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存储器行业寡头垄断 长江存储入局初显锋芒

  公开资料显示,2018年到2020年中国半导体存储器进口金额分别为8137.6、6526.9和6608.7亿元,其中贸易逆差分别达到5228.1、2908.9和2718.2亿元。

  如此大贸易逆差的背后,反映的是国内产业无论是在规模上还是竞争力上,都还不能满足庞大的市场需求。但同时,近年来的数据也有力的表明了国内集成电路产业正在快速成长。

  存储芯片,也叫存储器,是用来存储程序和各种数据信息的记忆部件。根据断电后数据是否被保存,可分为 ROM(非易失性存储芯片)和RAM(易失性存储芯片),即闪存和内存,其中闪存包括NAND Flash和NOR Flash,内存主要为DRAM。

  如果把执行一段完整的程序比喻成制造一个产品,那么存储器相当于仓库,而处理器则相当于加工车间。

  要想提高产品制造的速度,有两种方式,一种是提升加工车间的效率,即提高处理器的性能。

  另一种则为缩短原材料从仓库到加工车间的时间,去设置一个临时的小仓库来堆放原材料。

  在这个比喻中,大仓库是存储芯片中的闪存,小仓库为内存,两者对电子产品的运行都不可或缺。

  内存和闪存有各自的优缺点,内存在写入和读取数据方面比闪存快,但在断电后数据会丢失,而闪存速度较慢,但容量大且可以进行数据保存,因此在计算机系统中会结合两者一起使用。

  尽管存储器产品品类众多,但从产品营收规模来看,DRAM和NAND Flash的市场份额最大。

  据IC Insights统计,2020 年,全球半导体市场规模 为4402 亿美元,存储器市场规模为 1172 亿美元,NAND 闪存市场规模达到494 亿美元。其中NAND闪存是存储器的第二大细分市场,占比高达42%。

  从应用端来看,NAND Flash的具体产品包括USB(U盘)、闪存卡、SSD(固态硬盘),以及嵌入式存储(eMMC、eMCP、UFS)等。

  USB属于常见的移动存储设备,闪存卡则用于电子设备的外设存储,如相机、行车记录仪、玩具等。SSD即固态硬盘,一般应用于个人计算机、服务器等领域。

  SSD作为新兴的大容量存储设备,具有磁盘(传统HDD硬盘)所不具备的优点。近年来SSD产品价格的下降,以及数据中心的快速扩张,使得数据存储的需求在不断上升,由SSD驱动的NAND Flash市场增长较为明显。

  如今,在5G及企业云建设的推动下,全球NAND Flash市场规模持续扩大,产业处于上行周期。据民生证券预计,2022年NAND Flash产值将会达到770亿美元,实现10%的同比增长。

  在NAND Flash市场中,三星、东芝、西部数据、海力士、美光和英特尔6家厂商长期垄断着全球99%以上的份额,市场格局较为集中。其中三星的市占率排名第一, 在3D NAND技术上也一直处于领先地位。

  而存储芯片公司间的竞争主要是依靠技术水平的突破,因此各大厂商都在积极推进最新的技术工艺。

  据相关新闻报道,三星于2020年推出了176层第七代“V-NAND”,接着美光也不甘落后,在2020年10月宣布量产全球首款176层3D NAND闪存,而西部数据则和日本闪存芯片公司铠侠联合宣布,推出162层3D闪存技术,厂商之间的技术竞争激烈。

  据民生证券2021年7月统计,中国是全球第二大NAND Flash市场,占比为31%,但芯片自给率却不足1%。

  不过,长江存储作为国内领先的存储厂商,正在不断缩短和国际巨头们的差距。民生证券研报显示,截至2020年末,长江存储取得全球接近1%的市场份额,成为六大国际原厂以外市场份额最大的玩家。

  如果根据长江存储的产能规划测算,2025年长江存储的全球市占率将达到约6%,有望打破国际垄断的格局,引领国产NAND产业的崛起。

  公开资料显示,长江存储成立于2016年,是由紫光集团联合国家集成电路产业投资基金和湖北省科投等机构共同出资设立的,是一家专注于3D NAND闪存及存储器解决方案的半导体集成电路企业。

  然而长江存储的历史背景不止于此,其前身是成立于2006年的武汉新芯,是湖北省和武汉市进军集成电路制造领域的产物。

  武汉新芯成立之初,是从事DRAM(动态随机存储)的生产,可惜不久后便遭遇了DRAM芯片的价格低谷周期,于是转而为美国飞索半导体生产NAND Flash闪存。

  但好景不长,2008年经济危机来袭,武汉新芯的订单也因此被波及,处境十分艰难。此时,多家外资芯片大厂纷纷向武汉新芯抛出橄榄枝,提出了合资计划。但出于对自主创新的坚持,武汉新芯还是放弃了这个机会。

  2014年,国家集成电路大基金成立,发展存储器芯片正式被确定为国家战略,武汉新芯也终于得以拯救。

  2016年,集成电路产业基金和其他机构出资240亿美元,准备将武汉新芯打造成一个世界级的半导体存储企业,集中精力研究生产NAND Flash和DRAM。

  随后紫光集团也加入了这个阵营,最终各方在武汉新芯的基础上共同出资成立了长江存储。

  成立后的长江存储深知自身的技术实力不够,便通过自主研发和国际合作相结合的方式,于2017年成功设计并制造了中国首批3D NAND 闪存芯片。

  虽然当时长江存储研发的32层3D NAND Flash芯片取得了突破性的进展,但与国外的存储器巨头相比,还只能算是个弟弟。

  在经历刻苦钻研后,2018年长江存储发布了一项业内堪称颠覆性的技术- Xtacking,在闪存技术架构上成功实现创新。

  在传统的3D NAND架构中,存储单元和逻辑电路是在同一片晶圆上加工出来的。随着NAND层级不断叠加,外围逻辑电路的面积就会越来越大,相应的存储密度就会降低。

  Xtacking技术则是将存储单元和逻辑电路放在两片晶圆上分别加工,最后将逻辑电路置于存储单元上,实现了面积的减少和存储密度的提高。这样不仅能缩短研发及生产周期,还可以极大的提升闪存芯片的存取速度。

  基于Xtacking技术,2019年长江存储量产出64层256 Gb TLC(每单元存储 3 比特数据) 3D NAND闪存,并成功打入华为Mate40 供应链,开始在存储芯片领域闯出一番自己的天地,具备一定竞争力。

  2020年,长江存储更是直接跳过96层NAND的研发,成功制造出128层TLC/QLC 两款产品,可以说是公开叫板三星同时期量产的96层NAND。

  而长江存储的128层NAND Flash也引起了国外著名逆向分析机构TechInsights的注意,TechInsights对一款搭载有长江存储128层闪存芯片的产品进行了拆解和分析。

  通过与三星、美光和SK海力士的128层闪存芯片对比,TechInsights认为,长江存储的128层堆叠工艺无论在容量、位密度还是I/O速度方面都足以与其他厂商的产品竞争,技术方面已赶上业内领跑者。

  NAND产品更新换代速度快,各大厂商也在积极推进产品的研发。目前,NAND 内存技术已在 100+层实现量产,新一轮技术之争也推进到了200+层。

  虽然长江存储的产品暂时还停留在128层,但相信假以时日,很快便能与国际巨头们持平。

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