中國半導體存儲行業未來50年發展路線圖

存儲器產業晶片國產化之路邁出的重要一步： 晶片國產化是中國政府在信息安全自主可控政策領域的實踐領域之一，作為信息技術的基礎產業，半導體集成電路持續叐到國家政策的扶持，近期仍國家層面到地方層面的政策及資本的持續也是持續丌斷。

存儲器是集成電路產業的基礎產品之一，產品的成熟度和產業的覎模敁應均較為顯著，而目前中國大陸地匙的企業在相關領域內的仹額仌然較低，通過國家政府層面的大覎模投資有機會快速切入相關領域，也是晶片國產化之路邁出的可靠而重要的一步。

全球產業處於周期性底部有利於新生力量的崛起： 儘管仍2016年第事季度起存儲器行業的產品價格出現了回升，但是行業整體仌然處二周期性底部的位置，市場主要廠商三星、海力士、美先等在資本開支產能擴張方面仌然較為謹慎，而我們訃為在智能秱勱終端需求、數據中心伺服器需求以及固態影片需求帶勱的情冴，DRAM和NAND Flash市場均有逐步仍供過二求向供給丌足轉秱的趨勢，而在這種行業周期性底部有轉發趨勢的情冴下，中國大陸地匙的逆周期投資有望推勱國內廠商成為市場內崛起的新生力量。

一、存儲器是系統的核心基礎部件

存儲器（Memory），顧名思義是在電子計算機系統中用於存放信息的器件。

任何電子計算機系統在運行的過程中，包括輸入的原始數據、程序本身、中間運行結果和最終運行結果都需要保存在存儲器中。

存儲器是電子系統的基礎核心部件之一，是系統正常運作的保障。

（一）存儲器的發展伴隨著電子計算機的歷程

存儲器的發展幾乎是伴隨著電子計算機的發展歷程而來的。

在發展之初，採用汞線延遲線來進行信息的存儲和讀寫，之後採用磁性材料，再到光學材料等存儲器設備，儘管獲得了較大的改善，但是仍然面臨體積龐大、性能有限的挑戰，對應用領域的拓展造成了不小的阻礙。

得益於集成電路技術的發展與成熟，採用半導體集成電路方式製造的存儲器IC晶片獲得了廣泛的採用。

隨著在存儲介質的演進，設計架構的更新和工藝水平的提高，IC存儲器在存儲密度、讀寫速度等性能持續提高，同時能耗、單位存儲單元成本持續降低，IC存儲器的發展也充分享受摩爾定理集成電路演進歷程。

圖1：存儲器的収展歷秳

縱觀整個發展歷程我們看到，1967年科技巨頭IBM提出DRAM規格以及之後的持續演進使其成為了目前包括PC、伺服器、手機、車載等終端產品內存行業的主要技術。

1984年舛岡富士雄博士提出了Flash Memory技術以及之後演進中Intel提出的NOR和東芝提出的NAND架構形成了目前外設存儲器的主流。

上述兩項技術的提出對於現代的半導體集成電路存儲器產業形成了深遠的影響。

（二）半導體存儲器晶片的核心分類：DRAM和Flash Memory

從上述的研究我們可以看到，存儲器經歷了與電子計算機幾乎一樣長的發展歷程，包括磁碟、光碟、IC工藝材料等不同產品已經形成了在不同應用領域中成熟有效的應用分工。

存儲器的分類方式很多，按照存儲介質分類來說，通常可以分為半導體IC存儲器、磁性存儲器和光存儲器等，在本報告中，我們聚焦在半導體IC存儲器，關注存儲器晶片行業。

半導體存儲器按照斷電後數據信息是否能夠保留可以分為兩個大類，易失性存儲器和非易失性存儲器，前者在外部電源切斷後，存儲器內的數據也隨之消失，代表產品是DRAM，而後者則能夠保持所存儲的內容，代表產品是FlashMemory。

圖2：半導體存儲器的分類

DRAM作為易失性存儲器產品的代表，主要用於各類PC、伺服器、工作站的內部存儲單元，憑藉其在存取速度和存取容量方面的折衷性能，實現在核心處理器和外部存儲器之間形成緩存空間。

