DRAM的技术演进,三巨头的垄断术

摘要：国内厂商由于仍处于起步阶段，存储器的研发能否成功，未来几年将是关键期；研发成功后，良率能否提升到较高水平，成本控制是否能够达到预期，知识产权能否做到有效保护等，仍然有一定的不确定性；从研发成功至量产并形成销售，仍然需要长达几年时间。

存储器是半导体行业的重要分支，在经历了2015和2016年的持续走低后，2017年，全球存储器市场迎来了爆发，增长率达到60%，销售额超过1200亿美元，占全球半导体市场总值的30.1%。

其中，由于供货不足，2017年DRAM的价格（每Gb）增长了47%，市场规模到达722亿美元，较2016年增长了74%，继续（领先于NAND Flash等）保持半导体存储器领域市占率第一的地位。

以下为整理呈现的干货：

千亿美元存储市场

▲半导体产品分支销售占比

存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取，是具有“记忆”功能的设备。

世界半导体贸易统计协会报告显示，2017年，存储器销售额为历年来新高，超过1200亿美元，占全球半导体市场总值的30.1%。其主要原因，是DRAM（最为常见的系统内存）和NAND Flash从2016年下半年起缺货并引发涨价。

▲存储器的分类

▲半导体存储器市场分类

2017年，DRAM平均售价同比上涨77%，销售总值达720亿美元，同比增长74%；NAND Flash平均售价同比上涨38%，销售总额达498亿美元，同比增长44%；NOR Flash为43亿美元。

▲DRAM价格变动趋势

三大存储器的价格大幅上涨导致全球存储器总体市场增长58%，存储器也首次超越历年占比最大的逻辑电路，成为全球半导体市场销售额占比最高的分支，在产业中占据极为重要的地位。

▲半导体产品全球地区分布

从全球市场地区分布来看，2017年亚太及其他地区占比为60.6%，同比增长18.9%；北美地区占比为21.2%，同比增长31.9%；欧洲地区半导体产品市场占比为9.3%，同比增长16.3%；日本半导体产品市场占比为8.9%，同比增长12.6%。

东北证券指出，亚太地区成为全球最大的半导体消费市场主要有两方面原因：一是中国产品规模在亚太地区的占比逐年提升，2016年占比更是创下92.4%的历史新高；二是中国的产品规模逐年增加，且增长率连续几年都高于亚太及其他地区整体水平，有效拉动了整个亚太地区的增长。

▲中国与亚太及其他地区对比

DRAM的技术演进

从市场规模来看，当下最主流的存储器是 DRAM，NAND Flash，NOR Flash，尤其是前两者，占据了所有半导体存储器规模的 95%左右。

▲主流存储器性能对比

在某些领域，新型存储器已经涌现，从目前的结果看，阻变存储器（RRAM）容量大、速度快（读写时间<10ns）、能耗低，相比于其他新型存储技术，与CMOS工艺兼容，被认为是代替 RAM的一个可能的选择。

但是考虑到新型存储器严重的器件级变化性，且DRAM的性价比高，技术成熟且具有规模优势，预计未来5-10年内很难被替代。

▲SDRAM性能对比

在结构升级方面，SDRAM（同步动态随机存储器）作为DRAM的一种升级，已经逐渐成为PC机的标准内存配置。

SDRAM是通过在现有的标准动态存储器中加入同步控制逻辑，利用一个单一的系统时钟同步所有的地址数据和控制信号。使用SDRAM不但能提高系统表现，还能简化设计、提供高速的数据传输。目前，SDRAM从发展到现在已经经历了五代，实现了双信道四次同步动态随机存取内存。

▲全球最小的DRAM芯片

从制程工艺角度来看，DRAM存储器已经步入10nm阶段。

目前，三星已大规模采用20nm工艺，并率先量产18nm工艺；SK海力士则以25nm工艺为主，已导入21nm工艺；美光目前以30nm工艺为主，20nm工艺进入良率提升阶段。

2017年底，三星已开发出全球最小的动态随机存取记忆体（DRAM）芯片，采用10nm级工艺，继续扩大对竞争对手的技术领先优势，同时将在2018年把多数现有DRAM生产转为10nm级芯片。

▲3D DRAM与2D DRAM对比

封装方面，3D DRAM技术正在崛起。

由于DRAM的平面微缩正在一步步接近极限并向垂直方向扩展，18/16nm之后，由于薄膜厚度无法继续缩减，以及不适合采用高介电常数材料和电极等原因，继续在二维方向缩减尺寸已不再具备成本和性能方面的优势。

3D DRAM技术，或者说3D封装，采用TSV将多片芯片堆叠在一起，能够在宽松尺寸下实现高密度容量，并减少寄生阻容和延时串扰问题。随着电子产品对DRAM容量要求和性能的提升，未来3D DRAM比重将呈上升趋势。

三巨头的垄断术

▲DRAM各厂家市场份额

DRAM价格飙涨带动2017年全球半导体产值冲破4000亿美元。从当前DRAM的全球市场份额来看，三星、SK海力士和美光为市场三巨头，这仨最近还在美国被控涉操纵DRAM价格。

IHS Markit发布数据显示，2017年三季度，韩国半导体行业两大巨头三星（44.5%）和SK海力士（27.9%），在全球DRAM市场份额合计达到72.4%，美光科技（22.9%）、南亚科技（2.2%）、华邦电子（0.8%）分列其后。

▲三星DRAM产能变化

从现阶段的技术发展而言，韩国的三星电子依然领先于SK海力士、美光等竞争对手。三星除了积极扩大存储器产量，发展先进制程（第二代10nm级8Gb DDR4），加速其下一代DRAM芯片和系统开发计划，确保市场上的领先地位之外，也积极发展晶圆代工事业，将其视为半导体领域的新成长动力。

