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半导体存储行业未来发展趋势

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半导体存储在存储领域应用最广、市场规模最大。半导体存储器可分为掉电易失存储器(断电后丢失数据)和非掉电易失存储器(断电后保留数据),其中主流易失存储器搭载DRAM内存芯片,主流非易失存储器搭载NAND闪存芯片。

半导体存储行业未来发展趋势

 

半导体存储在存储领域应用最广、市场规模最大。半导体存储器可分为掉电易失存储器(断电后丢失数据)和非掉电易失存储器(断电后保留数据),其中主流易失存储器搭载DRAM内存芯片,主流非易失存储器搭载NAND闪存芯片。

 

一、半导体存储行业的发展现状

 

01、发展规模

 

中国半导体存储行业规模庞大,并且有较强的发展潜力。中国是全球半导体存储器的重要市场之一,2018年,中国半导体存储器市场规模达到864亿美元,占全球半导体存储器市场规模55%。2019-2020年,由于下游应用如智能手机、PC出货量下滑,且产品库存较高,导致半导体存储器供过于求,价格下滑,同时全球贸易摩擦升温,对半导体贸易市场造成较大影响,使全球以及中国半导体存储器市场规模有所下降,但即便如此,2020年,中国半导体存储器市场规模仍占到全球41%。

 

另一方面,中国是全球最大的DRAM存储芯片市场,占全球DRAM存储芯片市场销售份额的42.8%,也是全球第二大的NAND存储芯片市场,占全球NAND存储芯片市场销售份额的31.3%。

 

 

02、PEST分析

 

政策环境方面,集成电路产业是中国战略性产业,近年来国家高度重视和大力支持集成电路产业的发展。2014年,国务院发布《国家集成电路产业发展推进纲要》,提出集成电路产业是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业,并设立集成电路产业投资基金。2020年,国务院发布《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》,从财税、投融资、研究开发、进出口、人才、知识产权、市场应用、国际合作等八个方面制定集成电路产业发展的政策措施。半导体存储作为集成电路产业的重要组成部分,也因此受益,得到发展。

 

经济环境方面,中国半导体存储行业有较好的发展前景。中国对于半导体存储器的需求量庞大,但由于国内半导体存储行业技术不足,目前中国半导体存储器仍大量依赖进口,数据显示,2018年,中国半导体存储器贸易逆差出现峰值,总金额高达5228.1亿元,半导体存储器的国产化需求较高。2019年,由于中美贸易摩擦加剧,半导体存储器进口受到限制,这加速了中国半导体存储器的国产化进程。

 

 

社会环境方面,世界已经进入信息化的时代,随着社会的发展时代进步,电子产品的普及与应用越来越广泛,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域。全球的消费电子产品市场稳步扩张,预计2023年全球消费电子规模达到11000亿美元,我国达到5200亿美元。而消费电子产品有生命周期短,迭代速度快的特点,对半导体存储产品有较大需求。

 

 

技术环境方面,云计算、物联网、AI、大数据、5G等新型信息技术的出现,将创造出全新的存储应用领域,并产生更大更快的数据存储要求,促进现有存储产品的更新换代。根据IDC预测,2025年,全球数据量达到175ZB,中国达到48.6ZB。由于数据量的快速增长,未来对半导体存储产品的需求也将迎来爆发式增长。

 

二、半导体行业发展趋势

 

面对半导体存储如此庞大的市场,掌握其未来的发展趋势尤为重要。一方面,存储芯片是半导体存储器的核心组成部件,且存在可替代现有存储芯片的新型存储介质,另一方面半导体存储的发展往往受到下游应用领域的影响,因此,正略咨询将半导体存储行业划分为存储芯片技术、新型存储介质、存储芯片应用、半导体存储产品、半导体存储产品应用领域五个方面,并逐一分析其发展趋势。

 

01、存储芯片技术发展趋势

 

存储芯片是半导体存储器的重要组成部件,其技术的发展情况决定了新世代存储器的容量、性能等。

 

主流存储芯片为DRAM内存芯片和NAND闪存芯片,其中DRAM的技术发展路径是以微缩制程来提高存储密度。制程工艺进入20nm之后,制造难度大幅提升,DRAM芯片厂商对工艺的定义从具体的线宽转变为在具体制程范围内提升二或三代技术来提高存储密度。目前市场上DRAM的应用较为广泛的是2xnm和1xnm,三星、美光、海力士等龙头厂商均已开发出1znm制程的DRAM。中国DRAM技术比较落后,目前还停留在1xnm制程。NAND芯片制程已经达到极限,技术趋势从2D转向3D,通过增加芯片堆叠层数获得更大容量。目前,三星、海力士、美光的3D NAND技术均已达到128L,长江存储仅达到64L。目前中国在存储芯片技术上仍和国际头部企业有较大差距。