隨著移動終端的迅速發展，DRAM在智慧型手機中的應用規模也在持續加大。

Flash Memory作為非易失性存儲器的代表，主要應用於存儲卡、U盤、SSD固態硬碟、移動終端的內部嵌入式存儲器等，其可快速讀寫不丟失以及可集成的特性，使得其在移動終端及可攜式移動存儲器產品中有著廣泛的應用場景。

（三）未來存儲器晶片的方向：相變存儲器（PCM）

傳統的半導體集成電路存儲器無論是DRAM還是Flash，其基本原理均是通過對於電荷的多寡形成的電勢高低來進行「0」和「1」的判斷，進而實現信息的存儲。

產業對於存儲器結構和原理的研究始終沒有停歇，近期，各研究機構及資本市場熱點關注相變化存儲器（PhaseChange Memory，簡稱PCM）。

該存儲器非易失真原理與Flash的浮動柵鎖住電荷原理不同，是通過施加特定電流使硫族化物玻璃（目前多數為GeSbTe合金）在晶態和非晶態兩相之間改變，由於晶態和非晶態的電阻特性不同，電路通過讀取不同電阻值來獲取存儲的數據。

如圖所示，施加強電流並快速淬火，使硫系化合物溫度升高到熔化溫度以上，經快速冷卻，可以使多晶的長程有序遭到破壞，實現晶體向非晶體的轉換，通常用時不到100ns；施加中等強度的電流，硫系化合物的溫度升高到結晶溫度以上、熔化溫度以下，並保持一定的時間，實現晶體向非晶體的轉換。

圖3：晶體不非晶體相於轉換

圖4：GeSbTe加熱原理

PCM可以直接改變操作位的數據而不需要單獨進行擦除步驟，減少了寫操作的開銷，並且直接讀取電阻值判斷大小，有效提高讀取速度。

由於Flash的浮動柵存儲結構尺寸難以縮減，這是因為浮動柵級的厚度是一定的，而PCM不需要存儲電子元件，因此它沒有電子元件存儲的擴展問題，儘管同樣採用了半導體平面化工藝來實現器件的生產加工，PCM的存儲密度可以做得更大。

表1：存儲器產品類型的特性比較

上表中可以看出與DRAM相比，儘管讀寫速度略低，但是PCM是一種非易失性的存儲器，而與NANDFlash相比，PCM則在讀寫速度和可靠性方面具有優勢，並且有很小的理論工藝製程可以做到更高的存儲密度。

隨著PCM的技術進步帶來單位成本的下降，與DRAM和Flash產品可以形成優勢互補，甚至做到超越，目前PCM已經被部分廠商應用於實際的產品中，是一項具備未來發展潛力的技術。

二、全球存儲器市場：寡頭競爭下的供需博弈

半導體存儲器作為電子計算機系統的基礎構成器件，其發展歷程貫穿著這個集成電路發展的歷程，目前已經形成了成熟的產業市場和產業格局。

根據WSTS的數據顯示，2015年全球集成電路存儲器市場的收入達到全球半導體市場規模的23%。

圖5：2015年全球半導體集成電路市場挄產品分布卙比

圖6：全球集成電路存儲器市場覎模及增速（2006~2015）

全球集成電路產業呈現出的周期性特性在存儲器市場也較為顯著，與整體市場的波動性比較，存儲器市場的波動幅度更為顯著，我們認為這種特性主要是由於存儲產業的產業競爭格局不同所帶來的，無論是以DRAM為代表的易失性存儲器還是以Flash Memory為代表的非易失性存儲器市場均由幾家大廠商占據絕大多數的市場份額，大企業的產能變動帶來的供給變化對於行業的供需關係的影響力顯著。

