硬盘阵列控制器芯片行业投资潜力及发展前景

硬盘阵列控制器芯片行业投资潜力及发展前景

数据存储行业需求市场现状几十年来，传统的存储设备更新换代，身形由当年的巨大越变越小，容量却从当年的微小越变越大。同时，存储速度大幅也得到提升，不可同日而语。从最原始的打孔设备到磁带设备，再到软盘、光盘、硬盘、磁盘阵列和固态硬盘，存储成本已经大大降低，传输速度和效能大大提高，大数据信息时代已经来临。如今，机械硬盘（磁盘）、固态硬盘存储容量已达到TB的级别，主流的存储器芯片DRAM、SDRAM、FLASH等存储设备的寿命越来越长，体积越小、速度越快而功耗越小。就目前PC内存市场来说，更高密度、更大带宽、更低功耗、更短延迟时间、更低成本的主流DRAM仍是不二之选。而在通信领域、消费领域、计算机领域，FLASH已经崛起，成为目前最有潜力，发展最快的存储器芯片产品。存储器作为电子产品的数据存储支撑，在整个产业占有核心地位。20世纪50年代，存储器由于它体积庞大，还仅仅只能运用于大型计算机。而随着整个存储器行业面临的趋势呈现出交付的比特单位持续上升、存储器价格持续下跌以及新的应用不断要求更高的存储密度等特征，如今的存储器顺势发展，早已今非昔比，体积小、性能高、容量大，使存储器运用于各个领域，成为开启大数据时代的基石。存储器行业发展现状存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据，其利用磁性材料或半导体等材料作为存储介质，实现程序和数据的存储。在计算机的运算过程中，输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都会保存在存储器里，可以说存储器是现代信息技术发展的核心部件之一。按介质的不同，存储器可分为磁性存储器、半导体存储器和光学存储器；按使用类型可分为随机存储器和只读存储器。存储模组行业概况由于固态存储突出的优势、上游存储颗粒dFlash的性价比日益提高，固态存储模组已逐渐取代机械硬盘（HDD）成为下一代主流数据存储介质。固态存储模组是以半导体存储器为基础制造的各类存储产品，其主要原材料DFlash的出货量持续增长。2021年，全球DFlash出货总容量达到612，573PB，较2020年环比增长36．06%。随着全球DFlash原厂产能进一步扩充及3D闪存堆叠技术的持续提升带来存储密度的增加，预计2022年全球DFlash出货总容量将达到750，352PB，环比2021年增长22．49%。随着人工智能、物联网、大数据、5G等新兴应用场景不断落地，电子设备需要存储的数据量越来越庞大，固态存储覆盖的下游消费级、工业级和企业级各代表细分市场需求爆发式增长，从而带动行业持续扩容。固态存储模组的形态多种多样，具体包括（1）固态硬盘（SSD），根据产品形态可以分为2．5寸SSD、U．2SSD、M．2SSD、mSATA、SATASlim等，主要用于台式机、笔记本及服务器等计算设备；（2）嵌入式存储模组，具体包括eMMC、UFS、SPID等，主要内嵌于手机、智能终端等电子产品；（3）移动式存储模组，具体包括CF卡、SD卡、microSD卡、U盘、移动硬盘等便携式移动存储器，方便数据在不同设备之间转移。行业的主要存储模组产品属于固态硬盘及移动式存储模组范畴。按照应用领域划分，存储模组可分为消费类、工业类和企业类，不同应用领域的存储模组在可靠性、可用性、性能、定制化程度等方面存在区别。数据存储类行业发展概况在数字社会，数据作为信息化系统中的核心部分和底层基座，具有基础战略资源和关键生产要素的双重作用。在移动互联网技术不断迭代升级的背景下，全球数据量呈现爆发式增长。根据IDC预测，2025年全球数据圈将猛增至163ZB，增长量约为2016年全球数据圈的9倍。作为全球第一数据生产国，我国数据量也面临急剧增长的态势。我国数据量的增长依赖于数字经济的实现，作为十四五规划重点战略对象，数字经济的逐步落实将导致更为庞大及迅速的数据增长。信通院数据表明，2018年我国新增数据量为7．6ZB，预计2025年我国新增数据量将达到48．6ZB，年均复合增长率高达30%。数据量的急剧扩展，愈发凸显了数据存储及管理的重要性。