中国加持未伤内存市场格局大雅,不确定性犹在

2021-09-13 02:27

后疫情时代、贸易战的紧张和芯片短缺,内存市场却前景仍然光明,2020年DRAM和NAND的合并收益比2019年增长15%,达到约1220亿美元;预计2022年规模将达到1800亿美元以上,2026年有望在超过2000亿美元。
 
中国押注两大关键厂商,CXL接口崛起,内存业务仍保持增势,不过,挑战犹存。根据市场研究与战略咨询公司Yole的数据来分析一下。
 
内存市场,唯一确定的是不确定性
 
2018年,当内存市场的收入超过1600亿美元时,人们相信,一个新的时代已经开始。然而,过去两年证明,内存市场唯一确定的就是不确定性。2019年,DRAM和NAND的价格都下跌了近50%,收入暴跌了30%以上。随着新冠疫情席卷全球,似乎可以肯定,内存市场将继续灾难性下滑……但事实并非如此,2020年,NAND和DRAM市场收入分别增长了28%和6%,再次证明这是一个多变的市场。从2020年开始,DRAM和NAND市场迹象表明,2021年会是更加强劲的一年。这是否预示着正在进入另一个类似2017年的超级内存周期?光明可期,道路曲折。
 
Yole高级技术与市场分析师Simone Bertolazzi博士表示:“内存是半导体产品的主要细分市场之一。2020年,NAND和DRAM的总收入占整个半导体市场的不到三分之一,但增势明显。”
 
 
半导体和内存收入及年增长率(%)
 
Yole的DRAM与内存研究副总裁Mike Howard解释道:“在近年来供应商削减资本支出和需求旺盛的共同作用下,未来看起来颇为光明,特别是DRAM。2022年其收益将再次冲高,达到1220亿美元(DRAM)和770亿美元(NAND)的历史新高。”
 
从长期来看,到2026年,DRAM和NAND的收益预期将分别以15%和8%的CAGR增长至1510亿美元(DRAM)和860亿美元(NAND)。期间,在技术规模化带来的单位比特成本降低的推动下,DRAM和NAND的ASP(平均售价)预期将下降约5%和16%。
 
 
2020-2026主要终端系统平均DRAM和NAND用量
 
NAND和DRAM是内存技术的主力军,在包括智能手机、平板电脑、SSD(固态驱动硬盘)、PC、服务器和汽车在内的各种应用和系统中分别用作存储性和工作性内存。数据中心和移动将是主导,汽车是增长最快的细分市场。
 
 
未来5年数据中心和汽车涨势迅猛
 
Yole的NAND和内存研究副总裁Walt Coon补充道“DRAM市场和NAND市场都有天然的周期性,具有出现供应短缺时期和供过于求的特点,这会导致剧烈价格变化和收益波动。”
 
2019年严重产能过剩后,NAND和DRAM的ASP年同比都下降了49%,尽管面对贸易战和新冠疫情,市场整体状况在2020年有所改善。新冠疫情对内存行业产生的影响是多方面的。数据中心和笔记本电脑的需求有所增长,而汽车和智能手机则面临增速放缓,直接结果是内存需求相对平衡,同时由于内存供应商对新晶圆产能的投资显著不足,NAND/DRAM生产开始放缓。
 
Simone Bertolazzi点评道:“在当前半导体短缺时刻,存储产业正面临着SSD控制器和其他NAND子组件的稀缺,导致供应链的不确定性,并带来ASP压力。”他补充道:“三星德州奥斯汀工厂原本为其SSD生产NAND控制器,遭遇冬季风暴因停电关闭一个多月,进一步加剧了这种短缺,并可能加速NAND定价的恢复,特别是在受控制器短缺影响最为明显的PC SSD和移动市场。”
 
大趋势+硬盘升级推高度NAND需求
 
供需失衡可能会在短期内造成市场波动,但推动大规模数据生成的新兴大趋势以及基于NAND的SSD正在进行硬盘驱动器(HDD)替代将把NAND推向新高。笔记本电脑SSD的采用率也在不断提高,智能手机和其他移动设备中的内容持续增长。这些细分市场将继续推动NAND消费,还有几个新兴趋势将促进未来增长,如人工智能(AI)和VR(虚拟现实)、自动驾驶和物联网(IoT)。
 
