DRAM、NAND FLASH、NOR FLASH三大存储器分析-基础电子

精品文档-下载后可编辑DRAM、NANDFLASH、NORFLASH三大存储器分析-基础电子内存的正式名字叫做“存储器”，是半导体行业三大支柱之一。2022年半导体市场规模为3400亿美金，存储器就占了768亿美元。对于你身边的手机、平板、PC、笔记本等所有电子产品来说，存储器就类似于钢铁之于现代工业，是名副其实的电子行业“原材料”。存储器芯片领域，主要分为两类：易失性和非易失性。易失性：断电以后，存储器内的信息就流失了，例如DRAM，主要用来做PC机内存(如DDR)和手机内存(如LPDDR)，两者各占三成。非易失性：断电以后，存储器内的信息仍然存在，主要是闪存（NandFLASH和NORFLASH），NOR主要应用于代码存储介质中，而NAND则用于数据存储。1）DRAM动态随机存储器（DynamicRAM），“动态”两字指的是每隔一段时间，要刷新充电，否则内部的数据即会消失。这是因为DRAM的基本单元是一个晶体管加一个电容，并用电容有无电荷来表示数字信息0和1，电容漏电很快，为防止电容漏电而导致读取信息出错，需要周期性地给DRAM的电容充电，故DRAM速度比SRAM慢。另一方面，这种简单的存储模式也使得DRAM的集成度远高于SRAM，一个DRAM存储单元仅需一个晶体管和一个小电容，而每个SRAM单元需要四到六个晶体管和其他零件，故DRAM在高密度（大容量）以及价格方面均比SRAM有优势。SRAM多用于对性能要求极高的地方（如CPU的二级缓冲），而DRAM则主要用于计算机的内存条等领域。

图：DRAM的器件单元图示及其不同容量的剖面结构图DRAM每制程的更新换代，都需要大量的投入，以制程从30nm更新到20nm为例，后者需要的光刻掩模版数目增加了30%，非光刻工艺步骤数翻倍，对洁净室厂房面积的要求也随着设备数的上升而增加了80%以上，此前这些成本都可以通过单晶圆更多的芯片产出和性能带来的溢价所弥补，但随着制程的不断微缩，增加的成本和收入之间的差距逐渐缩小。故各大厂商开始研究Z方向的扩展能力，三星率先从封装角度实现3DDRAM，采用TSV封装技术，将多个DRAM芯片堆叠起来，从而大幅提升单根内存条容量和性能。

图：DARM的市场规模2）NANDFlash和NORFlash为更好地讲述NANDFlash和NORFlash这两大存储产品，我们首先来认识一下Flash技术。Flash存储器：又称闪存，它是一种非易失性存储器。闪存的存储单元是场效应晶体管，是一种受电压控制的三端器件，由源极（Source）、漏极（Drain）和栅极（Gate），以及衬底组成，在栅极与硅衬底间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。NAND的擦和写均是基于隧道效应，电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层，对浮置栅极进行充电（写数据）或放电（擦除数据）。而NOR擦除数据仍是基于隧道效应（电流从浮置栅极到硅基层），但在写入数据时则是采用热电子注入方式（电流从浮置栅极到源极）。

