存储IC-现代信息技术的基石

存储器可以说是大数据时代的基石。存储器就类似于钢铁之于现代工业，是名副其实的电子行业“原材料”。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。

从大类上看，存储器可以分为光学存储器、半导体存储器、磁性存储器。半导体存储器是目前最主要的存储器类别，以断电后存储数据是否丢失为标准，半导体存储芯片可分两类：一类是非易失性存储器，这一类存储器断电后数据能够存储，主要以NANDFlash为代表，常见于SSD（固态硬盘）；另一类是易失性存储器，这一类存储器断电后数据不能储存，主要以DRAM为代表，常用于电脑、手机内存。除了NAND Flash和DRAM，还包含其他门类，例如Nor Flash、SRAM、RRAM、MRAM、FRAM等

图表：存储器的分类

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存储器行业属于强周期性行业，从历史表现上看，存储器行业总是处于交替出现的涨跌循环之中。存储器行业的波动剧烈，其产业周期强于电子市场及电子元器件市场整体的周期性，暴涨暴跌的情况可谓常态。

从产值构成来看，DRAM、NANDFlash、NOR Flash是存储器产业的核心部分。这缘于一方面性能不断提升的手机操作系统及日益丰富的应用软件极大地依赖于手机嵌入式闪存的容量；另一方面，万物互联等新技术的涌现推动数据量的急速膨胀。

受益于上述两因素，2018年全球半导体营收去年达4779.36亿美元，主要贡献来自于存储芯片。存储芯片占半导体总营收的比重从2017年的31%上升至了2018年的34.8%，占比最大。CAGR明显高于集成电路整体市场CAGR，从存储芯片内部结构看，DRAM占比57.1%，NANDFlash占比39.49%，NOR Flash占比3.41%。

图表：2018年世界半导体产品结构及增速（百万美元）

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1、DRAM

在半导体科技极为发达的台湾，内存和显存被统称为记忆体，即动态随机存取记忆体（DRAM），DRAM是最常见的存储器，只能将数据保持很短的时间。为了保持数据，使用电容存储，所以必须隔一段时间刷新一次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。

DRAM是相对于SRAM而产生的，SRAM（静态随机存储器）是随机访问存储器的一种，这种存储器只要保持通电，里面储存的数据就可以恒常保持。SARM的优势是访问速度快、功耗非常低，缺陷是单位存储密度不足，成本较高，因而不适合用于更高储存密度低成本的应用，如PC内存。DRAM除了兼具SRAM特点外还拥有非常高的密度，单位体积的容量较高，因此成本较低，几乎适用于任何带有计算平台的个人消费类或工业设备，从笔记本电脑和台式电脑到智能手机和许多其他类型的电子产品等。

随着CPU性能的不断提高，终端产品内存也需要逐步升级，高性能的内存搭配高性能的CPU才能最大的发挥它的价值与优势，DRAM发展到现在已历经了五代，从第一代SDRAM，到如今的第五代DDR4

SDRAM。DRAM沿着传输速率更大，总线计时器更多，预读取量更大，数据传送速率更快，供电电压更小的方向发展。

图表：SRAM、DRAM、SDRAM、DDR3、DDR4参数对比

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图表：DRAM传输速度跟随CPU性能提升不断提高

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从行业上看，早期计算机应用占了整个DRAM产业高达90%份额，2016年开始伴随大容量智能手机崛起，手机逐渐取代PC成为DRAM产业的主流，同时云服务器DRAM需求涌现的带动是功不可没的推手，包括Facebook、Google、Amazon、腾讯、阿里巴巴等不断扩充网路存储系统，对于云存储、云计算的需求提升，都带动服务器DRAM需求起飞，目前DRAM行业一直被美韩三大存储器公司垄断，三星、海力士、美光占据了全球市场的95%以上。

图表：主要DRAM存储器公司

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营收方面，作为韩国国家支柱型企业，韩国三星电子公司在DRAM领域一直处于市场领导者的位置，三星充分利用了存储器行业的强周期特点，依靠政府的输血，在产品价格下跌、生产过剩、其他企业削减投资的时候，逆势疯狂扩产，通过大规模生产进一步下杀产品价格，从而逼竞争对手退出市场甚至直接破产，业内称之为“反周期定律”。2018年全年，三星DRAM厂商自有品牌内存营收437.47亿美金，四季度DRAM市场的占有率为41.3%。其次是韩国SK海力士294.1亿美金，市占率31.2%，第三名是美国美光科技营收220.43美金，市占率23.5%。利润方面，由于2016年以来，供应短缺导致存储器需求大增，DRAM价格出现显著上涨，各主要存储器大厂在全球范围内扩建生产线，三大DRAM公司净利润出现明显上升，美光科技净利率达到46.52%的历史峰值，SK海力士位居其次，净利率35.35%，同样是历史最高值，三星电子净利率17.61%。

图表：2018年全球DRAM厂商自有品牌内存营收（亿美元）

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产品方面，单位存储密度是衡量DRAM性能的核心指标。DRAM工艺发展是跟随摩尔定律的，随着半导体线宽的不断缩小，每个裸片上的容量将继续增加。目前DRAM存在至少还有两个技术节点，第一个是DRAM的复杂度在25nm节点以后上升较快，每片晶圆产出的容量增长趋缓，工厂出片能力也受阻。第二个是20nm节点后，产品的差异化，以高密度、HMC和高级移动产品为将成为优先考虑，每个裸片要有4GB到16Gb的容量才合算。

DRAM节点尺寸目前是由器件上最小的半间距来定义的，美光DRAM基于字线，三星和SK海力士则基于主动晶体管，美光科技、三星和SK海力士作为DRAM市场的主导厂商，这三家公司拥有各自的工艺节点。由于解决了这些技术节点问题，美韩三大厂商凭借领先的工艺水平拉开了与其它存储器厂商的差距。