圖7：行業波勱性：集成電路整體 v.s.存儲器（2006~2015）

圖8：2014年產業集中度：集成電路整體 v.s.存儲器

不同於其他子行業的產品多樣性，存儲器模塊具有較強的同質性特徵，IDM模式占據了行業的主導地位，代工模式的規模優勢十分有限，未來這樣的產業模式格局仍然將會延續。

從之前我們的分類可以看到，半導體集成電路存儲器按照存儲信息的斷電後是否丟失分為易失性存儲器和非易失性存儲器，前者以DRAM為代表，後者則以FlashMemory為代表，從2015年市場規模的占比我們看到，儘管IC存儲器的種類很多，但是DRAM和FlashMemory分別占據了市場58%和39%的份額，合計占據市場超過98%的份額。

（一）移動終端驅動DRAM需求，韓國雙雄占比繼續提升

DRAM屬於易失性存儲器，自IBM在1967年提出後，經過了多年的演變發展成為了內存市場的主流產品，並且也是IC存儲器市場的最大份額，由於DRAM內存作為電子系統的基礎元器件，因此DRAM市場的波動對於全球半導體市場乃至電子計算機系統市場有「晴雨表」的特性。

1、集成度成本優勢驅動DRAM起步，摩爾定律引領發展

在IBM提出DRAM之前，在核心處理器與外部存儲器之間起到數據緩存作用的易失性存儲器是靜態存儲器（SRAM）。

與SRAM相比較，儘管DRAM需要不斷的進行刷新以保持存儲器內容的不丟失，且其在功耗和讀寫速度方面的存在著明顯的劣勢，但是由於SRAM每一個位元需要多個電晶體分別組成反相器和讀寫位線控制開關，而DRAM每一個位元只需要一個電晶體，因此DRAM獲得了在集成度以及成本方面的競爭優勢，在推出市場後迅速獲得了市場的認可。

圖9：DRAM技術的演迚歷叱

DRAM的規格也經歷多次不同的歷史演進。

早期DRAM存在各種規格，大致包含FP DRAM，EDODRAM，RDRAM，以及SDRAM。

隨著FPRAM，EDODRAM技術不斷達到技術瓶頸，SDRAM作為新的存儲技術出現了。

SDRAM由早期的66MHZ（PC66）發展到133MHZ（PC133）之後，再次達到技術瓶頸，這時出現了兩種DRAM技術，即DDRRAM和RDRAM，儘管RDRAM在架構上具備了發展潛力，但是在成本方面劣勢使其在與DDR的競爭格局中逐步被邊緣化。

表2：DDR存儲器的發展歷程

DDR RAM是SDRAM的升級版本，從SDRAM的一個上升時鐘脈衝傳輸一次數據改為一個時鐘脈衝的上升沿和下降沿各傳輸一次數據，使得帶寬翻倍，並且運用了更先進的同步電路，使指定地址、數據的輸送和輸出主要步驟既獨立執行，又保持與CPU完全同步；DDR使用了DLL技術，當數據有效時，存儲控制器可使用這個數據濾波信號來精確定位數據，每16次輸出一次，並重新同步來自不同存儲器模塊的數據。

2、周期出現底部反彈趨勢，移動終端需求驅動產業增長

根據DRAMeXchange的數據，DRAM市場與全球半導體行業整體市場一樣處於下行的周期中，從過去12個季度的廠商銷售收入數據顯示，從2015年第一季度開始，收入規模呈現了負增長的態勢，造成這種情況的最重要原因是以三星、SK海力士和美光等為代表的各大廠家持續轉進21nm/20nm製程研發而導致產出增加，供過於求進而導致銷售單價下降。

我們可以看到的是，從2016年第二季度的末期開始，DRAM產品的現貨價格和合約價格均呈現了快速的反彈跡象，尤其是在進入了傳統的半導體銷售旺季的第三季度，前期持續下跌的價格導致市場觀望情緒濃厚，帶來的整體市場低庫存，加之三星在西安的生產線受到電力供應故障的影響，市場的補庫存情緒持續高漲帶來了價格的快速回升。

從產品的下游應用市場看，PC及伺服器採用的標準型DRAM產品仍然占據了顯著的市場需求，移動終端採用的利基型DRAM產品伴隨著移動手機等產品的迅速崛起也成為了影響市場需求的重要分支。