图：Flash存储器的结构单元示意图NANDFlash是目前闪存中主要的产品，具备非易失，高密度，低成本的优势。在NAND闪存中，数据是以位（bit）的方式保存在MemoryCell中，一个Cell存储一个bit，这些Cell或8个或16个为单位，连成bitline，而这些line组合起来会构成Page，而NAND闪存就是以页为单位读写数据，以块为单位擦除数据，故其写入和擦除速度虽比DRAM大约慢3-4个数量级，却也比传统的机械硬盘快3个数量级，被广泛用于eMMC/EMCP，U盘，SSD等市场。NORFlash的特点是芯片内执行（XIP，ExecuteInPlace），即应用程序不必再把代码读到系统RAM中，而是可以直接在Flash闪存内运行。NOR的传输效率很高，读取速度也比NAND快很多，在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益，然而其擦除是以64-128KB的块为单位进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，而NAND器件的擦除则是以8-32KB的块为单位进行，执行相同的操作多只需要4ms，故其很低的写入和擦除速度大大影响到它的性能。此外，NOR的单元尺寸几乎是NANDflash的两倍，故在成本上也不具备优势，这使得NOR的使用范围受到了更大的限制，不少曾属于NOR的市场也慢慢被其他存储器所夺取，但NORflash厂商也并没有坐以待毙，而是积极开拓汽车电子等物联网市场。近年来NORflash市场规模持续萎缩。半导体存储器市场被三星、海力士、美光等寡头垄断半导体存储器是一个高度垄断的市场，其三大主流产品DRAM，NANDFlash，NORFlash更是如此，尤其是前两者，市场基本被前三大公司占据，且近年来垄断程度逐步加剧。以DRAM和NAND两种主要存储芯片为例，DRAM市场由韩国三星、海力士和美国美光科技三家占据，而NANDFlash市场几乎全部被三星、海力士、东芝、闪迪、美光和英特尔等六家瓜分。其中三星居垄断地位，2022年它的DRAM占的45.8%及NAND占37%。DRAM市场发展史DRAM领域经过几十年的周期循环，玩家从80年代的40~50家，逐渐减少到了08年金融危机之前的五家，分别是：三星(韩)、SK海力士(韩)、奇梦达(德)、镁光(美)和尔必达(日)，五家公司基本控制了DRAM供给，终端产品厂商如金士顿，几乎没有DRAM生产能力，都要向它们采购原材料。按照常理来说，格局已经趋稳，价格战理应偃旗息鼓，可惜的是，韩国人并不答应，尤其是三星。三星充分利用了存储器行业的强周期特点，依靠政府的输血，在价格下跌、生产过剩、其他企业削减投资的时候，逆势疯狂扩产，通过大规模生产进一步下杀产品价格，从而逼竞争对手退出市场甚至直接破产，世人称之为“反周期定律”。在存储器这个领域，三星一共祭出过三次“反周期定律”，前两次分别发生在80年代中期和90年代初，让三星从零开始，做到了存储器老大的位置。但三星显然觉得玩的还不够大，于是在2022年金融危机前后，第三次举起了“反周期”屠刀。2022年初，微软推出了狂吃内存的Vista操作系统，DRAM厂商判断内存需求会大增，于是纷纷上产能，结果Vista销量不及预期，DRAM供过于求价格狂跌，加上08年金融危机的雪上加霜，DRAM颗粒价格从2.25美金雪崩至0.31美金。就在此时，三星做出令人瞠目结舌的动作：将2022年三星电子总利润的118%投入DRAM扩张业务，故意加剧行业亏损，给艰难度日的对手们，加上一根稻草。效果是显着的。DRAM价格一路飞流直下，08年中跌破了现金成本，08年底更是跌破了材料成本。2022年初，第三名德系厂商奇梦达首先撑不住，宣布破产，欧洲大陆的内存玩家就此消失。2022年初，第五名尔必达宣布破产，曾经占据DRAM市场50%以上份额的日本，也输掉了一张牌。在尔必达宣布破产当晚，京畿道的三星总部彻夜通明，次日股价大涨，全世界都知道韩国人这次又赢了。至此，DRAM领域终只剩三个玩家：三星、海力士和镁光。尔必达破产后的烂摊子，在2022年被换了新CEO的镁光以20多亿美金的价格打包收走。20亿美金实在是个跳楼价，5年之后，镁光市值从不到100亿美元涨到460亿，20亿美元差不多是它市值一天的振幅。三大DRAM厂面临中国反垄断调查，或开出天价罚金