 

 

02、新型存储介质发展趋势

 

新型存储介质结合了DRAM内存的高速存取,以及NAND闪存在关闭电源之后保留数据的特性,可以打破内存和闪存的界限,使其合二为一,同时,新型存储介质功耗更低,寿命更长,速度更快,因此,被业界视为未来闪存和内存的替代品。但新型存储介质产业尚未成熟,相对于传统的DRAM芯片和NAND芯片,新型存储介质的产品路线不够明朗,技术路线尚不明确,新型存储介质产业的发展机遇与挑战并存。由于新型存储性能远优于传统存储介质,且随着5G、人工智能等新兴领域的快速发展,对存储的需求呈现爆发式增长,另一方面,不断衍生的新型应用领域也对存储的性能有着更高要求,未来新型存储有广阔的潜在市场与发展前景。

 

目前,主流的五种新型存储介质分别为相变存储器、记忆电阻存储器、铁电存储器、磁存储器和碳纳米管存储器,其中应用于PC的相变存储器发展相对成熟,代表企业为英特尔,其傲腾H系列混合固态硬盘,并且早已实现量产。其它的四种新型存储介质大多还在理论研究阶段,未研发出相关产品,或相关产品未进行商用。

 

 

03、存储芯片应用发展趋势

 

对于DRAM芯片,目前主要应用于手机和服务器。2018-2020年,DRAM芯片应用于手机的占比最高,但整体幅度有一定的下滑,从40%降至36%。DRAM芯片的第二大应用领域为服务器,并处于逐年上升的趋势,2018年到2020年,整体占比从27%上升至30%。PC和消费电子占比有小幅波动,但整体保持稳定,其中PC占比保持在10-15%,消费电子占比保持在15-20%。图形技术在DRAM市场中占比最低,维持在5%左右。我国闪存市场预测,2021年各类市场应用占比基本保持不变。

 

 

对于NAND芯片,目前主要应用于嵌入式产品和固态硬盘。2018-2020年,应用于固态硬盘(SSD)的NAND芯片占比最高且保持不断增长的趋势,整体占比从43%上升至50%。第二大应用领域嵌入式产品的占比略有下降,从44%降至35%,但相较于其他产品,依然处于高位。存储卡/闪存盘占比保持在10%左右,剩余产品占比较小,仅有5%左右。根据预测,2021年嵌入式产品占比将略有上升,固态硬盘很大可能保持不变,而存储卡/闪存盘和其他产品略有下降。

 

 

04、半导体存储产品发展趋势

 

存储产品分为闪存产品和内存产品,其中闪存产品主要分为闪存盘、卡类存储、固态硬盘和嵌入式存储(eMMC、UFS),内存产品主要分为内存条(LPDDR、DDR)和显存(GDDR、HBM)。存储产品未来将往高速度、大容量方向发展,产品性能持续提升,而固态硬盘中,PCIe SSD逐步取代SATA SSD,嵌入式存储中,UFS逐步取代eMMC。

 

 

05、半导体存储产品应用领域发展趋势

 

存储产品应用领域可分为传统应用领域和新兴应用领域,其中传统应用领域中具备较好发展趋势的主要有PC、5G手机、可穿戴设备和安防,新兴应用领域中具备较好发展趋势的主要有数据中心、智能汽车和智能家居。

 

(1)传统应用领域

 

PC

 

受疫情影响,居家办公和在线教育等场景发展,PC端受需求拉动迎来增长。2020年,全球PC出货量达到30200万台,2018-2020年CAGR为8%,我国PC出货量达到2100万台,2018-2020年CAGR为15%。

 

由于固态硬盘SSD的快速发展,消费类SSD在PC市场逐渐替代HDD,其搭载率逐年提升,根据IHS Markit(2020)预测,2025年PC市场消费类SSD出货量达到28357万个,搭载率达到89.6%。同时由于在颗粒相同的情况下PCIe SSD可以实现更高的性能,传输更快的PCIe接口正在取代SATA接口。根据中国闪存市场数据(2019),在全球PC市场中,2016年,SATA SSD占比85%,而2020年,PCIe SSD占比增长至85%。

 

应用在PC的DRAM存储产品类型为DDR和GDDR,目前主流产品世代为DDR4和GDDR6;NAND存储产品类型为SSD,目前主流产品世代为PCIe Gen4 SSD和SATA ⅢSSD。

 

5G手机

 

