【中航证券】存储专题系列一：新应用发轫，存力升级大势所趋.pdf

2023-07-27

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一、下行周期加速见底，H2行业拐点将至

现状：以手机、PC为代表的传统下游消费电子需求持续疲软

2022年下半年旺季不旺，消费电子终端需求至今不见起色。2022年“缺芯”红利不再，地缘政治冲突不断，宏观经济通胀升温，消费电子创新乏力，需求持续低迷，上述多因素叠加导致存储行业自年中开始承压。尽管每年第三、四季度是消费电子传统旺季，但2022年各消费电子终端出货量仍旧低迷，2023年第一季度消费电子终端需求仍未有明显回暖。消费电子是存储芯片的一大传统下游应用，依据CFM数据，2022 年NAND Flash主要以应用于移动终端市场的嵌入式存储产品、应用于PC的cSSD，以及应用于服务器市场的eSSD产品为主，分别占比34%、 22%和26%；DRAM的主要应用市场也是在mobile、PC和服务器，分别占比35%、16%和33%。全球智能手机今年Q1的出货量为2.69亿部，同比下滑14.5%；全球PC今年Q1和Q2的出货量分别同比下滑29.3%和13.40%，已经连续六个季度同比不见起色。

现状：原厂减产、降资本支出以加速恢复行业供需平衡

各大原厂纷纷采取减少产出、降低资本开支等措施来促进行业恢复供需平衡。由于存储下游终端需求持续低迷，原厂库存高企，市场呈现供过于求的态势， “以价换量”出清库存的策略导致盈利能力急剧恶化。各大原厂相继出台减产与削减资本支出的措施以降低行业位元供应，加速恢复存储市场行业供需平衡。原厂减产步调略有差异，铠侠、SK海力士、美光自去年Q4即开始减产，西部数据自今年 1月开始减产，三星电子再未采取“逆投资”而是今年4月宣布加入减产行列。我们判断各厂商的减产动作在半年后才会逐渐显现成效，预计H2行业供需平衡将有明显修复。

二、存储行业激荡六十载，半导体中大宗商品

分类：DRAM和Flash分属不同的存储器层次

DRAM和Flash分属不同的存储器层次，经常在下游应用中搭配使用。处理器从内存中读取数据，而内存从闪存中加载数据。DRAM属于易失性存储器，使用电容存储，必须隔一段时间刷新，一旦停止刷新存储的信息就会丢失。而Flash属于非易失性的存储，在断电后不会丢失数据，是在ROM的基础上演进而来。DRAM读写速度比Flash快、成本高、功耗较大、寿命长、结构简单集成度高，Flash的优势在于容量大、成本低。

市场规模：存储约占集成电路1/4以上份额，具有强周期性

存储占集成电路1/4以上销售额，具有与集成电路较同步但更剧烈的周期性。集成电路产业整体呈稳步上升的态势，但受到社会经济等因素的影响，也呈现了较为明显的行业波动周期，波动周期约为4年左右。存储器在各下游应用中需求量大，是集成电路产业重要的组成部分，常年占集成电路四分之一以上的份额。两者一般具有较为同步的波动周期，但被称为“半导体的大宗商品”的存储，其价格更容易在短期内基于供需关系而波动，且波动幅度明显强于整体IC产业。2018年，半导体存储的市场规模达到创纪录的1580亿美元，2019年回调后，2020-2021年出货量再次增长至2021 年的1538亿美元，而2022年因俄乌冲突、通货膨胀、消费电子需求疲软及创新乏力等因素市场规模回落至1298亿美元，同比下滑15.65%。

市场规模：2018年后数据中心发展驱动存储出货量明显上升

回溯1991年至2021年DRAM市场发展，出货量大致可分为四个时期，受到价格影响，出货金额波动较大。1991-2003年：受到日本、美国和欧洲等发达地区对PC和电器产品需求的推动，DRAM出货量稳步提升。2003-2011年：进入21世纪，以中国为首的发展中国家经济发展迅速，人们购买了手机、电脑、各种电器产品，导致DRAM出货量激增。2011-2018年：DRAM市场几乎被三星电子、美光、SK海力士垄断，为防止产品价格剧烈波动，各家公司协调产量，出货量趋于平稳。2018年后：DRAM主战场由PC转移至数据中心服务器，三大厂商重新争夺市场优势地位，随着数据中心数量增长，DRAM出货量再次暴增。

