2020年半导体行业存储芯片研究框架

最后修改: 2021-05-20 21:28:04

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行研君说

导语

DRAM竞争格局历经洗牌，现阶段韩国三星、海力士、美国美光三大寡头垄断市场。从集中度看，三星、海力士、美光三家企业垄断市场，top3市占率从2006年开始大幅度上升，集中度迅速提高，从2005年 61.9%迅速提升到2018年95.5%，呈现“三足鼎立”之势。

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来源：陈杭方正证券

一、DRAM投资逻辑框架

2019年达到周期底部，2020年上行周期开启。 2020年上半年受新冠疫情影响，服务器、智能手机、PC需求激增带动DRAM价格迅速回升，新一轮上升的大趋势基本确定。从历史数据及我们推演，DRAM行业周期上行通常将持续两年，看好2021-2022年DRAM行业保持稳定增长。

二、详解DRAM：存储器最大细分领域

DRAM定义与结构：

半导体存储从应用上可划分为易失性存储器（RAM，包括DRAM和SRAM等），以及非易失性存储器（ROM和非ROM）。

动态随机存储器（DRAM）和静态随机存储器（SRAM）同属于易失性存储器，在断电状态下数据会丢失。两者因结构不同，其应用场景有很大的不同。

DRAM利用电容储存电荷多少来存储数据，需要定时刷新电路克服电容漏电问题，读写速度比SRAM慢，常用于容量大的主存储器，如计算机、智能手机、服务器内存等。

SRAM读写速度快，制造成本高，常用于对容量要求较小的高速缓冲存储器，如CPU一级、二级缓存等。

DRAM历史与发展：早期存储器的发展史

1942年，世界上第一台电子数字计算机ATANASOFF-BERRY COMPUTER（ABC）诞生，使用再生电容磁鼓存储器存储数据。

1946年，随机存取存储器（RAM）问世，静电记忆管能在真空管内使用静电荷存储大约4000字节数据。

1947年，延迟线存储器被用于改良雷达声波。延迟线存储器是一种可以重刷新的存储器，仅能顺序存取。同年磁芯存储器诞生，这是随机存取存储器（RAM）的早期版本。

1951年，磁带首次被用于计算机上存储数据，在UNIVAC计算机上作为主要的I/O设备，称为UNIVACO ，这就是商用计算机史上的第一台磁带机。

1956年，世界上第一个硬盘驱动器出现在了IBM的RAMAC 305计算机中，标志着磁盘存储时代的开始。该计算机是第一台提供随机存取数据的计算机，同时还使用了磁鼓和磁芯存储器。

1965年，美国物理学家Russell发明了只读式光盘存储器（CD-ROM），1966年提交了专利申请。1982 年，索尼和飞利浦公司发布了世界上第一部商用CD音频播放器CDP-101，光盘开始普及。

1966年，DRAM被发明。IBM Thomas J. Watson 研究中心的Robert H. Dennard发明了动态随机存取存储器（DRAM），并于1968年申请了专利。

1970年，Intel公司推出第一款商用DRAM芯片Intel 1103，彻底颠覆了磁存储技术。DRAM的出现解决了磁芯存储器体积庞大，运行速度慢，存储密度低及能耗较高等问题。

DRAM主要可以分为DDR（Double Data Rate）系列、LPDDR（Low Power Double Data Rate）系列和GDDR（Graphics Double Data Rate）系列、HBM系列。

DDR是内存模块中使输出增加一倍的技术，是目前主流的内存技术。LPDDR具有低功耗的特性，主要应用于便携设备。GDDR一般会匹配使用高性能显卡共同使用，适用于具有高带宽图形计算的领域。

云计算、大数据的兴起，服务器的数据容量和处理速度在不断提高，推动了DDR技术的升级迭代，目前市场上主流技术规范为DDR4和LPDDR4，DDR5技术即将进入商用领域。

