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存储芯片“两大两小”,中国企业境遇不同

2023-01-24
来源:腾讯新闻客户端

存储器是集成电路市场的“大宗商品”,体量巨大,据WSTS统计,2021 年全球存储器市场规模为1538.38亿美元,同比增长30.9%,在全球集成电路市场占比达到33%。从存储器的市场发展趋势来看,尽管呈现出周期波动的特征,但总体增长趋势明显。

总体来看,应用范围最广的存储器主要包括四大类:DRAM,NAND Flash,NOR Flash和EEPROM。按照市场规模划分,可归纳为“两大两小”,其中,“两大”是DRAM和NAND Flash,“两小”是NOR Flash和EEPROM。

据IC Insights统计,2021年全球存储芯片市场中,DRAM占比达56%,NAND Flash占比约为41%,NOR Flash占比约为2%,EEPROM占比与NOR Flash属于同一量级,明显低于DRAM和NAND Flash。

DRAM

DRAM结构简单、存储容量大,广泛应用于计算机内存,是市场规模最大的存储芯片。SDRAM是同步DRAM,能够与CPU系统时钟同步,是DRAM的主流。目前,DDR4 SDRAM占据了主流市场,相比DDR3,DDR4能将性能和带宽提升50%,同时降低功耗。DDR5也在市场拓展过程当中,其最高内存传输速率可达6.4Gbps,比DDR4性能更强、功耗更低,具有很好的发展潜力。此外,LPDDR以低功耗为特色,在智能手机等移动终端上广泛应用。

制程方面,DRAM已经发展到10nm-20nm。行业龙头三星电子于2014年率先实现20nm制程产品(4Gb DDR3)的量产,此后,DRAM制程工艺大约每两年实现一次突破,从1X(16nm-19nm)到1Y(14nm-16nm),再到1Z(12nm-14nm)。2021年1月,美光宣布量产1α(接近10nm)制程的DRAM,领先行业。

DRAM 广泛应用于手机、服务器、PC等领域,其中,手机和服务器是主要推动力。随着消费者对更高画质、音质、芯片算力要求的提升,手机对DRAM的存储容量需求不断提升,2021年,手机DRAM的平均容量达到4.8GB,高端旗舰机达到12GB。

除了用于手机、服务器等的高性能、大容量类型,还有一种DRAM,其存储容量较小,且对制程工艺要求不高,价格较为实惠,通常被称为利基型DRAM,主要应用于数字电视机顶盒、液晶电视、监控、行车记录仪、工控等。这类DRAM大多由中小规模的存储器厂商生产。据 Trendforce统计,2021年全球利基型DRAM市场规模约为90亿美元,接近DRAM总体市场容量的10%。

全球大宗DRAM市场被三星电子、SK海力士和美光这三巨头把持着。目前,中国本土DRAM厂商主要有长鑫、紫光国芯、兆易创新、东芯股份和晋华,其中,已有企业实现了8Gb DDR4的量产。2021年,兆易创新推出了首款自研4Gb DRAM,采用的是19nm制程工艺。

在利基型DRAM市场,中国本土的代表企业是兆易创新,而在车规级市场,北京君正的产品也具有一定的市场影响力,相关利基型DRAM已应用于智能座舱、激光雷达、摄像头等车载领域。

NAND Flash

NAND Flash适用于大容量数据的存储(通常为1Gb-1Tb),且能够实现快速读写和擦除。NAND Flash在大容量下具有成本优势,是大容量非易失存储的主流技术方案,广泛应用于通信设备、消费电子、汽车电子等领域。

工艺方面,传统NAND Flash是2D结构的,近些年,3D结构兴起,且大量蚕食2D NAND市场,3D NAND通过多层垂直堆叠技术,既能够提高单位面积存储密度,又能改善存储单元性能,且成本可控。三星电子于2013年率先开发出24层3D NAND,2020年,176层3D NAND问世,2022年,美光宣布232层3D NAND实现量产,成为全球首款突破 200层的NAND Flash芯片。

与DRAM类似,智能手机和PC是NAND Flash的主要应用市场,数据中心和汽车电子需求在不断提升。

全球NAND Flash市场由三星电子、铠侠、西部数据、美光、SK海力士主导,其中,三星市占率最高,达到34%。

中国NAND Flash企业主要包括长存、华邦电子、旺宏电子、兆易创新、东芯股份等。长存于2018年研发出64层堆叠的Xtacking架构3D NAND产品,并在2019年实现量产,2020年研发出128层产品。Xtacking架构能使3D NAND拥有更快的I/O传输速度和更高的存储密度。兆易创新的SLC NAND Flash已实现38nm、24nm制程工艺的量产,并完成1Gb~8Gb主流容量覆盖,该公司还推出了38nm制程的车规级SLC NAND Flash。东芯股份方面,通过与中国本土晶圆代工龙头深度合作,实现了24nm制程产品的量产,32Gb产品已实现流片。

