当前人工智能新一轮浪潮下,数据流量呈爆发式增长,高算力刺激存储市场供不应求。
2022年全球存储芯片市场规模约1334亿美元,占整个集成电路市场份额约23%。
据Yole预测,2027年,市场规模将达到1585亿美元,整个存储业的复合年均增长率预计为8%。
存储市场未来仍将保持增长:
存储产业中最重要的两个类目是RAM(随机性存储器)和ROM (只读存储器)。
两者下属的DRAM(动态随机存储器)和NAND Flash(闪存)则是整个存储行业中最重要的细分产品。#存储
美光预计 Al 服务器可以拥有常规服务器八倍的 DRAM 容量和三倍的 NAND 容量,存储行业市场规模有望加速成长。
DRAM(动态随机存储器)也称内存,是一种易失性存储器(RAM),通电时资料存在,断电则造成资料流失,主要用于处理芯片的数据暂存。
NAND Flash又称闪存,是非易失性存储器(ROM),断电时数据仍然可以保留,通常应用于大容量外部存储。#芯片
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DRAM可分为同步存储(SDRAM)和异步存储,其中主流产品SDRAM已经迭代了SDR(Single Data Rate SDRAM)、DDR1(Double Data Rate 1 SDRAM)、DDR2、DDR3、DDR4、DDR5六代。
厂商长期竞争格局变迁来看,DRAM市场经历了一个较为长期的竞争过程才形成了如今三寡头垄断的市场格局。
在2005年,三星电子、海力士和美光只能占到DRAM市场60%的份额,经过长期的并购整合不断提高市场集中度,到2013年美光收购尔必达后,三家公司能够始终占据90%以上的份额,市场竞争格局稳定。
整体来看,DRAM竞争格局优于NAND,寡头垄断格局稳定,目前存储行业三巨头占整个DRAM市场份额94%。
根据2021年数据,在DRAM的行业份额中:三星(43.03%)、海力士(28.38%)、美光(22.73%)。
三星在2022年10月的Samsung Foundry Forum上宣布将进入1bnm工艺阶段,并预计有望在2024年前设计出DDR6。
美光科技2022年11月宣布将采用全球先进技术节点的1βDRAM,并计划在23年实现量产(1xnm相当于16-19nm、1ynm相当于14-16nm,1znm相当于12-14nm,1α、1β对应更小的制程)。
DRAM主要厂商制程进展对比:
“3D堆叠+近存储运算”突破内存容量与带宽瓶颈,成为处理大量数据和复杂处理要求的理想解决方案。
高带宽存储器(HBM, High Bandwidth Memory)是一款新型的高带宽、高附加值DRAM产品。
其融合了3D堆叠以及近存储运算技术,可消除内存受限、计算密集型工作负载的处理与内存瓶颈,因此十分适合用于对性能要求高的计算系统领域。
相比于GDDR5,HBM能大幅提高数据处理速度,其每瓦带宽可高至3倍以上,且能够降低63%的功耗以及节省94%的芯片面积。
目前三代HBM DRAM价格约是传统DRAM价格的5倍。
凭借独特的TSV信号纵向连接技术,HBM内部将数个DRAM芯片在缓冲芯片上进行立体堆叠,其内部堆叠的DDR层数可达4层、8层以至12层,从而形成大容量、高位宽的DDR组合阵列。
在系统集成方面,HBM将原本在PCB板上的DDR内存颗粒和计算芯片一起集成到SiP,有效利用空间、缩小面积。
以HBM为代表的超高带宽内存技术生成类模型也会加速HBM内存进一步增大容量和增大带宽。
HBM融合3D堆叠与近存储运算技术:
市场格局方面来看,目前全球HBM市场仍旧由海力士与三星垄断,SK海力士HBM技术起步早,从2014年推出首款HBM后,SK海力士一直是HBM行业领头羊,目前海力士占据全球HBM市场一半以上的市场份额。
根据TrendForce的数据,2022年三大原厂HBM市占率分别为SK海力士50%、三星(Samsung)约40%、美光(Micron)约10%。
在美光、Synopsys等企业加入布局HBM产品推动行业加速竞赛后,HBM内存技术已从HBM、HBM2、HBM2E升级至HBM3标准(第四代HBM)。
目前已有NVIDIA H100与AMD MI300正式搭载HBM,三大原厂海力士、三星、美光也已规划在2023下半年进行相对应规格HBM3的量产。