市场规模：DRAM和NAND Flash占据存储市场主导地位

在半导体存储市场中，DRAM和NAND Flash占据主导地位。根据IC Insights的数据，2021年全球半导体存储器市场中，DRAM占比达56%，NAND Flash约占41%，NOR Flash约占2%，EPROM/EEPROM及其他存储器约占1%。DRAM和NAND Flash也存在明显的周期性，过去一般在三年半左右。自2022年Q3以来，NAND Flash和DRAM季度销售额经历了同比和环比的下滑，且本轮下行周期同比跌幅已经超过以往低谷，去年Q3、Q4及今年Q1分别同比下滑27.37%、44.34%和51.86%。

市场格局：全球DRAM、NAND市场呈寡头垄断格局

存储器中最大的两个市场DRAM和NAND Flash均呈现海外玩家寡头垄断的格局。根据IC Insights的数据，2021年全球半导体存储器市场中， DRAM占比达56%，NAND Flash约占41%。DRAM市场由三星电子、SK海力士和美光主导，CR3常年占据95%左右的市场份额。2022年，三星电子占DRAM营业收入市占率为43.12%，SK 海力士市占率为27.01%，美光市占率为25.20%，三者合计市占率为95.33%。NAND Flash 市场也在不断的并购整合中更加集中， 2022 年三星电子 / 铠侠 / 西部数据 /SK 集团 / 美光的营收市占率分别为 33.44%/18.34%/13.36%/18.54%/11.72%，CR5的市占率合计为95.41%。在未来西部数据与铠侠合并后，NAND市场集中度将进一步提高。

国内竞争格局：我国存储企业主要聚焦利基型市场

我国存储企业主要聚焦于利基型市场。目前我国已初步完成在存储芯片领域的战略布局，但由于起步较晚，且不时受到技术封锁，在DRAM、 NAND Flash高端存储产品市场较韩系、美系龙头厂商仍有一定差距。在DRAM和NAND Flash领域，除长鑫存储和长江存储外，我国大部分厂商还是与国际龙头进行错位竞争，聚焦利基型市场；我国NOR Flash芯片技术基本成熟，例如兆易创新的NOR Flash在全球已经取得前三市占率。

DRAM：内存三大分支——DDR、LPDDR、GDDR

DDR、LPDDR、GDDR是DRAM的三种主流内存技术。其中DDR主要应用在 PC端，LPDDR主要应用在手机端，而GDDR主要应用在图像处理上。DDR的应用最为广泛，据集邦咨询数据统计显示 2021 年 DDR 在DRAM市场的市占率超过 50%，LPDDR 的市占率为 30%左右，GDDR 的市占率约为 5.3%。

DDR：即双倍速率同步动态随机存储器，是在SDRAM基础上发展而来的存储器，在一个时钟读写两次数据使传输速度加倍。普通的DDR内存条主要用在PC和服务器上，目前处于DDR4迭代至DDR5的过程中，DDR5正在逐渐放量中。三星已经率先开始了下一代DDR6内存的早期开发，并预计在2024年之前完成设计。

LPDDR：Low Power DDR拥有比同代DDR内存更低的功耗和个小的体积，该类型芯片主要应用于移动电子产品等低功耗设备上，在LPDDR4之前都是基于同代的DDR发展而来的，从第四代开始，LPDDR4领先DDR投入商用、LPDDR5 较DDR5率先量产。两者由类似从属的关系，演变为分别根据自己的应用场景需求发展。

GDDR：Graphics DDR主要用于高速图像处理的场合，比如计算器的显卡中，与普通DDR相比，拥有更高的时钟频率和更小的发热量。GDDR3、GDDR4、 GDDR5都是基于DDR3内存技术开发，而最新的GDDR6是基于DDR4内存技术开发。