3、寡頭壟斷，市場競爭格局趨於穩定

DRAM晶片產品具備了高度同質化特性，規模效應帶來的競爭優勢有被持續放大的趨勢，因此經過了行業多次的整合發展，目前市場呈現了寡頭壟斷的格局。

根據DRAMeXchange的數據顯示，三星、海力士、美光占據市場前三位，2016年上半年占比分別為47%、27%和19%。

從產業模式看，三星、海力士、美光都是從設計到生產完整產業鏈的IDM模式，台灣廠商南茂、華邦電、力晶等作為純代工企業而言，市場的影響力有限。

從WSTS公布的DRAM市場供給增長數據顯示，目前DRAM行業的供給增長速度有所放緩，各大廠商的資本開支計劃顯示對於產能擴張的態度較為謹慎，沒有大規模產能擴張或者收縮的計劃公布，全球供給端市場的產能增長主要來自於半導體工藝製程的演進而帶來在單片晶元上的集成度提升。

（二）固態硬碟驅動未來Flash需求，路線不同帶來多元競爭

Flash Memory屬於非易失性存儲器，產品出現的時間晚於DRAM，需求驅動主要來自於隨著CPU和內存速度持續提升後，磁碟和光碟的讀寫速度和集成度遠遠沒有辦法滿足需求，因此人們開發以半導體集成電路工藝來製造可以長期保存數據的存儲產品。

1、起步晚於DRAM，NAND和NOR兩種構建延續至今

1967年施敏博士與韓裔美國人姜大元在《貝爾系統科技期刊》發表了一篇關於非揮發性內存的論文「浮閘非揮發性半導體內存細胞元件」第一次闡述了快閃記憶體存儲數據的原理技術。

舛岡富士雄博士在1984年於東芝公司工作時發明了Flash存儲技術，1998年，Intel推出第一款商業性的NORFlash晶片，1989年的國際固態電路研討會（ISSCC）上，東芝發表NANDFlash的晶片結構，NOR和NAND規格的Flashmemory一直沿用至今。

FlashMemory的規格相較於DRAM簡單，主要為NOR和NAND型兩種，主要區別在於記憶單元間的內部連接結構。

NOR內部記憶單元以平行方式連接到比特線，允許個別讀取與程序化記憶單元。

NAND內部記憶單元以順序方式連接，只能允許頁訪問。

由於NAND的順序連接方式，降低了所需的空間，進而降低了產品的成本。

Flash Memory的兩種結構多年以來一直延續，直到2015年美光和Intel提出了3DXPoint。

而東芝推出的3DNAND則是在2DNAND的架構上在三維空間的堆疊。

2、移動終端固態硬碟成為行業重要推手

Flash Memory市場中，NAND產品憑藉其在成本方面的優勢，占據的主要的市場份額，2015年全年NAND占到整個FlashMemory銷售額的90%以上。

根據DRAMeXchange的數據，NANDFlash在過去的12個季度中，銷售收入的走勢也是基本與存儲器市場一致，供過於求的局面導致了產品銷售價格的下降。

我們還可以看到NAND FlashMemory的價格變動趨勢與DRAM類似，在過去的一個季度中經歷了明顯的反彈趨勢，傳統旺季的季節效應推動了存儲器產品市場的需求提升，以消費電子和移動通信設備為主要終端需求的Flash Memory在市場的本輪補庫存行情中獲得了顯著的訂單增長。

從產品的下游應用市場看，Flash Memory的主要需求來自於智慧型手機和平板電腦的內部存儲，以及伴隨著SSD固態硬碟在個人電腦和伺服器終端的應用推動。

智能移動終端市場方面，隨著運算處理器和應用程式的複雜度提升，對於存儲空間的要求持續增加進而推動了Flash Memory的需求提升。

同時，SSD固態硬碟憑藉其響應速度的優勢在個人電腦和伺服器領域的滲透率持續提升，也為Flash Memory市場的發展提供了動力。

3、競爭格局/產能分布

Flash Memory的晶片有NAND和NOR兩種結構方案，儘管應用市場廣泛，但是在產品規格方面的同質化特性依然較為明顯，與DRAM類似規模效應帶來的競爭優勢也成為新進入者的有效壁壘，並且在行業面臨整合的時候，規模較大的企業生存機會更高。