HBM当前渗透率依然较低主要由于:消费级应用场景对于价格极其敏感,且数据处理复杂程度相对不高,传统存储器足够满足其需求,几乎不需要使用到HBM;服务器市场出于性价比考虑往往不会优选HBM,大部分传统服务器仍使用GDDR5、GDDR6来提升内存性能,目前搭载高端AI算力芯片的服务器占比仅1%左右。
2022-2026年HBM市场规模CAGR有望达52%:
伴随AI训练与推理模型拉动高阶深度学习AI GPU规格的提升,其热度也将进一步向上传导至HBM产品的需求拉升与技术更迭。
为了适应小体积、大容量等市场需求,NAND Flash逐渐从二维平面过渡至三位堆叠结构,在3D NAND Flash时代,堆叠层数成为NAND Flash新标准。
根据半导体产业纵横的信息,2D 在平面上对晶体管尺寸进行微缩,从而获得更高的存储密度,但晶体管尺寸微缩遇到物理极限,现已面临瓶颈,达到发展极限。为了在维持性能的情况下实现容量提升,3D NAND 成为发展主流。
3D NAND 把解决思路从单纯提高制程工艺转变为堆叠多层,成功解决了平面NAND 在增加容量的同时性能降低的问题,实现容量、速度、能效及可靠性等全方位提升。
不同于DARM行业集中度经历了长期由低到高的发展进程,NAND Flash一直是集中度相对较高的行业。
截至1996年,全球NAND大厂现在已多半退出市场,新晋厂商通过技术突破,占据了稳定的市场份额,2005年CR6就已经高达98%,到2022年CR6约为97%,前六家厂商合计市占率长期稳定在95%左右。
NAND的行业份额中:三星(34%)、铠侠电子(19%)、WDC(14%),CR3约67%,海力士(13%)、美光(11%)、英特尔(6%)。
从堆叠层数来看,200层之下各代产品中,各大原厂都推出相同或近似堆叠层数的3D NAND Flash,且技术迭代速度与产能扩大速度呈现不断加速趋势。
但进入200+层竞争后,各原厂堆叠层数开始出现大规模分歧,存储工艺更突显复杂化趋势,三星投资1000亿美元以期维持技术领导者地位。
考虑到NAND Flash各玩家技术研发投入与营收利润的平衡、存储工艺堆叠方式的复杂化趋势,NAND Flash高速迭代的趋势受挫,层数演进速度或将逐渐放缓。
国内代表厂商中,兆易创新专注于2D NAND市场,NAND Flash产品38nm、24nm 工艺节点实现量产,并完成1Gb~8Gb主流容量全覆盖。DRAM方面,产品重点布局安防、机顶盒以及工业等领域,自研占比逐步提升,17nm DDR3产品于2022年9月向市场推出,相较台厂20nm产品有较强的性价比优势,2023年有望放量。截至2023年4月,兆易创新车规级存储产品累计出货量达1亿颗。
长江存储专注于3D NAND,公司成立于2016年7月,总部位于武汉,是一家专注于3DNAND闪存芯片设计、生产和销售的IDM存储企业,是紫光集团旗下重要的存储芯片厂商。
北京君正是具有显著成本优势的SLC NAND Flash厂商。存储芯片产品线,北京君正车规SRAM和车规DRAM在全球车规细分市场均名列前茅。随着汽车智能化的不断发展,存储芯片的单车价值量预计将不断提升,有望推动存储芯片在车规市场的长期增长。2022年实现营收将近40.55亿元,同比增加12.80%,其中汽车、工业等市场保持了良好的需求。
东芯股份是国内SLC NAND龙头,主流存储产品全覆盖存储全品类布局,下游应用场景广泛。
江波龙是国内存储模组龙头厂商,公司成立于1999年,主要从事Flash及DRAM存储器的研发、设计和销售。目前,江波龙拥有嵌入式存储、固态硬盘、移动存储和内存条四大产品线。江波龙旗下自有品牌Lexar(雷克沙)在SSD渠道市场的市占率约为6%,排名全球第四。#5月财经新势力
佰维存储主要从事半导体存储器的研发设计、封装测试、生产和销售,产品及服务包括嵌入式存储、消费级存储、工业级存储及先进封测服务。
澜起科技是全球内存接口芯片龙头,持续受益于DDR5渗透率提升主营业务卡位内存接口芯片优质赛道,行业壁垒高毛利高。全球内存接口芯片认证、技术壁垒高,行业格局高度集中,自DDR4世代开始,全球内存接口芯片仅剩澜起科技、IDT、Rambus三大玩家,同时由于市场竞争者少,内存接口芯片毛利率常年维持较高水平。
存储器行业投资地图:
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本文由梁桂钊于2023-09-13发表在梁桂钊的博客,如有疑问,请联系我们。
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