全球智能手机规模逐年下降,但由于5G技术的发展,2019年开始5G手机渗透率逐渐提升。2020年,全球5G手机出货量达到26900万个,同比增长率为1245%,中国5G手机出货量达到16400万个,同比增长率为1162%。根据市场调研公司Canalys(2020)预测,2023年全球5G手机出货量将达到7.74亿部,占智能手机市场份额51.4%,其中我国5G手机出货量占全球市场份额的34%。

 

与4G手机相比,5G通信技术用户体验速度可达到1Gbps,是4G的100倍,所以对存储器的性能和容量有更高的要求。据美光(2020)披露,LPDDR5的6400Mbps和UFS 3.0的23.2Gbps更能满足5G手机对速度的要求。

 

应用在5G手机的DRAM存储产品类型为LPDDR,目前主流产品世代为LPDDR5;NAND存储产品类型为嵌入式存储,目前主流产品世代为UFS 3.0。

 

 

可穿戴设备

 

随着物联网的发展,智能可穿戴设备的出货量和市场规模逐年提升。2020年,全球可穿戴设备出货量达到44500万台,3年CAGR为61%,我国可穿戴设备出货量达到10000万台,3年CAGR为17%;全球可穿戴设备规模达到3386亿元,3年CAGR为14%,中国可穿戴设备规模达到559亿元,3年CAGR为12%。

 

存储产品在可穿戴设备中主要应用于智能手环、智能手表和智能耳机中,根据IDC数据(2019),2019年可穿戴设备中,全球耳机、手表、手环占比分别为50.7%、27.5%、20.6%;根据方正证券数据(2019),中国手环、手表、耳机占比分别为55%、35%、8%。可穿戴设备低功耗、不断增强的性能和小巧规格加大了对高级离散组件和多芯片封装的需求。其中手环和耳机有严格的体积限制但对容量和性能要求不高,适合搭载eMCP存储器,而手表由于性能越来越强,适合搭载性能和容量更强的ePoP存储器。

 

应用在智能手表、智能手环和智能耳机的存储产品类型为嵌入式存储,目前智能手表主流产品世代为ePoP,智能手环主流产品世代为eMCP,智能耳机主流产品世代为eMCP。

 

 

 安防

 

安防一直是存储产品的重要应用领域。2020年,全球安防摄像头出货量达到59000万颗,3年CAGR为25%,中国安防摄像头出货量达到41000万颗,3年CAGR为13%;全球安防摄像头规模达到21783亿元,3年CAGR为9%,中国安防摄像头规模达到8312亿元,3年CAGR为10%。

 

基于人工智能和大数据的发展,传统安防正逐渐向“AI+安防”的方向发展。根据Juniper Research的数据(2019),2023年全球智能安防市场规模将超过450亿美元。根据有关数据(2019),智能安防领域中视频监控是核心环节,应用场景也最为广泛,视频监控占智能安防近90%的市场规模。

 

安防对存储器性能和容量要求较高,因为与传统文件相比,视频数据是在流媒体中写入和读取的。因此,存储产品必须具备足够的容量,能够在持续时间内保持稳定运行,并且没有漏洞,PCIe SSD和SATA ⅢSSD可以确保数据记录的稳定和高性能。

 

存储产品主要应用于安防的视频监控领域,DRAM存储产品类型为DDR,目前主流产品世代为DDR3;NAND存储产品类型为SSD,目前主流产品世代为PCIe Gen3 SSD和SATA III SSD。

 

 

(2)新兴应用领域

 

数据中心

 

5G推动云计算加速普及,带来巨量的数据流量,井喷的数据流量需要更强力的服务器支持。运营商、云服务厂商将进入大量建设数据中心的阶段,服务器的需求将持续增长。2020年,全球数据中心机架出货量达到498万架,2018-2020年CAGR为1%,中国数据中心机架出货量达到239万架,2018-2020年CAGR为7%;全球数据中心规模达到7857亿元,2018-2020年CAGR为12%,中国数据中心规模达到1958亿元,2018-2020年CAGR为26%。

 

服务器将创造大量DRAM和企业级SSD需求,根据国盛证券预测(2020),2025年服务器单机DRAM用量达到1.5TB左右,服务器DRAM市场空间达到300亿美元。同时服务器将推动企业级SSD发展,2020年企业级SSD出货量增长至3560万台,平均容量达到2700GB/个,且根据Yole预测(2021),企业级SSD占SSD比例逐年上涨,2020年将达到19%。

 

应用在数据中心的DRAM存储产品类型为DDR和GDDR,目前主流产品世代为DDR4和GDDR6;NAND存储产品类型为SSD,目前主流产品世代为PCIe Gen4 SSD和SATA III SSD。

 

