
全球AI算力需求上行,驱动先进存储等多种半导体硬件市场增长。
近期ASML首席执行官傅恪礼在财报视频访谈中表示,目前人工智能依然是逻辑芯片和存储芯片领域主要的增长驱动力。存储芯片市场保持强劲,客户在持续投资最新的高带宽内存(HBM)和第五代双倍数据速率随机存取存储器(DDR5)产品。
预期DDR4涨价效应持续至2025年底,DDR5用量逐季成长,推估2026年第一季起,DDR4涨价动能逐季减缓。
此外,随着国内最大的DRAM存储企业长鑫存储启动上市辅导,其产能扩张和技术升级有望进一步拉动国内存储产业链。
本文重点解析存储芯片三大核心赛道。
存储芯片行业概览
存储芯片是半导体产业的核心组件,也是全球芯片市场比重最大的产品之一。
其作用类似于电子设备的记忆仓库,通过电子或电荷的充放电标记不同状态,实现数据的存储与读取。
存储芯片按断电后数据是否丢失分为两大类:易失性存储芯片和非易失性存储芯片。
易失性存储芯片:代表类型包括DRAM(动态随机存取存储器)和SRAM(静态随机存取存储器)。
非易失性存储芯片:代表类型包括ROM(只读存储器)和Flash Memory(闪存)。
当前存储芯片主要由DRAM、NAND、NOR等细分市场组成。
DRAM主要作为计算机的内存,在整个存储市场的占比约为56%;NANDFlash被广泛用于大容量数据存储介质,占比约为为41%;NOR Flash约占整个存储市场的2.5%,其他存储芯片合计占比约为2.3%。
从应用市场来看,服务器、PC、手机是存储芯片三大主力市场。
行业壁垒来看,存储器芯片产品的标准化程度较高,差异化竞争较小,因此技术升级是存储器芯片公司间竞争的主要策略,工艺制程升级是技术升级的重要方向之一。
存储产业链图示:
01
DRAM
DRAM,即动态随机存取存储器,是当前市场中最重要的系统内存,在计算系统中占据核心位置,其容量和带宽直接影响到计算效率和性能。
DRAM技术随应用需求不断迭代,形成SDRAM、3D DRAM和新型存储架构等分支。
当前算力升级推高DRAM需求。从技术路径上看,DRAM最新标准已经迭代至DDR5。JEDEC组织已经开始筹备下一代标准DDR6的制定工作,并披露了相关规划。
传统内存带宽已无法满足高算力需求,DRAM从2D平面结构转向3D堆叠,以提升带宽与容量,HBM作为高性能的存储解决方案应运而生。
典型的DDR5内存模组结构:
资料来源:CSDN
高带宽内存(HBM)
HBM是AI存储的核心技术方向之一,基于3D堆叠封装的DRAM技术发展而来的高性能内存解决方案。
其核心设计突破了传统DDR内存的平面布局限制,实现超高带宽、低功耗和小体积高集成度的结合,成为AI训练和高性能计算的核心存储技术。
HBM核心技术包括3D TSV堆叠和2.5D/3D异构集成。
全球市场格局来看,DRAM市场的几大参与者包括了三星、美光、SK海力士,另外再加上南亚科技、力积电和长鑫等,高端HBM同样由几大巨头垄断。
国内本土厂商长鑫存储和福建晋华在DRAM领域取得了较为显著的进展,紫光国微、兆易创新、东芯股份等近年来也在加速布局。
HBM产业链
HBM产业链由五大核心环节构成,包括IP授权、上游材料、设备、晶粒设计制造、晶片制造以及封装测试等。
IP授权:提供HBM设计所需的核心知识产权,涉及内存控制器、接口协议等关键技术,主要厂商包括芯原股份、牛芯、奎芯等。
材料:环氧塑封料需要大量添加核心材料low-α球硅和low-α球铝,成本占GMC中的70%~90%。HBM由于3D堆叠导致芯片厚度较高,因此需要用特殊的颗粒状环氧塑封料GMC封装。全球GMC量产只有2家日系公司掌握,分别是日本住友和日本昭和。日本住友和日本昭和这两家的国内供应商是联瑞新材,联瑞新材前身是东海硅微粉厂,专注于硅微粉的研发。华海诚科通过收购衡所华威,年产销量有望突破2.5万吨,有望跃居全球第二位,与日系企业展开竞争,产品已通过客户验证,进入送样阶段,有望突破技术封锁。