▲SK海力士营收占比

SK海力士受惠于全球服务器市场的强劲需求，以及移动产品价格上涨，2017年Q4市场表现良好。未来，SK海力士将通过在服务器和SSD产品导入新的技术与工艺来满足日益增长的市场需求，将扩大1xnm DRAM产能，并应用于PC、移动设备和服务器产品。

▲SK海力士和美光DRAM收入占比

美光科技方面，考虑到存储器市况优于预期，将2018年Q2营收目标自原先的68亿至72亿美元，调高到72亿至73.5亿美元。此外，美光计划利用先进的技术优势降低成本，加强在市场上的竞争力，预计在2018年底将提供1xnm DRAM产品。

市场趋势：产能有限 量价齐增

▲2017-2018年芯片量预测

从供给端来看，DRAM的产能增长有限，摩尔定律放缓将会持续。

目前，三星、SK 海力士两大韩系厂商在扩产脚步上是猛踩油门，包括三星在韩国平泽的P1厂房和Line 15生产线，以及SK 海力士的M14生产线；同时，美光在广岛的Fab 15和Fab 16也有DRAM扩产计划，但产能的增加仍主要依靠两大韩系厂商。

根据三家公司目前最新的建厂规模，2017年全球每季度芯片产能为1100K左右。DRAMeXchange预测，到2018年，三星和SK海力士将会有接近20%左右的产能提升，美光的产能增量为10%，预计全球每季度芯片产能为1200K左右。

▲DRAM厂商工艺进度

DRAM产能增速的放缓，主要原因在于，随着工艺尺寸越来越小，DRAM良率无法得到有效控制。与此同时，EUV光刻设备年产能极其有限，这些问题使得DRAM工艺节点突破困难重重，各厂商工艺进度计划也被迫一再推迟。再加上卖方主导DRAM市场和新型非易失性存储器技术的出现，进一步造成了全球范围内DRAM龙头企业技术升级和扩产意愿下降。

而需求端来看，DRAM的三大主要市场移动终端、服务器和PC结构性增长仍然存在。与此同时，5G商用的节点越来越近，将带动需求加速提升。

▲全球国内外手机厂商市场份额

移动终端方面，DRAM在手机中的平均存储容量保持在每年10%-20%的增长速度，结合手机市场的增长（每年15亿台的稳定换机周期），预计2018年移动终端的DRAM需求将增长18.7%，并继续向国产机品牌集中。

2020年5G商用在即，未来云计算、IDC的发展都需要海量数据存储，因此服务器未来无论从系统出货量，还是单系统DRAM容量提升都具有长期的成长驱动力。预计2018年服务器对DRAM需求增长率为26.1%（出货量增长率2.9%，单系统容量预计增至184GB），将成为增速最大的产品类型。

PC市场仍然保持稳定，对DRAM的需求也将保持相对稳定的小幅增长态势，预计2018年PC领域的市场增长率为6.6%。

▲DRAM价格变动趋势

总的来说，DRAM扩产受困于技术瓶颈和国际大厂的垄断，2018-2020年全球bit growth将继续徘徊在 20%左右的历史低位水平。但是下游终端应用的市场需求将持续温和上升，特别是终端品牌继续向国产品牌集中，造成国产手机对于DRAM产品的需求出现区域性的增加，同时 5G、云计算、IDC 等将拉动服务器应用大幅增长。

东北证券判断：2018-2020年阶段DRAM产品将处于持续性的涨价周期。需要指出的是，大陆DRAM产能大部分将会在 2019 年以后开始量产，如果进程顺利将有可能缓解DRAM供需缺口。

进击的国产

▲IDM模式

不同于垂直分工模式，存储器产业基本采用的是IDM模式，即拥有自己的晶圆制造厂与封测厂，实现资源的内部整合优势，具有较高的利润率。存储器产业竞争的核心要素在于制造工艺和规模化效应。

受限于晶圆规模，国内厂商在DRAM领域一直处于空白，但有望于2018年实现突破。

设备方面，由于高端技术壁垒太强，国内厂商选择从中低端开始切入，目前已具备部分核心设备的制造能力，如光刻机、离子注入机、CMP、ECD等设备。

▲国内厂商DRAM在建产能

目前，国产DRAM厂商已形成福建晋华和合肥长鑫两大阵营。其中，福建晋华的是32nm的DRAM利基型产品，主攻消费型电子市场；合肥长鑫的是19nm DRAM，主攻行动式内存产品，并且将在2018年底前实现试产，开通生产线。此外，长江存储和兆易创新也对DRAM进行了布局。

▲2010-2018 DRAM产品份额及预测：预计到2018年，移动终端和服务器消费份额将继续增长，PC 消费将继续下降，到达历史最低点

东北证券指出，国内厂商由于仍处于起步阶段，存储器的研发能否成功，未来几年将是关键期；研发成功后，良率能否提升到较高水平，成本控制是否能够达到预期，知识产权能否做到有效保护等，仍然有一定的不确定性；从研发成功至量产并形成销售，仍然需要长达几年时间。

因此，预计国内在建产能是个逐步释放的过程，但随着国内在建产能陆续释放，国家存储器产业的不断成熟，有望逐步改变当前的产业格局，对全球DRAM产业发展起到积极推动的作用。

时值大陆半导体发展的关键时期，DRAM作为性价比高，技术成熟且具有规模优势的重要产业分支，在国产终端的强劲需求下将进入发展机遇期，更是有分析称明年将是中国内存发展元年。届时，面临三巨头的垄断压力，以及研发、生产等挑战，本土厂商能否突围，不仅依赖于自身的努力，与政策、资本、产业和市场环境亦紧密相关。