在以数据为中心的现代社会,半导体内存是一种无处不在的技术,代表着一个规模市场,在上述大趋势推动下增长潜力可观。为此,该领域的资本支出仍在增加,为了支持NAND架构从平面(2D)向3D结构转变及层数持续增加,供应商不断提高工艺密集型3D NAND,几个洁净室新增项目可以抵消晶圆生产量的下降。
 
NAND的竞争格局仍然充满活力。三星正在利用其庞大的Pyeongtaek(平泽)工厂,并扩大其在中国西安的产能;铠侠(Kioxia,东芝独立出来)及其合作伙伴Western Digital(西部数据)继续扩大其在日本产能;SK Hynix正在收购英特尔的NAND/SSD业务;即使在从浮栅技术过渡到栅极技术的过程中,Micron(美光科技)仍然是3D技术的领导者。与此同时,新来者已经出现:中国武汉长江存储(YMTC),有可能打破现状。
 
CXL接口崛起,DDR5起飞
 
AI训练等数据密集型应用的最大障碍不是算力,而是“内存墙”,而内存处理器接口是克服“内存墙”的关键。早在1994年,就有科学家分析和预测了这一问题,并将这种严重阻碍处理器性能发挥的内存瓶颈命名为“内存墙”,简单来说就是内存性能提升太慢,计算能力提升到一定限度,即使再增加处理器核,也无法提高综合计算能力。其主要原因是内存和处理单元之间的数据传输存在带宽限制。
 
按照连接标准划分,目前有DDR3、DDR4和DDR5,2021年,DDR4是PC和服务器模块中使用的主要接口。2022年,DDR5将在服务器上起飞,达到服务器出货量的40%。
 
 
按接口世代(2015-2020年)和(2021-2026年)划分的DDR比特发货量
 
CXL接口正在崛起。5月,三星推出全球首款基于CXL接口的服务器内存扩展模块,采用DDR5颗粒制造,可轻松将服务器内存扩展至TB级容量。CXL和DDR5将支持新一轮数据密集型应用。
 
DDR5 DRAM是DDR(双数据速率)标准的最新版本,与DDR4相比显著提高了性能。新规格带来了更低的电压,将电源管理IC放在内存模块上,将最大数据速率提高了一倍,并将芯片密度提高了4倍(高达64Gb)。
 
随着所有领先DRAM制造商最终确定其主流DDR5设计,DDR5内存的生产正在发力。预计2022年起DDR5将真正起飞。
 
早在2018年10月,Cadence就展示了首款DDR5内存验证模组,其中DRAM芯片来自美光。
 
2020年1月,美光宣布基于1znm(第3代10nm级工艺)技术提供DDR5样品,针对服务器的RDIMM(带寄存器的双线内存模块),将用于即将推出的英特尔和AMD平台。
 
2020年4月,SK Hynix表示DDR5内存将于年內量产。10月,SK Hynix发布全球首个DDR5内存模块。
 
2021年6月,美光发布1α制程DRAM及176层NAND Flash产品。1αDRAM是美光采用希腊数字命名的第一个10nm级DRAM工艺,产品已量产供货,比特容量、功耗与性能均有显著提升。除了1α,未来美光还规划了1β和1γ工艺,继续提升内存存储密度。
 
2021年7月,三星表示正在“开发一个最大的24Gb的DDR5产品”,为今年晚些时候推出的英特尔Alder Lake处理器提供14nm DDR5样品。
 
除了DDR,目前正在开发的各种新的开放接口和协议有:CXL、Gen-Z、OpenCAPI、CCIX、HBM2E。其中,CXL在AI/HPC数据中心应用方面正在加速发展,在容量和密度方面为连接高容量DRAM和SCM技术(如3D XPoint)提供最佳方案。
 
从内存技术细分来看,目前DRAM和NAND占据了存储芯片95%以上市场份额。数据显示,DRAM销售额在2020年约占整个存储市场的大半江山,NAND比重不到一半,其他内存芯片(EEPROM、EPROM、ROM、SRAM等)成长缓慢。
 
 
2020年内存市场技术细分
 
反弹中复苏是基调
 
接下来几个季度,尽管预期新冠疫情后的复苏未能实现,中国和美国之间的对峙有增无减,但市场正在2021年的反弹中复苏。长期来看,随着成本降低,基于NAND的存储解决方案将进一步渗透到传统HDD市场,收入有望增长。在技术方面,尽管层数增长和QLC(四层存储单元)出现,但随着工艺和制造复杂性的持续上升,技术驱动的增长将放缓。由于长江存储加入竞争激烈的市场,预计长期NAND ASP的下降速度将略高于行业成本的下降速度。在缺乏行业整合的情况下,供应商的利润率可能仍将受到压力。平面与3D NAND工艺流程的差异已将资本支出重点从光刻转移到沉积和蚀刻,因此,现有平面晶圆厂转为3D促使晶圆厂大量重组。随着3D NAND处理时间的增加,需要在新的洁净室空间进行重大投资,以在过渡期间保持稳定的晶圆输出,从而使设备供应商受益。
 