设备:中微公司是TSV设备主要供应商。芯碁微装、芯源微(临时键合 解键合)、华海清科(减薄 CMP)、中微公司(刻蚀 沉积)、拓荆科技(沉积 混合键合)、北方华创(刻蚀 沉积)、盛美上海(电镀 清洗)等公司也提供生产HBM所需的关键设备。HBM对检测和量测设备需求提升,国外科磊半导体在国内市场占比最高,国内有一批优秀的量检测企业,如精测电子、中科飞测、赛腾股份、睿励科学等。
晶粒设计制造:设计HBM内存颗粒的电路结构,优化堆叠层数与带宽性能。国际大厂如SK海力士、三星等采用IDM模式,自主完成设计至制造全流程。国内部分企业通过技术突破或合作参与关键环节,例如通过“设计 封测”合作(如长鑫 通富微电)、“IP授权 设计服务”(如国芯科技 封测厂)等方式参与晶粒设计制造环节。长鑫的DRAM工艺是HBM晶粒的基础;兆易创新、紫光国微的IP设计能力提升HBM带宽性能;国芯科技的Chiplet技术降低堆叠成本。
先进封装:HBM生产的核心难点在于晶圆级先进封装技术,先进封装技术TSV、凸点制造、堆叠键合是HBM制备的关键。中国大陆独立封测第一梯队代表企业有长电科技、通富微电、华天科技等,三家厂商在全球前十大OSAT(封测企业)排名中,分别占据了第三、第四、第六的位置。主要参与厂商包括甬矽电子、晶方科技、兴森科技、深科技、太极实业、鼎龙股份等通过差异化技术路线参与关键环节。
02
NAND Flash
NAND Flash 是基于浮栅晶体管的非易失性存储器,通过电荷的存储与释放实现数据保存,可以实现大容量存储、高写入和擦除速度。
主要应用于大容量数据存储,例如智能手机、平板电脑、U盘、固态硬盘等领域。
集成电路2D存储器件的线宽已接近物理极限,NAND闪存进入3D时代。
3D NAND技术通过垂直堆叠提升存储密度,降低单位成本,同时提升耐用性。
当前128层3DNAND闪存已进入大生产,200层以上闪存已处于批量生产阶段,更高层数正在开发。
3D Nand技术图解:
NAND分为利基与主流
SLCNAND、MLC/TLCNAND容量<=4GB的属于利基产品
MLC/TLCNAND容量D>4GB的属于主流产品。
全球市场格局来看,NANDFlash的供给主要由海外厂商主导,三星、铠侠、西部数据、美光、SK海力士几大原厂组成的稳定市场格局,合计占比超95%。
SLCNAND是国内设计公司发力点:
台系厂商华邦、旺宏占据SLCNAND的主要份额。
大陆如兆易创新、东芯股份、北京君正均发力SLCNAND,长江存储做主流NAND。
3DNAND通常由外围电路和存储阵列两部分组成,主要有PNC、PUC以及长江存储推出的晶栈®Xtacking®三种架构,其中后两种为当前主流技术架构。
国内长江存储构建了基于Xtacking的三维闪存自主技术体系,并围绕Xtacking技术通过自主研发和合作开发两种方式逐步建立了一整套知识产权体系。
三星电子已与长江存储签署了开发堆叠400多层NANDFlash所需的混合键合技术的专利许可协议,将从第十代(V10)NANDFlash产品开始使用该专利技术进行制造,主要原因是长江存储在混合键合技术上处于全球领先地位,且三星评估认为从下一代V10开始无法避免长江存储专利的影响。
当前企业级和消费级SSD(固态硬盘)是目前NANDFlash主要应用领域,其中在企业级SSD包括忆联、忆恒创源、江波龙、浪潮、同有科技等都有所布局。
主要的一些市场参与者的技术进展历史如下图所示:
资料来源:TechInsights
03
NOR Flash
NORFlash是除DRAM、NANDFlash之外最大规模的利基型存储。
通常被用于存储相关数据和代码程序,来满足快速启动应用系统的需求,具有读取速度快、芯片内执行等特点,主要应用于智能手机、可穿戴和物联网等领域。
其成本相对高,容量相对小,经常配套SOC主控芯片使用。