DRAM未来技术及制程

DRAM从2D架构转向3D架构是未来的主要趋势之一。3D DRAM是将存储单元（Cell）堆叠至逻辑单元上方以实现在单位晶圆面积上产出上更多的产量。相较于普通的平面DRAM，3D DRAM可以有效降低 DRAM的单位成本。

其他发展路径：采用铁电材料的设计电容（ferro capacitor）以延长DRAM位元格储存电荷的时间延长。具有改善DRAM的资料保存时间（retention time），减小刷新的负担、快速开启或关闭低功耗模式、实现更低的备用功耗，以及进一步推动DRAM的规模化等优点。使用低漏电流沉积的薄膜晶体管（thin-film transistor），例如氧化铟镓锌，来取代DRAM位元格内的硅基晶体管，以大幅降低储存单元的面积。

三、周期&需求：周期波动及需求分析

DRAM 行业变革及周期

DRAM芯片需求经历了PC推动周期、PC&Notebook推动周期，目前正处于智能手机&服务器&AloT推动周期。 2010年iPhone 4正式开启移动端的巨大增量，叠加云服务器端需求不断上涨，DRAM迎来第三轮爆发式的增长并持续至今。

DRAM 供需与周期关系详解：供需错配导致价格波动

DRAM行业：周期性强，一个周期约为四年。由Bloomberg提供的各型号DDR3/4单价波动来看，2012年至 2016年，2016年至2020年分别为完整的波动周期。DRAM扩产从计划至出货约为两年，故可得一个周期中价格上行下行分别约两年的原因为：供小于求，价格上行，厂商扩产，供大于求，价格下行。

2019年达到周期底部，2020年上行周期开启。 2020年上半年受新冠疫情影响，服务器、智能手机、PC需求激增带动DRAM价格迅速回升，新一轮上升的大趋势基本确定。从历史数据及我们的推理来看，DRAM 行业周期上行通常将持续两年，看好2021-2022年DRAM行业保持稳定增长。

四、知己知彼：DRAM市场及竞争格局剖析

DRAM市场规模及竞争格局

DRAM竞争格局历经洗牌，现阶段韩国三星、海力士、美国美光三大寡头垄断市场。从集中度看，三星、海力士、美光三家企业垄断市场，top3市占率从2006年开始大幅度上升，集中度迅速提高，从2005年 61.9%迅速提升到2018年95.5%，呈现“三足鼎立”之势。DRAM行业历经多轮周期洗礼，全球供应商的数量在1997年达到峰值，而后随着产业的变迁逐步减小，目前仅以三家巨头为主，其他厂商包括中国台湾的南亚科技、华邦电子等。

三星稳居全球DRAM龙头，海力士美光紧随其后。2013年美光收购尔必达，市占率曾短暂超过海力士并接近三星，但三星坚守研发高投入，逆向投资等策略，随即巩固了在DRAM领域的优势。

DRAM厂商主要特点

内存芯片标准化程度高，各厂商竞争的核心环节在于制造工艺与生产规模。厂商需要同时进行技术研发及产能投资。DRAM制程工艺紧跟摩尔定律，转变较快，同时需要较大出货规模以摊平生产及研发成本。

DRAM市场中IDM模式更具优势。目前DRAM市场三家龙头均为IDM厂商，其优势在于设计与制造工艺协同，能率先推进并实验新型技术，IC设计到芯片落地时间较短。但同时产能变化较为缓慢，需要较高资本投入，管理运营成本较高。Fabless模式资产要求低，但欠缺晶圆厂配合，代工产能紧张时可能无法生产最新产品，故Fabless不太适合内存行业。

内存行业为重资产行业。海力士与美光厂房设备占总资产比重常年处于60%左右，同时需每年需要维持稳定的厂房设备投入，下行周期时需借入长期负债以保障现金流。高昂的初始投资与后续研发及厂房设支指出形成行业壁垒，市场集中度不断提升。