数据储存设备作为数据管理的必要设备，其市场空间巨大。数据存储行业下游应用市场的发展情况（一）数据存储行业消费级应用代表市场PC市场经过数十年发展已日趋成熟，形成了稳定的用户群体和庞大的市场规模。近年来，随着人工智能及5G技术融合需求凸显，上游处理器厂商加速产品更新迭代，处理器技术的路线选择决定着PC整体架构的设计与制造，处理器的竞争将会向下游传导，促进PC产品迭代与性能提升，拉动市场换代需求，PC市场出货量呈现加速上升态势。IDC报告显示，2021年全球PC出货量为3．49亿台，同比增长15．56%。随着下游应用场景逐渐丰富，电子竞技、在线教育等行业发展加速，PC在传统商业办公及家庭应用之外获得包括游戏、教育等对性能要求更高场景的增量市场。个人PC对高性能的持续追求，带动了固态硬盘在PC市场搭载率的不断提升。据中国闪存市场ChinaFlashMarket数据，在以台式机和笔记本电脑为代表的个人PC市场，固态硬盘的搭载率已经超过60%和70%。（二）数据存储行业工业级应用代表市场工业级应用需求较为分散，定制化需求高，对于宽温、抗震、可靠性及温度管理的要求显著高于消费级产品，主要的应用领域包括智能制造（工业控制）、智能汽车等。随着工业互联网将设备与信息互联，制造业的数字智能程度和生产效率将大大提升，这对智能终端设备及其上下游产业提出更高的要求。在制造业转型升级的背景下，我国制造业数字化的进程不断加快。据IDC数据，到2020年，我国离散制造行业计算机渗透率仅为16．8%，从需求端看，计算机设备在制造行业渗透的空间巨大。制造业中的存储设备需要在高温差、振动、电磁辐射等相对复杂的使用环境下，获得高的耐用性、可靠性和相容性。《十四五智能制造发展规划》，明确提出到2025年，规模以上制造业企业大部分实现数字化网络化，重点行业骨干企业初步应用智能化；到2035年，规模以上制造业企业全面普及数字化网络化，重点行业骨干企业基本实现智能化。制造业数字化的不断推进，海量的设备物联数据和生产经营相关业务数据不断涌现，将产生可观的数据存储需求。汽车的新四化，即智能化、电动化、网联化、共享化变革浪潮驱动汽车内的含硅量大大提升。据McKinsey数据，预计2025年国内汽车半导体行业规模将达到180亿美元；到2030年该市场规模将达到290亿美元。其中，电动智能汽车的加速渗透将成为车载半导体行业快速增长的核心驱动力。存储芯片在智能汽车中应用广泛，智能座舱、车联网、自动驾驶等功能均需要相匹配的存储空间来支持其正常运行。随着自动驾驶等级提高，AI功能逐渐增加，车辆需要对传感器所捕获的大量资料进行实时处理，即具备整合信息并立刻做出判断的能力，这对于带宽和存储空间均提出了更高的要求。DFlash因在高抗震性、大容量、读写速度等方面的优势，有望成为车载存储芯片中增长最快的领域。据Gartner的数据，2019年全球高级驾驶辅助系统中DFlash存储消费2．2亿GB，预计至2024年，这一数据将达41．5亿GB，2019年-2024年的复合增速达79．8%。随着智能驾驶技术的不断完善、智能驾驶等级从L2向L3、L4甚至L5过渡，智能驾驶中的传感器、高精地图等高速数据需求将进一步释放，智能汽车的固态存储产品将从eMMC、UFS等嵌入式存储向固态硬盘演进，固态硬盘类产品未来预计将在智能驾驶测试车及RoboTaxi等场景率先获得广泛应用，随后逐步延伸至其他智能驾驶应用场景。云计算、在线支付、移动社交等越来越多的实时交互应用带来了对数据实时性要求的不断提高，尤其是随着人工智能、物联网等技术的深度融合，越来越多的业务场景提出极为极致的低延迟要求，从而对数据中心的存储性能提出了更加苛刻的要求。据IDC预测，全球实时数据占比将从2019年的19．3%上升到24．4%。基于DFlash的SSD在数据存储速度、抗震、能耗等方面性能突出，能够快速响应企业用户需求，已逐渐取代HDD成为企业级应用市场的主流数据存储介质。随着主流存储介质从HDD向SSD切换，基于高性能SSD打造的全闪存存储将成为未来数据中心主流的存储方式，并应用于企业的关键核心业务。据IDC的统计数据，2020年，在全球范围内企业级SSD的支出已经超出HDD，且这一趋势将持续加强。