“即时启动”是NORFlash下游需求的一个重要特性。
当前AI端侧加速开拓新应用场景,AI眼镜等新品逐步落地,加速带动整体NOR需求提升。
市场格局方面,NOR行业经历二十多年演变,头部厂商经历多次洗牌,国际存储巨头相继退出NORFlash市场。2017年之后,全球NORFlash市场被旺宏、华邦电子、赛普拉斯(英飞凌收购)、美光和中国大陆厂商兆易创新占据。
由于NORFlash市场规模较小竞争日趋激烈,以及DRAM、NANDFlash需求爆发,海大厂逐步退出中低端NOR市场,转向高毛利DRAM/和NAND,目前市场主要以中国大陆和中国台湾厂商为主。
根据Web-FeetResearch报告显示,兆易创新领跑SerialNORFlash市场,2024年通过近存计算技术研发,将芯片延迟降低至5ns以下,车规级产品已进入比亚迪、蔚来等车企的供应链。普冉股份为下游蓝牙、音频、WIFI等主控SoC芯片厂商提供配套的NORFlash芯片。此外,复旦微电、东芯股份、恒烁科技、佰维存储等也是NORFlash市场核心布局厂商。
04
存储模组/主控/内存接口芯片
存储产业价值链紧凑,核心原材料是存储晶圆。
其它原材料包括主控芯片、内存接口芯片以及各类辅料,存储模组厂位于原厂下游。
DDR5渗透率的提升同时也带来以上各细分环节的需求增长。
存储模组
模组厂作为原厂下游,根据客户需求进行主控芯片设计、固件开发、存储晶圆匹配等,并独立完成或委托专业厂商完成封装测试等后端环节,将标准化存储晶圆转化为存储模组产品。
国产头部模组厂商发展各具鲜明特色,例如,江波龙具备品牌优势、德明利从自研主控芯片切入、佰维存储构筑研发封测一体化的经营模式、朗科科技拥有20年专业存储品牌的行业基础。此外,香农芯创代理销售包括存储模组在内的各类电子元器件产品,拥有全球顶级主控芯片、存储器代理权;协创数据使用的存储芯片包含采购和自研,SSD包括多种容量和规格的产品。
主控芯片
主控芯片是存储器核心零部件之一,负责将数据准确地写入存储芯片的指定位置,并在需要时快速读取数据。
全球SSD主控芯片厂商主要可以分为三类:
第一类为NAND原厂自研自用SSD主控芯片厂商,其主控芯片产品搭配自有的NAND颗粒直接加工为自有品牌模组出售,通常不单独对外出售,主要包括三星、海力士、美光、Solidigm、铠侠、西部数据等NAND颗粒原厂。
第二类为非NAND原厂自研自用SSD主控芯片厂商(主要为群联电子),主要是通过外采NAND颗粒,搭配自有的主控芯片产品直接用于自有品牌模组出售或给其他品牌厂商贴牌,同时也向市场出售一部分SSD主控芯片。
第三类为独立SSD主控芯片厂商。独立SSD主控芯片厂商通常单独对外销售主控芯片,主要包括慧荣科技、联芸科技、Marvell、瑞昱、英韧科技、得一微等。近年来国内得一微、联芸科技等第三方厂商崛起,加速降低对美日韩依赖。
内存接口芯片
在大型数据中心中,服务器需要处理海量的数据请求。
内存接口芯片是服务器内存模组的核心逻辑器件,主要对信号进行缓冲和放大,以避免数据在传输过程中可能会出现丢失或错误。
DRAM接口从DDR4升级至DDR5,带宽提升近一倍,支持AI训练等高负载场景。
NAND Flash接口从SATA转向PCIe 4.0/5.0,配合NVMe协议,SSD读写速度突破7GB/s。
DDR5内存接口芯片的竞争格局与DDR4世代类似,全球只有三家供应商可提供DDR5第一子代的量产产品,分别是国内厂商澜起科技、日本厂商瑞萨电子和美国厂商Rambus,澜起在内存接口芯片的市场份额保持稳定。在配套芯片上,SPD和TS主要的两家供应商是澜起科技和瑞萨电子;PMIC的竞争对手更多,竞争态势更复杂。聚辰股份与澜起科技合作开发DDR5内存模组配套芯片,如SPD5EEPROM、SPD5 TSEEPROM产品。
当前AI浪潮成为存储需求可持续性增长的关键支撑,AI服务器和AI终端有望持续带动存储需求增长,国产替代机遇有望加速。