Flash：闪存主要有NAND和NOR两种类型

目前性价比最高的存储器闪存（Flash）主要有NOR和NAND两种类型。Flash存储技术是在它之前的EEPROM基础上发展起来的存储器，它跟EEPROM一样，也是使用电学方法来存储电荷的器件，只是EEPROM是使用两个晶体管来构成，而Flash存储阵列中的存储单元是由一个晶体管组成的。所以Flash存储器在器件集成度、数据容量和功耗低等性能上都比之前的器件有明显的提高。

NAND和NOR各有所长，应用场景有所分化。NOR Flash 由英特尔公司于1988年最初推出。为了提高容量/价格比，东芝公司于1989 年推出NAND Flash。两种Flash技术各有优、缺点以及各自适用的场合。NOR结构的特点是芯片内执行（XIP, Execute In Place），应用程序可以直接在Flash内运行，不必再把代码读到系统RAM中，节省时间。而NAND结构的特点能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且增加写入和擦除的速度。

三、 AI & 汽车电子发轫，新应用激发新动能

应用：下游应用中消费电子和服务器占比较大

存储下游应用以消费电子和服务器为主，近年来服务器占比提升。存储广泛应用在手机、平板、PC、数据中心、汽车电子、视频监控、智能家居等市场。在ChatGPT掀起AIGC浪潮后，人工智能催生了可观的存储需求，尤其是对DDR5和HBM产品。根据美光的判断，AI 服务器DRAM容量是普通服务器的6-8倍，NAND容量是普通服务器的3倍。2022年，手机/PC/服务器分别占DRAM需求的 34%/16%/33%，预计2023年服务器的需求占比仍会进一步提升。NAND Flash目前主要以应用于手机市场的的嵌入式存储产品，和应用于PC等消费类渠道市场的cSSD、以及应用于服务器市场的eSSD 产品为主，占比分别为39%、25%和22%，其中近年来应用于服务器的eSSD需求占比有明显提升。

手机：存储价格低谷契机，手机厂商掀起扩容潮

存储价格低谷契机，手机厂商掀起扩容潮。目前智能手机存储的RAM和ROM最新产品规范已经发展到了LPDDR5/5X和UFS4.0，覆盖了大部分的中高端产品线。一季度国产手机厂商在存储价格低谷发起了降价扩容潮，低端手机NAND Flash容量由32GB逐渐升至64GB；中端手机已经逐渐取消RAM 8GB和ROM 128GB容量配置，完全普及256GB；支持RAM 12/16/18GB和ROM 512GB/1TB容量的机型越来越多，并逐渐向中低端渗透。尽管手机销量并未有明显回暖，但手机厂商大幅扩容有望助力存储厂商在该市场位元出货量提升。

PC：DDR5/LPDDR5渗透率提高，512GB SSD成为主流

DRAM：内存条用于暂时存放CPU中的运算数据，与硬盘等外部存储器交换的数据。它是外存与CPU进行沟通的桥梁，计算机中所有程序的运行都在内存中进行，内存性能的强弱影响计算机整体发挥的水平。通过分析近期热门笔记本电脑参数，Windows系统16GB 是主流，LPDDR5和DDR5在近期机型上渗透率显著提升；目前最新Macbook Pro/Air采用8GB的统一内存，但可选配16GB或24GB。

NAND Flash：在笔记本电脑领域，固态硬盘已经完全取代了机械硬盘，目前笔记本电脑中配备512GB SSD成为主流。全球存储市场中，由于闪存成本不断下降，全闪存储份额快速增长。根据Wikibon的预测，2026年SSD单TB成本将低于HDD。2025年后，HDD的出货量每年将下降27%。

汽车：单车存储容量/价值量增长显著高于其他下游应用

汽车市场成为增速最快的芯片下游应用，中长期CAGR超过10%。全球芯片下游应用主要可分为：消费电子、通讯、工业、汽车和数据处理，新能源汽车、物联网、可穿戴设备、云计算、大数据、和安防电子等新兴领域的技术发展将持续引领市场增长。根据Mordor Intelligence的预测，2021-2025年全球芯片在汽车市场的应用规模CAGR约为10.3%，有望在2025年达到800亿美元，在上述几个下游应用市场中增速最快，潜力最大。Yole也预测存储主要产品DRAM和NAND在汽车市场单车存储容量增长和单车价值量增长都显著高于其他下游应用。