据Gartner数据，2020年全球企业级SSD市场规模约为169．3亿美元，其中，我国企业级SSD市场规模占全球市场总规模的比例约为13．8%。随着云计算的蓬勃发展，作为云服务基础设施的数据中心产业亦不断扩张，以Facebook、Amazon、Google、阿里巴巴、腾讯、百度为代表的超大型数据中心用户正在成为企业级SSD的巨大需求方。2020年，数据中心以SSD形式存储的存量数据占比约为20%，而2030年则有望进一步提升到55%。存储系统方面，全闪存凭借出色的性能优势和绿色节能逐渐成为市场刚需，从而推动固态存储在企业级应用领域的需求大幅增加。据IDC数据，2020年我国外置存储市场中基于DFlash的全闪存阵列的市场占比已经达到18．9%，增速达24．0%，高于市场的平均增长率17．5%；相对于全球占比39．9%的市场情况来看，全闪存在我国市场的渗透率仍有很大空间。数据存储行业未来发展趋势计算机高速接口用于实现计算机高速部件之间的物理连接、确保信息交换的数据格式一致性，是固态存储产品的基础核心技术。作为存储颗粒与主机进行数据传输的媒介，接口决定了两者之间的理论传输速度，并影响存储产品的物理形态和通信协议。数据量的爆发式增长，需要更大量的并发处理，更快速的数据访问，更智能的数据管理方式，推动业内不断研发更高性能接口的存储控制器芯片及存储模组产品。在消费级应用领域，以USB、SATA、PCIe为代表的各接口，在进行不断的代际演进，以更好的适应不同场景的应用需求。截至目前，便携式存储产品已进入USB3．2Gen2（10Gbps）时代；消费类SSD也正在加速从SATA向PCIe演进。根据中国闪存市场ChinaFlashMarket数据，在PCOEM市场，PCIe接口SSD的搭载量已达到80%。在行业应用市场，一方面SATA/SAS接口的固态硬盘产品因其可靠性、稳定性、兼容性及大容量等方面的优势，仍然保持了稳定的市场份额；另一方面，各大厂商也加紧推出基于PCIe接口的产品。2019年以来，针对数据中心和企业级领域，三星、美光、英特尔等巨头陆续推出多款NVMePCIeSSD新品，企业级SSD现有的主流产品集中于PCIe3．0，PCIe4．0的产品目前处于市场导入阶段。2022年，部分主控厂商如微芯（Microchip）、慧荣科技（SMI）开始推出支持PCIe5．0协议的产品，但尚未达到成熟稳定应用的条件。未来，伴随着更高性能接口协议的持续发布及更新，存储模组将向大容量、低功耗、高速读写、长保存周期的发展方向持续演进，以满足不断高速增长的数据存储需求。存储模组的主要原材料DFlash在发展过程中逐渐由平面结构升级为三维架构，通过工艺技术的提升，可以逐渐增加存储单元的层数，实现在单位面积下更高的存储容量。同时，存储控制器存储密度也跟随技术的发展不断前进，最新的QLC颗粒每个存储单元可以存储4bit数据。堆叠层数和存储密度的提升，在增加DFlash单位存储容量的同时降低了每单位的存储成本，进一步刺激了用户对大容量SSD需求的增长。DFlash存储密度和堆叠层数的提升也对存储控制器芯片及存储模组的设计提出了更高的要求。DFlash受器件特点等因素影响，可靠性随着使用时间的增加而逐渐降低，而随着工艺技术升级而不断提升的存储密度更使得存储颗粒中的数据错误或数据丢失的概率显著增加，使用寿命快速下降。以QLC架构的存储颗粒为例，虽然其单元容量为SLC架构存储颗粒的4倍，但其使用寿命仅为SLC的1/100；对数据纠错要求从1~4bit增加到288bit，可靠性也同步减低。因此，存储介质的分析能力、存储控制芯片设计能力、固件算法的开发能力对于存储模组应用性能的影响越来越大。随着信息技术的快速演进，全球数据泄露等网络安全事件频繁发生，造成重大损失。2021年，工业制造、医疗、金融、交通等领域数据泄露事件频发，数据交易黑色地下产业链活动猖獗。据统计，2021年公开报告的数据泄露事件1，291起，超过2020年的1，108起。数据安全重要性的凸显，给数据存储行业带来了新的挑战。随着数据读写速度加快，芯片级全盘硬件加密技术的存储模组配合所搭载的数据保护软件，能防止数据被越权访问、篡改或盗窃，有望成为存储行业的刚性需求，全面覆盖数据存储的各应用场景。