 

 智能家居

 

伴随5G和物联网技术的发展,智能家居市场渗透率不断提高,前景广阔。2020年,全球智能家居出货量达到92360万台,3年CAGR为20%,中国智能家居出货量达到26470万台,3年CAGR为33%;全球智能家居规模达到7935亿元,3年CAGR为14%,中国智能家居规模达到5145亿元,3年CAGR为13%。

 

存储产品在智能家居中主要应用于智能家电、家庭安防、智能影音和智能照明,根据Statista预测(2020),2020年全球智能家居中智能家电占比24%、家庭安防占比22%、智能影音占比13%、智能照明占比10%;根据CSHIA数据(2020),2020年中国智能家居中家庭安防占比21%、智能照明占比16%、智能影音占比14%、智能家电占比12%。

 

5G提高了数据传输速度,也导致智能家居对存储器性能和容量有更高的要求,DDR4和PCIe SSD更能满足智能家居对速度的需求。


 

应用在智能家电的DRAM存储产品类型为DDR,目前主流产品世代为DDR3和DDR4;NAND存储产品类型为SSD,目前主流产品世代为PCIe Gen3 SSD和SATA III SSD。应用在家庭安防的DRAM存储产品类型为DDR,目前主流产品世代为DDR3和DDR4;NAND存储产品类型为SSD,目前主流产品世代为PCIe Gen3 SSD和SATA III SSD。应用在智能影音的DRAM存储产品类型为DDR,目前主流产品世代为DDR3和DDR4;NAND存储产品类型为嵌入式存储,目前主流产品世代为eMMC 5.1和ePoP。应用在智能照明的DRAM存储产品类型为DDR,目前主流产品世代为DDR3和DDR4;NAND存储产品类型为SSD,目前主流产品世代为PCIe Gen3 SSD和SATA III SSD。

 

智能汽车

 

在自动驾驶、车载娱乐系统等应用的推动下,汽车产生的数据量正大量增加,未来车载存储行业增速保持快速增长。根据西部数据公司预测(2020),2025年4级无人驾驶汽车数据存储需求中,传感器数据将达到1-5TB,信息娱乐、操作系统和应用将达到200-270GB,黑盒将达到6-30GB,离线地图、导航将达到3-6GB。2020年,全球智能汽车出货量达到5649万辆,3年CAGR为27%,中国智能汽车出货量达到1293万台,3年CAGR为22%;全球汽车电子规模达到20871亿元,2018-2020年CAGR为9%,中国智能家居规模达到7100亿元,3年CAGR为11%。

 

由于汽车存在行驶安全性问题,对于存储器的响应速度、抗震动、可靠性等方面有更高的要求。车载存储系统内存将从DDR3/LPDDR3转向LPDDR4,闪存将从eMMC/Nor Flash/SLC/TLC转向UFS和PCIe SSD。

 

存储产品在智能汽车中主要应用于信息娱乐系统、辅助驾驶系统和仪表系统。应用在信息娱乐系统的DRAM存储产品类型为DDR和GDDR,目前主流产品世代为DDR4和GDDR6;NAND存储产品类型为SSD,目前主流产品世代为PCIe Gen4 SSD和SATA III SSD。应用在辅助驾驶系统的DRAM存储产品类型为LPDDR,目前主流产品世代为LPDDR4;NAND存储产品类型为嵌入式和SSD,目前主流产品世代为UFS 3.0和PCIe Gen3 SSD。应用在仪表系统的DRAM存储产品类型为LPDDR,目前主流产品世代为LPDDR4;NAND存储产品类型为嵌入式存储,目前主流产品世代为eMMC 5.1。

 

 

三、总结

 

整体来看,半导体存储行业有较好的发展前景。发展趋势方面,对于存储芯片技术,DRAM芯片以微缩制程来提高存储密度,NAND芯片从2D转向3D,通过增加芯片堆叠层数获得更大容量;对于新兴存储介质,目前技术和产品还不成熟,但由于其同时具有DRAM芯片的读写速度,以及NAND芯片的非易失性,未来有较大的发展潜力;对于存储芯片的应用,DRAM芯片市场应用趋势为手机和服务器,NAND芯片市场应用趋势为嵌入式产品和SSD;对于存储产品,未来将往高速度、大容量方向发展,产品性能持续提升,而固态硬盘中,PCIe SSD逐步取代SATA SSD,嵌入式存储中,UFS逐步取代eMMC;对于存储产品应用领域,传统应用领域中具备较好发展趋势的主要有PC、5G手机、可穿戴设备和安防,新兴应用领域中具备较好发展趋势的主要有数据中心、智能家居和智能汽车。