服务器：AI服务器存储容量显著高于一般服务器

AI服务器存储容量显著高于一般服务器，有望带动存储器需求成长。ChatGPT风靡之下，AI效应正持续发酵，并不断渗透至千行百业，AI 服务器与高端GPU需求不断上涨。根据TrendForce，预估2023年AI服务器（包含搭载GPU、FPGA、ASIC等）出货量近120万台，年增 38.4%，占整体服务器出货量近9%。现阶段而言，Server DRAM普遍配置约为500~600GB左右，而AI服务器在单条模组上则多采 64~128GB，平均容量可达1.2~1.7TB之间。以 Enterprise SSD而言，由于AI服务器追求的速度更高，其要求优先满足DRAM或HBM需求， SSD在传输接口上会为了高速运算的需求而优先采用PCIe 5.0。相较于一般服务器而言，AI服务器多增加GPGPU的使用，因此以NVIDIA A100 80GB配置4或8张计算，HBM用量约为320~640GB。未来在AI模型逐渐复杂化的趋势下，将刺激更多的存储器用量，并同步带动 Server DRAM、SSD 以及 HBM 的需求成长。

四、存力升级大势所趋，新兴技术应运而生

存算一体：“存储墙”成为数据计算一大障碍

处理器、内存发展速度不均衡，“存储墙”如今成为数据计算一大障碍。随着近几年云计算和人工智能应用的发展，面对计算中心的数据洪流，数据搬运慢、搬运能耗大等问题成为了计算的关键瓶颈。在过去二十年，处理器性能速度提升远超内存性能提升，长期下来，不均衡的发展速度造成了当前的存储速度严重滞后于处理器的计算速度。在传统计算机的设定里，存储模块是为计算服务的，因此设计上会考虑存储与计算的分离与优先级。从处理单元外的存储器提取数据，搬运时间往往是运算时间的成百上千倍，整个过程的无用能耗大概在60%-90%之间，能效非常低，“存储墙”成为了数据计算应用的一大障碍。

HBM：HBM技术下，DRAM由2D转为3D

HBM（High Bandwidth Memory）即高带宽存储器，按照JEDEC的分类，HBM属于GDDR内存的一种，其通过使用先进的封装方法（如TSV硅通孔技术）垂直堆叠多个DRAM，并与GPU封装在一起。业界希望通过增加存储器带宽解决大数据时代下的“内存墙” 问题，HBM便应运而生。存储器带宽是指单位时间内可以传输的数据量，要想增加带宽，最简单的方法是增加数据传输线路的数量。据悉，典型的DRAM芯片中，每个芯片有八个DQ数据输入/输出引脚，组成DIMM模组单元之后，共有64个DQ引脚。而HBM通过系统级封装（SIP）和硅通孔（TSV）技术，拥有多达1024个数据引脚，可显著提升数据传输速度。HBM技术之下，DRAM芯片从2D转变为3D，可以在很小的物理空间里实现高容量、高带宽、低延时与低功耗，因而HBM被业界视为新一代内存解决方案。

CXL：PCIe应对海量数据面临瓶颈

PCI-Express(peripheral component interconnect express)，简称PCIE，是一种高速串行计算机扩展总线标准，主要用于扩充计算机系统总线数据吞吐量以及提高设备通信速度。PCIE本质上是一种全双工的的连接总线，传输数据量的大小由通道数lane决定的。一般，1个连接通道lane称为X1，每个通道lane由两对数据线组成，一对发送，一对接收，每对数据线包含两根差分线。即X1只有1个 lane，4根数据线，每个时钟每个方向1bit数据传输，依次类推。CPU通过主板上的PCIe插槽及PCIe协议与加速器沟通，实现上下之间的接口以协调数据的传送，并在高时钟频率下保持高性能。

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