层次的封装测试能力 : 甘肃天水子公司主要以引线框架封装为主, 面向中低端产品 ; 西安子公司则除引线框架外, 还拥有 FC,SIP 等先进封装技术, 主要面向中高端基板类封装 ; 昆山子公司以 WLP( 晶圆级封装 ) 为主, 拥有 TSV bumping copper pillar 等 WLP 关键技术, 主要面向高端产品 先进封装需求推动产品结构持续优化, 海外客户开拓提升公司市场空间 先进封装业务增长势头良好,2015 年公司晶圆级集成电路封装量达 万片, 同比增长 % 随着中低端手机普遍配置指纹识别功能, 去年下半年以来指纹识别需求大幅增长 在智能汽车大趋势推动下, 车载 CIS 摄像头需求快速增长,Aptina 是车用摄像头芯片的主要供应商之一, 也是公司的重要客户 公司的 12 寸 CIS 封装开始量产, 可以满足快速增长的高端 CIS 封装需求 今年昆山的 Bumping 产线将实现量产, 加之西安 FC 产能不断释放, 公司的产品结构将进一步优化 国际市场开拓方面,2015 年公司国外销售额占比达到 55.19%, 同比增长 21.16%, 新开发了 Infineon Panasonic NXP ST On Semiconductor 等国际知名客户 240 亿美元存储器项目启动, 与武汉新芯的战略合作提升公司投资价值 今年 3 月, 总投资 240 亿美元的武汉存储器项目启动, 预计到 2020 年形成月产能 30 万片的生产规模, 到 2030 年建成每月 100 万片的产能 去年 2 月, 公司与武汉新芯签署战略合作协议, 共同建设集成电路产业链 公司与武汉新芯已经开展密切合作, 将成为推动存储器国家战略的重要力量 4) 深科技 : 收购沛顿科技, 进入存储器封测领域 收购沛顿科技, 进军存储器封测领域 深科技于 2015 年 9 月完成对沛顿科技收购, 后 者是全球第一大独立内存制造商美国 Kingston 于国内投资的封测企业 沛顿科技现有 敬请阅读末页的重要说明 Page 45

46 产品包括内存芯片 DRAM 和移动存储封装芯片 (SIP) 和嵌入式存储芯片 / 嵌入式多功能芯片 (EMMC/EMCP/MCP), 目前在 BGA 封装与测试内存芯片 (DRAM) 方面有能力做到最先进的 20 纳米线宽, 甚至达到更精密的要求 产品下游应用于台式电脑 笔记本电脑 网络服务器 U 盘 智能手机及平板电脑等 在武汉新芯 紫光国芯等大力推进半导体存储国产化浪潮中, 公司为潜在受益标的 深科技作为中国电子旗下核心企业, 有望获得资产注入 收购沛顿科技进入半导体封测领域, 符合国家和中国电子扶持以半导体技术为基础的电子信息技术发展导向, 公司未来将在中国电子引领下在集成电路技术和产业发展方面发挥更大的作用 其中中国电子可依托此封装平台, 获得国家更多的产业扶持资质, 包括设立中国电子的 IC 产业并购基金, 收购或参股国际知名的半导体企业, 整合更多的 IC 设计和封装业务, 充实 IC 产业平台布局 此前 CEC 总经理曾在两会期间表示, 要将集团整体资产证券化率从 55% 大幅提升至 80%, 因此未来深科技可能获得 CEC 旗下的相关优质资产注入 5) 太极实业 : 半导体厂房设计龙头, 存储器封测实力不容小觑 公司是国内半导体存储器器封测龙头 2009 年公司与全球第二大 DRAM 芯片生产商韩国 SK 海力士达成协议, 双方共同合资设立海太半导体, 公司持股比例 55% 太极实业开始进入半导体封装测试领域, 奠定了从传统产业向半导体行业转变的基础 2015 年公司的半导体封装测试和模组业务收入达到 38 亿元, 且主要是存储器产品, 是国内当之无愧的半导体存储器封测龙头 收购半导体厂房设计资质最好的十一科技, 受益于半导体等高端电子行业生产线建设 十一科技是国内领先的工程设计和总承包厂商, 在电子高科技 光伏电站等领域表现突出 公司承担国内绝大部分 8 寸和 12 寸芯片生产线的设计工作, 包括中芯国际 海力士 武汉新芯的生产线 在面板领域, 十一科技曾承担彩虹佛山 AMOLED 生产线项目 合作设计厦门天马光电有限公司 TFT LCD LTPS 项目以及天马成都 天马武汉项目等 2014 年设计的光伏电站装机容量占当年国内并网装机容量的 