根據DRAMeXchange的數據顯示，三星、東芝、閃迪、美光、海力士占據市場前五位，2015年占比分別為32%、19%、15%、15%和11%。

從產業模式看，Flash Memory行業中代工模式的規模占比略高於DRAM存儲器，部分8寸晶元代工廠為Flash Memory的廠商提供服務，但是我們仍然可以關注以IDM模式為主的廠商的產能狀況。

由於晶元代工廠商在Flash Memory市場擁有相應的生存空間，因此我們可以看到，未來新增加的產能規模將會主要集中在包括3D NAND等新產品方面。

三、中國存儲器產業：任重而道遠的崛起之路

儘管中國集成電路產業經過了20多年的發展已經逐漸在全球市場中形成了競爭力，但是中國大陸廠商在全球的市場占有率仍然有限，尤其是在存儲器行業中國內企業在參與度很低。

從中國政府對於信息安全進而帶來的晶片國產化進程中，存儲器行業集成電路的基礎器件之一，受到了國家的高度重視，各地多筆大規模的投資顯示國家希望在存儲器行業拓展競爭力的態度。

（一）基礎薄弱，發展迅速，國產化依然空間可觀

中國集成電路產業的發展起始於上世紀90年代初，經過了20多年的發展，已經初步形成了完善的產業鏈體系，部分子行業內擁有了全球的競爭力，根據統計數據顯示，2015年全年中國集成電路行業的市場規模為11，024億元人民幣，達到全球市場的62%。

同時我們也需要注意到，中國大陸的半導體企業產值在全球市場的占比仍然較低，國產化程度仍然有待提高。

從存儲器行業看，2015年中國集成電路存儲器市場規模超過2，800億元人民幣、占中國半導體銷售收入的25%以上，占全球存儲器市場59%。

（二）國家產業政策驅動大手筆投資，崛起之路任重道遠

由於存儲器行業整體的產品同質化帶來的規模效應顯著，行業呈現了寡頭壟斷的競爭格局，從前面的分析我們可以看到，中國大陸的存儲器廠商尚未形成全球市場的競爭能力。

在國家的「晶片國產化」產業政策的推動下，中央政府和地方政府在產業內的投資助推國內存儲器產業崛起，市場環境及競爭狀況註定了中國企業的未來崛起之路任重道遠。

1、中國存儲器廠商穩步推進

在DRAM領域，僅有IC晶圓代工、封測廠商提供少量的服務，而DRAM市場的IDM模式占比持續增加的情況下，目前國內企業在DRAM市場的參與度有所降低。

在FlashMemory行業中，目前中國國內企業中在2015年完成股權轉讓給紫光國芯的西安紫光國芯半導體有限公司（前稱「西安華芯半導體有限公司」）以及擬上市的北京兆易創新科技股份有限公司具備了行業內的競爭力。

西安紫光國芯半導體有限公司（前身「西安華芯半導體有限公司」），是由原奇夢達科技（西安）有限公司2009年5月改制重建的基礎上發展起來的。

公司2003年作為德國英飛凌科技存儲器事業部在西安成立，在2006年，伴隨著存儲器事業部從英飛凌科技全球拆分上市成為奇夢達科技，奇夢達科技（西安）有限公司也隨之成立並開始作為一家獨立的公司運營。

2009年，浪潮集團收購原德國奇夢達科技（西安）有限公司進行改制重建並更名為西安華芯半導體有限公司。

2015年，紫光集團旗下紫光國芯股份有限公司收購西安華芯半導體有限公司並更名為西安紫光國芯半導體有限公司。

北京兆易創新科技股份有限公司前身「北京芯技佳易微電子科技有限公司」創立於2005年4月，作為一家初創公司主要技術為「超高速靜態隨機存儲器」，經過了多次股權轉讓及增資後，公司先於2010年更名為「北京兆易創新科技有限公司」，後於2012年完成股改，目前公司的主要產品是NOR Flash Memory，包括了1.8V和3.3V兩個系列，其他還有部分MCU產品和技術服務，2014年公司實現銷售收入9.47億元，其中存儲器相關產品的銷售額達到9.31億元。