中国力量不容小觑
 
独立内存是指用于显卡或GPU等的内存,也叫专用内存。中国是独立内存的顶级市场,也是所有头部内存供应商的关键市场,在中国销售的DRAM和NAND芯片占全球市场1/3以上,中国必须从外国进口大部分芯片,导致了巨大的贸易缺口。
 
长期以来,中国一直在投资国内集成电路产业,也吸引了多家跨国芯片制造商大举建设内存和代工厂。
 
 
在中国布局的内存和代工厂
 
独立内存市场周期性很强,不是短缺就是供过于求,价格变化和收入波动强烈。独立内存最重要的终端市场包括:数据中心服务器和企业应用、智能手机、客户端PC和消费电子SSD以及包括ADAS的汽车应用。独立内存技术包括NAND、DRAM、持久性内存(3D XPoint)、计算存储、NOR、(NV)SRAM、新兴的NVM等。
 
 
独立内存市场和技术
 
2020年,三星、SK Hynix和美光将30%以上的内存产品出售给位于中国的公司。Kloxia、西部数据(西部数据)和英特尔也是中国市场NAND内存的主要供应商。这就是中国政府与私营企业合作,为发展本地内存制造业提供数十亿美元资金的原因。为此,中国也走出了两个冠军——长江存储和长鑫存储(CXMT)。
 
 
独立内存的主要参与者
 
中国是内存供应商的主要市场,占NAND和DRAM内存总销售额的35%以上。过去几年,虽然中国的投资机构一直在支持许多半导体项目,但如今,投资更加谨慎,主要集中在最可靠、最有前途的技术和参与者身上。
 
2020年,长江存储和长鑫存储开始在中国本土消费应用市场占有一席之地。长江存储优先考虑的显然是对不断增长的数据中心和移动业务至关重要的主流内存,目前已量产低容量(包括SSD)64L NAND,128L生产正在开发中。
 
长鑫存储是目前中国领先的DRAM制造商,其次是清华紫光。目前长鑫生产的内存芯片使用的还是10G1(10nm级第一代)工艺,仅提供国内市场,相比三星落后了两三代。长鑫未来将瞄准第三代10nm工艺的DDR5/GDDR6/LPDDR5内存。2026年,长鑫存储有望占到生产晶圆的7%,年复合增长率40%。
 
 
长鑫存储增长率可能达40%
 
整合奏响主旋律
 
整个行业排名前七的厂商是三星、Kioxia、西部数据、美光、SK Hynix、英特尔和长江存储。长期看,晶圆生产将不断增加,以满足比特需求。内存业务的差距正在缩小,NAND市场继续走向整合。
 
2016年5月,西部数据以约190亿美元收购SanDisk;2012年,还曾收购日立存储。
 
2019年6月,英飞凌90亿欧元收购Cypress,包括2018年Cypress与SK Hynix成立的专注于SLC(单层单元闪存)NAND的合资公司SkyHigh Memory。Cypress的存储解决方案涵盖NOR Flash、SRAM、NVRAM、eNVM等,在汽车领域市占率达65%,医疗领域、工业领域、通信领域也在50%以上。
 
2020年10月,SK Hynix收购英特尔在大连的NAND生产能力、相关IP和SSD业务,但3D XPoint并未包括。这项交易对双方都有利,在短期内不太可能对内存市场产生重大影响,因为这两家供应商此前服务于不同终端市场,英特尔专注企业和数据中心;SK Hynix是移动和消费。
 
2020年,贸易战导致供应链中断,兆易创新将NOR订单从中芯国际转移到HLMC。2021年初,因中芯国际产能满载,兆易创新又将部分存储芯片转单给华虹半导体。
 
2021年4月媒体报道,美光和西部数据都在探索收购2020年5月由东芝存储更名为Kioxia的潜在交易,后者估值可能达300亿美元。西部数据的意图是与三星争霸,改变闪存芯片全球格局。
 
事实上,整个行业的并购一直就没停过,2006年英特尔美光成立合资公司IMFT,2019年美光给英特尔12.5亿美元分手;美光还在2016年收购了Inotera Memory;2014年Cypress并购Spansion……
 