24% 6) 晶方科技 : 存储器封装测试或有所作为 公司是晶圆级封装领先企业 晶方科技是中国大陆首家 全球第二大能为影像传感芯片提供晶圆级芯片尺寸封装 (WLCSP) 量产服务的专业封测服务商 目前封装产品主要有影像传感芯片 环境光应芯片 微机电系统 (MEMS) 生物识别芯片等, 广泛应用于手机 照相机 医学电子 安防设备等多领域 收购智瑞达资产, 具备 DRAM 封装测试能力 2014 年 9 月份, 公司以 3.4 亿元竞得智瑞达科技部分资产及相关负债, 及智瑞达电子全部固定资产 智瑞达科技, 智瑞达电子专业从事 DRAM,Logic/RF,Flash 等产品的封测和模组业务, 公司拟通过整合智瑞达科技的模组制造工艺及生产线, 拓展相关产业链, 从生物身份识别芯片的晶圆级封装服务延伸至模组制造及成品测试, 从而实现为客户提供识别产品的全制程服务 2015 年 2 月份, 公司完成收购智瑞达科技及其子公司资产事项 智瑞达科技是原 DRAM 巨头奇梦达科技位于苏州工业园的 DRAM 封装测试和模组工厂 敬请阅读末页的重要说明 Page 46

47 7) 七星电子 : 半导体设备龙头, 受益存储器生产线大规模投资 公司是国内半导体设备龙头, 整合北方微进一步提升竞争力 七星电子具有五十多年电子装备及元器件的生产制造经验, 是一家以电子专用设备和电子元器件为主要产品的高科技公司, 产品广泛应用于半导体 光伏 电力电子 TFT-LCD LED MEMS 锂电等多个新兴行业 去年底, 公司增发收购同样是国内排名前十的半导体设备公司北方微, 进一步巩固国内半导体设备龙头地位, 有望成为国内半导体设备整合平台 同时, 集成电路产业基金 6 亿元认购公司配套募集资金, 带给公司优质产业资源, 利好公司发展 高端设备获得一流客户认可, 实现进口替代, 并打入海外主流市场 在集成电路领域, 公司 ( 含北方微 ) 的立式氧化炉 PVD 刻蚀机等设备已经进入中芯国际的 28nm 量产线, 实现高端设备的部分进口替代 在 LED 和 MEMS 领域的刻蚀机市场, 以及先进封装领域的 PVD 市场, 公司在国内的占有率已经超过 50%, 遥遥领先海外竞争对手 公司的主要客户包括中芯国际 三安光电 晶方科技等国内一线厂商 2015 年北方微的 12 寸 PVD 设备取得重大突破, 收到海外主流 IC 厂订单, 正式进入国际顶尖 IC 大产线 国内进入半导体生产线密集建设期, 公司迎来高速发展期 2014 年 集成电路产业发展推进纲要 发布以来, 半导体产业加速向大陆转移, 进入生产线建设密集期 一方面国内的中芯国际 武汉新芯等企业加码投资生产线, 另一方面, 海外巨头台积电 英特尔等增加在大陆投资的投资 预计未来大陆每年的半导体设备支出有望超过 100 亿美金, 为半导体设备厂商提供巨大商机 设备研发进度领先下游市场需求, 刻蚀和薄膜沉积等设备在新型存储领域需求大增 2016 年 3 月, 公司申请承担国家科技重大专项 28-14nm 原子层沉积系统 (ALD) 产品研发及产业化 已完成立项审批, 经费总计 5.5 亿元 2016 年 8 月, 公司宣布其自主研发的国内首台 12 英寸 14 纳米 FinFET 等离子硅刻蚀机正式进入上海集成电路研发中心 ( ICRD ), 与客户共同开展研发工作 公司在刻蚀机, 薄膜淀积设备 (PVD/CVD) 方面是国内的绝对龙头, 此类设备不仅是集成电路行业的必备设备, 更是 3D NAND 和 3D DRAM 的重点需求设备, 前景可期 8) 南大光电 : 电子特气龙头, 新型存储器市场或有大作为 公司是全球领先的 MO 源供应商,MO 源业务望触底回升 公司是国内电子气体龙头企业, 也是国内唯一的半导体前驱体供应商, 在全球 MO 源的市场份额中位居第一, 超过 20% 的市场份额 LED 行业竞争加剧致 MO 源单价下降, 不过目前下降空间已经不大, 随着海外市场的开拓, 以及化合物半导体市场对 MO 源需求的增多, 公司的 MO 源业务有望触底回升 全椒南大光电完成生产线建设, 年内有望实现特种气体大规模销售 公司控股子公司全椒南大光电完成了 7 条生产线的建设, 具备了生产 35 吨高纯磷烷 15 