NOR Flash

NOR Flash是一类通用型非易失性存储芯片,具有读取速度快、随机存储和芯片内执行等特点,NOR Flash允许CPU直接从存储单元中读取代码执行(XIP),即应用程序可直接在Flash内运行,而不必再读到系统 RAM 中。NOR Flash的写入和擦除速度较慢,不适宜作为大容量存储器,仅在小容量应用场景具有成本效益,如用于存储开机软件程序。目前,NOR Flash的主流制程工艺为55nm,各厂商正在向40nm及更先进节点推进。

电子产品因内部指令执行、系统数据交换、用户数据存储等需求,必须配置中小容量的代码存储器以实现低功耗存储,在这方面,NOR Flash是不可或缺的元器件。按容量划分,中小容量NOR Flash多用于TWS耳机、手机中的AMOLED,TDDI等消费电子领域,大容量 NOR Flash多用于汽车电子、5G基站和工业控制等领域。

与NAND Flash相比,NOR Flash容量小、擦写速度慢,在智能手机兴起时期,其市场规模曾一度萎缩,但随着2016年苹果推出AirPods系列的TWS耳机后,NOR Flash市场随着可穿戴设备的兴起而复苏,据CINNO Research统计,2017年全球NOR Flash市场规模达到24.1亿美元,在TWS耳机、物联网、汽车电子等新兴应用的驱动下,NOR Flash需求不断提升,预计2022年达到37.2亿美元,并将保持每年10%左右的增长速度,有望在2026年达到42亿美元的市场规模。

全球NOR Flash市场主要由华邦、旺宏、兆易创新、赛普拉斯(已被英飞凌收购)和美光主导。由于NOR Flash市场规模相对较小,2017年以来,美光、赛普拉斯等纷纷退出中低端市场,产能让位于高毛利的大容量NOR Flash或DRAM、NAND Flash业务,这给中国厂商提供了商机,特别是兆易创新,其市占率已达到18%,进入了全球前三,普冉位列全球第六。

兆易创新已经开发出2Gb的超大容量NOR Flash产品,能够满足汽车电子、5G基站、物联网等领域的存储需求。其它中国本土企业,如普冉、东芯、恒烁等,通过中小容量产品切入TWS耳机等消费电子市场,不过,这些企业在汽车电子等高附加值应用领域鲜有量产产品。

EEPROM

EEPROM全称为Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,是一种小容量、可反复擦写的非易失性存储芯片。EEPROM在断电情况下仍能保留所存储的数据,可以在计算机或专用设备上擦除已有信息重新编程。

与NOR Flash相比,EEPROM适于更低容量(1Kb-1Mb)、需要高频修改的存储应用,如汽车电子、智能手机摄像头模组、智能电表、医疗监测仪等。成本方面,当单个容量低于1Mb时,EEPROM的成本低于NOR Flash。

2021年,全球EEPROM芯片销售额约为8.34亿美元,同比增长5.17%。

消费电子是EEPROM最大的应用市场,其次是汽车电子和工业控制。具体来看,智能手机摄像模组是EEPROM最大的应用市场。近些年,多摄像头手机不断涌现,预计2023年的手机摄像市场会有55.25亿个EEPROM的需求,其中,约21.03亿个用于多摄像头(三个及以上),27.93亿个用于双摄像头,单摄像头对EEPROM的需求占比将减少至11.38%。总体来看,手机摄像头数量的提升,带动了镜头参数存储的需求,推动着EEPROM在摄像头模组中的需求量快速提升。

与消费类设备相比,车用对EEPROM的要求更高,需要具备更高的可靠性、更强的温度适应能力。

全球EEPROM市场主要由意法半导体(ST)、Microchip,以及中国的聚辰半导体主导。

与ST、Microchip相比,中国本土企业在EEPROM领域的专注度更高,能够进行集中的技术和资源投入,更加灵活、敏锐地捕捉到客户需求并快速作出响应,形成了稳定的供货能力,聚辰已成为智能手机摄像头EEPROM的领先企业,已达到年供货量近10亿个的水平。

在汽车电子应用领域,随着国产汽车的崛起,以及ADAS、BMS电池管理等新能源车衍生出的新应用,国产EEPROM的市场份额不断提升。目前,聚辰已经成为国内外众多Tier1和Tier2企业的供应商,客户包括比亚迪、吉利、特斯拉、现代、丰田、保时捷、大众等知名汽车品牌。

结语

在巨量的存储器市场,与国际大厂相比,中国本土存储器厂商话语权普遍较弱,但也涌现出了一批很受市场关注的企业。无论是大宗的DRAM和NAND Flash,还是小宗的NOR Flash和EEPROM,都有不断扩大市场份额的中国企业。

2023年,由于市场需求普遍疲软,对各类存储器企业都是一个不小的考验,在市场处于低谷期时,特别是在国际贸易受限的情况下,对中国本土存储企业而言,意味着会有更多的潜在发展机遇。此时,需要更多的投入和坚持,以迎接明、后年市场的复苏。



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