整来整去,形成了现在的格局:英特尔+SK Hynix,西部数据+ Kioxia+美光。
 
 
存储行业两大格局
 
这对市场意味着什么?这个整合场景很像DRAM的环境,形成势均力敌之势,所有NAND参与者都可以使用DRAM技术(长江存储除外),都将拥有足够的市场份额来进行长期竞争。
 
如果美光收购Kioxia将获得规模,并通过西部数据获得企业专有技术;而SK Hynix将通过英特尔在企业领域获得份额。两大阵营市场在抵御长江存储竞争中将处于有利地位。
 
随着长江存储进入,整合可能是实现更健康行业的最佳途径。按市场细分,三星是NAND内存固态硬盘领域无可争议的领头羊,其次是Kioxia和西部数据。移动和消费领域由Kioxia和西部数据主导,市场份额合计超过35%。
 
按市场细分,三星DRAM内存在数据中心和手机两大市场及图形和消费领域处于领先地位。SK Hynix和三星是PC DRAM的顶级厂商,而美光则是汽车DRAM市场的领导者。
 
今年3月,美光放弃3D XPoint活动并出售Lehi晶圆厂,使英特尔Optane持久性内存未来朦胧。3D XPoint是英特尔与美光共同研发的革命性存储技术,2006年各自出资12亿美元成立合资企业IMFT研发3D XPoint,2015年首次对外宣布合作成果。2017年3月,英特尔推出其Optane系列首款产品。2018年双方结束联合开发,美光以15亿美元买断了与英特尔的合资企业。就此,美光与英特尔从伙伴变对手,3D XPoint站在存续十字路口。
 
美光停止3D XPoint技术的开发主因是大规模商业化持续投资的需求不足。今年7月,美光宣布以15亿美元将其Lehi晶圆厂出售给德州仪器,却没有卖给英特尔。不过,美光仍打算保留其手上与3D XPoint相关的所有IP。
 
至此,包括美光在内的内存IDM将专注于CXL协议产品。作为“远内存(Far Memory)”(高容量DRAM和存储级内存)的未来互连协议,CXL正在取得进展。远内存的作用是为软件可见的地址空间(SPA))提供容量;近内存(Near Memory)只是充当中介,提供速度。
 
NAND和DRAM制造的复杂性正在增长,扩展NAND和DRAM是一项资本密集型业务,DRAM和NAND已成为晶圆设备(WFE)的重要组成部分,2018年,NAND的制造成本曾一度占到了整个WFE支出的40%以上,一般情况下,这个数字在20%-25%左右。现在3D NAND WFE市场正在演变,包括光刻、沉积和干法刻蚀。
 
 
3D NAND WFE市场演变
 
按工艺划分,3D NAND仍主导晶圆生产,一些平面容量仍可支持传统和专业领域应用。SSD单元组合方面,客户端SSD主导SSD单元出货量;PC趋于饱影响了晶圆企业收益。
 
 
晶圆产量预期
 
技术和市场挑战犹存
 
NAND市场发展也面临许多重要问题,例如,2020年末,美光和SK Hynix相继发布了176层3D NAND,但在层层堆叠过程中,沉积和蚀刻工艺将面临巨大的挑战。QLC产品将在多大程度上进入市场也是问题。虽然闪存芯片容量密度越来越高,成本越来越低,然而性能、寿命却越来越“渣”,厂商不得不依靠各种辅助技术来优化。尽管PLC(五层)闪存多年前就已研发出来,但各大厂商一直没敢真正推向市场,主要也是寿命问题。
 
DRAM产品的技术更新主要体现在工艺节点,2020年3月,三星成功交付基于EUV技术的10nm(D1x)DDR4 DRAM模块;2021年7月,SK Hynix量产第四代10nm(1a)级工艺的8Gb LPDDR4移动端DRAM产品;8月,美光确认已将EUV技术纳入DRAM技术蓝图,将由10nm中的1γ工艺节点开始导入。
 
为DRAM实施EUV面临的挑战是,局部临界尺寸均匀性(LCDU),因为这种变化会改变电气性能和蚀刻纵横比。EUV的一个主要问题就是工艺窗口窄,而大于40nm的电容器间距极限也是EUV图案化的极限。EUV还不足以解决DRAM的微缩问题,有可能需要在3至5年后引入一种新的DRAM架构,3D堆叠可能是一个选择。
 

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