吨高纯砷烷等产品的生产能力, 达到 02 专项各项指标要求, 已经开始大规模量产 同时, 高纯磷烷 砷烷等, 已成功地通过了国内 3 家主要集成电路芯片制造企业生产线上的测试,4 家 LED 客户正在进行产品验证或前期准备工作, 即将进入规模销售 全球电子特气市场规模达 60 亿美元, 半导体特气市场为公司打开巨大成长空间 入股光刻胶化学品龙头, 切入半导体关键化学品市场 2015 年公司 1.2 亿元入股北京科华微电子, 占 31.39% 股权, 切入光刻胶领域 北京科华是国内光刻胶的先行者, 在国内具有领先优势, 目前公司的 248nm 产品已通过中芯国际进行认证并获得商业订单, 敬请阅读末页的重要说明 Page 47

48 193nm 已获重大立项, 有望成为光刻胶国产化的关键 根据公告, 北京科华 16/17/18 年的税后净利润分别为 1,155 万 /2,565 万 /4,185 万元, 将为公司贡献可观的投资收益 8 月 19 日, 北京科华全资子公司 全椒科华微电子材料有限公司, 国家级光刻胶工程实验室及产业化基地建设项目隆重奠基 项目投产后, 预计年产紫外正性光刻胶 1500 吨及正性光刻胶配套试剂 2000 吨, 紫外负性光刻胶 300 吨及负性光刻胶配套试剂 500 吨 切入新型存储器应用市场, 有望受益于新型存储器市场的快速发展 公司生产的二乙基碲 二叔丁基碲 三乙基锑 三甲基锑等, 是制造硫系化合物的重要原料, 而硫系化合物是制造 PCRAM 3D XPoint RRAM 等新型存储器的重要材料, 有望受益于新型存储器的快速发展 9) 上海新阳 : 半导体材料龙头, 大硅片即将迎来量产 半导体材料化学品龙头, 打造半导体材料和设备综合服务商 公司是国内半导体电子化学品龙头, 依托于电子电镀和电子清洗等核心技术, 公司开发了 100 多种电子化学品和配套设备, 在国内有 100 多家客户, 包括中芯国际 华力微电子 长电科技 华天科技等国内一流晶圆制造和封测客户 公司在半导体领域持续纵深发展, 传统封装的电子化学品之外, 还能提供晶圆制程和晶圆级封装的电子化学品 划片刀等产品, 并投资半导体硅片生产领域 晶圆级化学品获突破, 助公司业绩重回高增长轨道 在传统封装领域, 公司市场地位稳固, 晶圆划片刀产品也开始逐步放量 ; 在晶圆制造领域, 晶圆级化学品保持高速增长, 进入中芯国际 无锡海力士 华力微电子三家客户 公司已经被晶圆制造龙头台积电列入合格供应商名录,2016 年有望进入台积电的供应体系, 从而打入海外一流客户市场 大硅片将迎来量产, 湿制程设备和锡合金球项目拓宽市场空间 按照计划, 新昇半导体 ( 大硅片 ) 今年下半年将开始试生产, 明年达到规划产能, 有望给公司提供丰厚的利润 通过成立晶圆级湿制程设备和晶圆级封装合金焊接球合资公司, 借助合作伙伴的丰富经验和技术, 快速切入晶圆级产品市场, 进一步拓展公司主业市场空间, 提升公司的行业地位 10) 兴森科技 : 半导体测试板龙头, 受益存储器等芯片国产化机遇 收购 Harbor Electronics, 兴森成为国内半导体测试板龙头 2015 年底兴森收购 Xcerra 旗下的半导体测试板业务, 从而确立国内测试板龙头的地位 后者具有超过 20 年的经验, 是美国市场排名第一的半导体测试板供应商,2014 年收入达到 3990 万美元 兴森将整合 Harbor Electronics 的高端生产能力和国内的低成本生产优势, 为全球客户提供全系列的半导体测试板整体解决方案, 快速扩大销售规模, 提高盈利水平 IC 载板和小批量板产能不断释放, 即将迎来收获期 IC 载板是先进封装的重要材料, 在 FC 芯片成本中所占比重高达 37%, 预计 2018 年全球 IC 载板的市场规模为 96.2 亿美元 兴森于 2012 年启动 IC 载板项目, 目前月出货量已达 4000 平米, 随着良率的提升和产能的释放,IC 载板业务亏损局面得到改善 宜兴小批量板业务已经实现单季度扭亏, 全年有望扭亏为盈 随着生产规模的提升, 我们认为 IC 载板和小批量板将很快迎来收获期 打造军工模组平台, 海外并购可期 2015 年公司收购湖南源科创新公司, 为军工客户敬请阅读末页的重要说明 Page 48