2、產業政策投資持續加碼，國家意志驅動產業發展

隨著全球化進程的推進，在信息安全方面面臨的挑戰也日益增加，「稜鏡門」事件的爆發，更是將全球各國對於在國家層面的信息安全考量推向了高潮，中國政府也是藉此推出了一系列的政策來加強對於信息安全的把控，「國家信息安全領導小組」的成立標誌著我們國家已經將信息安全上升到了國家領導層面，而「晶片國產化」就是具體表現方式之一。

從晶片國產化具體的實施過程中，存儲器行業成為了國家投資的重要方向，其中以國有企業和地方政府為代表的投資項目主要包括了紫光國芯600億元人民幣定增資金用於Flash Memory的投資建設，武漢新芯擬投資240億美元打造國內集成電路存儲器產業基地，以及一期投資額370億人民幣的福建省晉華存儲器集成電路生產線項目。

2016年7月，紫光集團宣布收購武漢新芯大多數股權後改名為長江存儲技術公司，紫光董事長趙衛國將成為這家新控股公司的總裁，清華紫光將擁有長江存儲技術公司超過50%的股權，其餘股權的控制方是集成電路產業投資基金和另一家由武漢市政府扶持的基金，共同推進項目的產業化進程。

除了以國有企業和地方政府為投資主體的存儲器項目外，我們還關注到海外廠商在國內存儲器領域的投資，2015年10月，英特爾公司宣布投資55億美元將大連工廠建設為世界上最先進的非易失性存儲器製造工廠。

根據英特爾投資金額與大連廠的產能建設來評估，DRAMeXchange初步預估每個月至少可布建30，000-40，000片的3D-NANDFlashMemory。

3、市場供求關係有利國內企業加入競爭格局

從市場供求關係的角度看，在經過了行業過去兩年的下行周期後，DRAM和NANDFlash的市場格局均逐步由供過於求的局面轉向了供給略顯不足的趨勢。

從供給端看，根據Digitimes的數據顯示，DRAM行業的主要廠商韓國三星和海力士均在2016年不同程度的降低了資本開支計劃，主要的資本投入將會涉及製程節點的提升而不是產能的直接擴張，美光科技儘管仍然保持了資本開支計劃規模，但是他們的主要投資方向也是提升技術實力以應對產業競爭。

NANDFlash，包括三星、海力士、美光/英特爾仍然保持了部分的資本開支以期在3DNAND Flash方面保持產能擴張的趨勢。

根據WSTS的預測，2016~2017年，全球DRAM市場的供給增長速度維持在25%左右，而NANDFlash的供給增長則約為45%。

從需求端看，我們之前的分析中可以看到，DRAM市場需求的主要驅動因素來自於移動智能終端的需求增長，PC端的下滑速度放緩，而隨著IDC等數據中心建設的推動，來自伺服器端的內存需求也將保持穩健的成長。

NAND Flash的需求增長主要來自於移動終端以及固態硬碟（SSD）對於傳統硬碟的取代趨勢。

在蘋果公司的最近產品發布會上，新款的iPhone7/7Plus最高配置的存儲容量已經提升到了256GB，而其他手機廠商的新款手機產品也紛紛提供了更多的存儲空間。

SSD市場來看，根據iSuppli預測數據顯示，2017年全球市場SSD出貨量將會達到2.27億塊，較2012年的3，100萬塊大幅提升732%，年複合增長率接近50%。

因此，我們預計在未來2年，DRAM需求端市場的出貨量增長速度接近30%，而NANDFlash市場的需求量增速則有望達到50%以上，因此供求關係的角度看，行業市場正在逐步向賣方市場轉移，而國內的產能投資有望獲得有效的市場支持。