2、NAND Flash

NANDFlash是Flash存储器中最重要的一种，其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。NANDFlash存储器具有容量较大，改写速度快等优点，适用于大量数据的存储。

Flash的内部由金属氧化层、半导体、场效晶体管（MOSFET）构成，里面有个悬浮门（Floating Gate），是真正存储数据的单元。数据在Flash内存单元中是以电荷（electrical charge）形式存储的。存储电荷的多少，取决于图中的控制门（Controlgate）所被施加的电压，它控制的是向存储单元中冲入电荷还是使其释放电荷。而数据的表示，以所存储的电荷的电压是否超过一个特定的阀值Vth来表示。对于NANDFlash的写入（编程），就是控制Control Gate去充电（对Control Gate加压），使得悬浮门存储的电荷够多，超过阀值Vth，就表示0。对于NANDFlash的擦除（Erase），就是对悬浮门放电，低于阀值Vth，就表示1。

NANDFLASH内部依靠存储颗粒实现存储，里面存放数据的最小单位叫cell。每个储存单元内储存1个信息位（bit），称为单阶储存单元（SLC），SLC闪存的优点是传输速度更快，功率消耗更低和储存单元的寿命更长，成本也就更高。每个储存单元内储存2个bit，称为多阶储存单元（MLC），与SLC相比，MLC成本较低，其传输速度较慢，功率消耗较高和储存单元的寿命较低。每个储存单元内储存3个bit称为三阶储存单元（TLC），存储的数据密度相对MLC和SLC更大，所以价格也就更便宜，但使用寿命和性能也就更低。由于存储数据量的不用，导致SSD从可擦写次数、读取时间、编程时间、擦写时间存在差异。

图表：SLC、MLC、TLC性能对比

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从工艺上看，NANDFlash可以分为2D工艺和3D工艺，传统的2D工艺类似于“一张纸”，但“一张纸”的容量是有瓶颈的，三星、英特尔、美光、东芝四家闪存大厂为了满足大容量终端需求，均开始研发多层闪存（3DNANDFlash），英特尔和美光引入市场的3DXpoint是自NANDFlash推出以来，最具突破性的一项存储技术，它通过单层存储器堆叠突破了2DNAND存储芯片容量的极限，大幅提升了存储器容量，因此技术3DNAND具备了四个优势：一是比2DNANDFlash快1000倍；二是成本只有DRAM的一半；三是使用寿命是2DNAND的1000倍；四是密度是传统存储的10倍。

除了传统存储巨头三星电子、SK海力士、美光科技，东芝和西部数据也是NANDFLASH领域不可忽视的重要力量。

图表：主要NANDFLASH公司

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从营收上来看，智能终端对于NANDFlash的需求，成为拉动NANDFlash产业的火车头，2016年以来NANDFlash价格连续上涨多个季度，2018年全球三大存储器厂商中，韩国三星电子以758.54亿美元，位居全球半导体行业第一位，同时也是存储器行业第一名，其后是美光科技364.3亿美元，第三位是SK海力士306.4亿美元。利润方面，由于2016年六大存储器厂商产能从2DNAND向3DNAND转移，压缩了2DNAND产能，以当时原厂3D技术投产进程而言，出现了3DNAND产能释放缓慢，传统2DNAND产能被削减，造成全球存储器市场供需失衡，NAND存储器供不应求，伴随存储器公司多次主动上调产品价格，多家存储器公司利润率达到近些年来新高。

工艺制程上看，大数据时代对大容量3DNAND存储器的需求持续加大，不管是雷达还是移动硬盘、企业数据库对未来的存储器需求必然是更低的成本、更高的容量、更快的速度，存储器公司具备这三种优势，未来将占据更大的市场份额。各大存储器公司持续推进工艺制程，目前全球最领先的NAND存储芯片是SK海力士公司128层（256Gb）3DNANDFlash，也是全球首个完成256Gb存储容量的公司，其后是三星、东芝、美光科技的64层（128Gb）.

图表：全球主流存储器公司NAND工艺制程表

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从应用领域看，NAND-FLASH广泛应用于固态硬盘（SSD），固态硬盘按照存放数据最小单位bit来划分主要可以分为SLC-SSD、MLC-SSD和TLC-SSD三类。SLC-SSD具有高速写入，低出错率，长耐久度特性，主要针对军工、企业级存储。MLC-SSD和TLC-SSD固态硬盘的应用主要针对消费级存储，有着2倍、3倍容量于SLC-SSD，同时具备低成本优势，适合USB闪盘，手机等。

NANDFLASH 主要应用领域

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整体上来看，DRAM和NANDFLASH占据了存储芯片市场96%以上的份额，NORFlash由于存储容量小，应用领域偏重于代码存储，在消费级存储应用上已出现被NAND闪存替代的趋势，目前仅应用于功能性手机，机顶盒、网络设备、工业生产线控制上。

图表：NAND FLASH与NOR FLASH对比

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由于存储行业终端用户的IT需求往往是综合计算、网络、存储三方面，广泛分布于所有对数据存储有需求的各行各业，涵盖了国民经济的大部分领域，市场规模和发展潜力巨大。

公司层面，由于未来以DRAM和NANDFLASH为主导的存储器行业趋势仍将延续，海外存储器巨头三星电子、SK海力士、美光科技、西部数据、东芝凭借三个先发优势：国家资本支持，数量庞大的技术专利，对下游终端行业多年的渗透，控制了中高端存储器市场，未来仍将继续角逐存储器行业。