2018年以来，华为事件和中兴事件凸显了我国上游核心基础技术受制于人的现状，坚定了我国打造自主可控产业生态的决心。为解决产业链稳定性问题，在国家的大力支持下，本土厂商加大了对CPU、存储颗粒、控制器芯片、操作系统等领域底层技术的研发及相关投入，并陆续在以上领域取得了一定的研发成果。存储颗粒方面，长江存储自2018年推出Xtacking晶栈架构以来，就不断地取得技术突破，从最开始的32层堆叠的DFlash，向64层、128层技术跃进。长江存储最近成功研发超过200层堆叠的存储颗粒，将实现对美光、SK海力士等DFlash巨头的追赶。国产存储控制器厂商，也在不断补足我国在自主知识产权高速接口IP、核心控制算法等领域的短板，为实现全产业自主可控贡献力量。随着核心软硬件自主技术水平的显著提升，我国与发达国家技术水平差距已逐渐缩小，存储产业链自主可控的条件逐渐成熟。存储器行业产业链分析存储器行业产业链上游主要为材料及设备供应环节；中游为存储器生产供应环节；下游广泛应用于计算机、消费电子、网络通信、汽车电子、智能终端等各个领域。半导体材料是存储器主要原材料之一，在国家鼓励半导体材料国产化的政策导向下，本土半导体材料厂商不断提升半导体产品技术水平和研发能力，逐渐打破了国外半导体厂商的垄断格局，推进中国半导体材料国产化进程，促进中国半导体材料行业的发展。据资料显示，2021年我国半导体材料行业市场规模达119．3亿元，同比增长22．2%。存储控制器芯片行业概况存储控制器芯片是存储产品的大脑，起着指挥、运算和协作的作用。它不但负责调配数据在各个存储单元上的负荷，协调和维护不同区块颗粒的协作，让所有的存储单元都能够在合理的负荷下正常工作；为存储模组内部各项指令，如垃圾回收、磨损均衡等的功能的完成提供算力；又承担了数据中转站的功能，负责存储介质和外部接口的连接。因此存储控制器芯片是决定存储模组性能、寿命和使用体验的关键。固件是出厂预设在存储模组中，运行在存储控制器芯片内部的程序代码，主要用于驱动控制器，承担着协议处理、数据管理和硬件驱动等工作，包括传输协议处理、逻辑管理算法、数据加密和保护、闪存驱动、介质保护、异常处理等功能，对存储的功能、性能、可靠性、寿命等关键指标具有重要影响。根据中国闪存市场CFM的数据，预计2022年全球固态存储控制器芯片的出货量达4．31亿颗。目前，存储控制芯片按制造商可以分两类：第一类由存储颗粒原厂自主设计，如三星、铠侠、Intel和美光等，其基于IDM生产模式自产自销，将自研的存储控制芯片应用于自主品牌的存储模组中，不单独对外出售。第二类由第三方存储控制器芯片厂商设计，如美满（Marvell）、微芯（Microchip）、慧荣科技、群联电子等，其存储控制器芯片主要用于其他厂商的存储模组中。数据存储行业发展情况数字经济是信息化发展的高级阶段，是继农业经济、工业经济之后更高级的经济社会形态。数据因具有可复制、可共享、无限增长和供给的禀赋，打破了传统要素有限供给对增长的制约，为持续增长和永续发展提供了基础与可能，已成为新的关键生产要素。据中国信通院的数据，2020年我国数字经济规模达到39．2万亿元，占GDP规模的比重由2005年的14．2%攀升至38．6%，2021年占比进一步提升，首次突破40%。十四五期间，我国数字经济有望维持年均约9％增速，预计2025年规模超过60万亿元。与数据经济发展相匹配的是爆炸式增长的数据量。据Statista的预测数据，到2035年，全球每年产生的数据量预计将达到2，142ZB，约为2020年的45倍。根据IDC的数据，中国整体数据量在2025年将达到48．6ZB，占全球数据圈规模的27．8%。支持数字经济发展的三大基础技术包括计算、网络和存储，分别对应各类处理器（CPU、GPU等）、5G或下一代通信网络以及数据存储行业。计算技术方面，构成算力基础的核心芯片在近年来备受关注，我国已经推出龙芯、飞腾、申威等多颗国产CPU产品；网络方面，中国已在光纤、5G网络等方面走在世界的前列。而数据存储作为数字经济的基础支柱，将在制造业转型升级、产业链安全等方面扮演更加重要的角色。（一）存储行业的产业链概况存储行业的产业链包括上