5月31日，有多家媒体报道称中国反垄断机构派出多个工作小组，分别对三星电子、SK海力士以及美光三家企业位于北京、上海、深圳的办公室展开调查和现场取证。事实上，从去年发改委价检局约谈三星开始，有关中国反垄断机构即将立案调查三星、美光及海力士三家企业DRAM(动态随机存取存储器)垄断的传闻便不绝于耳。此次中国反垄断机构进入三地办公室调查，也意味着针对三家公司的反垄断调查正式启动。数据显示，在DRAM市场上，三家企业共占据了90%以上的市场份额。而中国作为的电子产品制造基地及主要的存储芯片消费国，受存储芯片涨价影响，近两年进口存储芯片价格不断上涨，此前反垄断部门便就持续涨价问题约谈过相关企业。有消息指出三家企业的有碍公平竞争行为及部分企业的举报是推动此次中国反垄断机构发起调查的重要原因。这并非事件的发端，此次突袭调查半年前，2022年12月底，有中国手机厂商因存储器价格上涨和供应不畅，向发改委检举了三星电子。随后，发改委开启了调查。2022年底发改委先召见了三星电子中国地区市场负责人了解情况，彼时DRAM正经历破纪录的七季连涨，无论是给下游企业还是消费者都带来巨大的压力。发改委方面当时表示，已注意到DRAM行业价格的飙升，将会更多关注未来可能由行业“价格操纵”行为引发的问题，可能存在多家公司协同行动，推高芯片价格，谋求获利化的行为。今年5月，中国反垄断机构约谈了第三大存储厂商美光，主要就三星电子、SK海力士、美国美光等是否联合操纵DRAM价格展开调查。同时，美光涉嫌限制设备商供货给福建晋华，滥用市场支配地位，妨碍公平竞争。行业分析人士指出，由于DRAM生产周期长达八周以上，从投入资本支出后，到新增产能、颗粒产出更长达至少一年，DRAM厂商容易在反垄断条文中“限制商品中销售数量”被调查。记者了解，去年，三星电子、SK海力士、美国美光三家芯片企业占DRAM市场的份额总和的96%，2022财年，三家公司半导体业务在中国营收依次分别为253.86亿美元、89.08亿美元、103.88亿美元，总计446.8亿美元，同比2022财年的321亿美元增长39.16%。而更早前的2022年下半年，DRAM价格便开启了持续上涨模式，今年4、5月份，一起美国消费者起诉三星电子、SK海力士、美国美光等厂商人为操控零售价格的诉讼发起，诉讼人表示，上述三家公司的行动导致4G内存价格，在2022年7月1日至2022年2月1日内，DRAM芯片价格上涨了130%。

数据显示，2022年6月1日到2022年2月1日，4GB的DRAM内存价格上涨了130%。仅在2022年，DRAM内存价格就上涨了47%，创下近30年来涨幅。在整个中国市场手机出货量不断下降的背景下，2022年，中国进口存储芯片889.21亿美元，同比2022年的637.14亿美元增长39.56%。中国反垄断机构的此次调查，是在中美贸易战的关口，三星电子和SK海力士都是韩国企业，而美光则是美国企业，中国此举的用意非常巧妙。与此同时，值得关注的是，如果存在价格垄断行为，国内来说，根据《反垄断法》、《反价格垄断规定》，如果考虑经营者从2022年至今的市场行为，以2022-2022年度销售额进行处罚，三家公司将面临8-80亿美金的罚金。中国存储器三大阵营成形：长江存储、福建晋华、合肥长鑫扛起大旗2022年季三星、海力士、美光在DRAM产业的市占率合计共占95.4%的市场份额，而中国存储厂商在该市场的份额依然为零。目前，我国存储领域已形成包括发展NANDFlash的长江存储，专注移动式内存的合肥长鑫以及致力于利基型内存的福建晋华三大阵营。值得注意的是，今年将是中国存储产业发展的关键节点，那么三家厂商目前的进度如何？长江存储长江存储于2022年7月26日在武汉新芯集成电路制造有限公司的基础上正式成立，公司主要股东包括大基金和紫光集团、湖北省科投以及湖北国芯产业投资基金等，目前为清华紫光集团的子公司。作为存储项目基地，长江存储总投资金额达240亿美元。预计项目一期建成后总产能将达到30万片/月，年产值将超过100亿美元。目前，长江存储首批400万美元的精密仪器已于4月5日抵达武汉，未来两年内将从多地进口近3万吨精密仪器至汉。4月11日，长江存储武汉基地芯片生产机台正式进场安装，这标志着国家存储器基地从厂房建设阶段进入量产准备阶段。据了解，设备搬入、调试将耗费3个月左右的时间，然后开始小规模试产，如顺利，今年四季度，中国首批拥有完全自主知识产权的32层三维NAND闪存芯片有望在光谷实现量产。值得一提的是，当天搬入的设备只是台，随后要陆续从世界各地搬入各类高精密的芯片生产机台进行调试，数量达2000多台。设备调试完成后，才可以规模量化生产芯片。此外，5月19日长江存储的首台光刻机已运抵武汉天河机场，设备相关的海关、商检及边防口岸的相关手续办理完成后，即可运至长江存储的工厂。这台光刻机为ASML的193nm浸润式光刻机，售价7200万美元，用于14nm~20nm工艺。这也从侧面透露了长江存储3DNAND闪存芯片的工艺制程。这是长江存储的台光刻机，陆续还会有多台运抵。同时，紫光集团董事长兼长江存储董事长赵伟国强调，在生产厂房于去年9月提前一个月封顶、32层三维NAND闪存芯片自主研发取得重大突破的基础上，现在我们又提前20天实现了芯片生产机台搬入。未来十年，紫光计划至少将投资1000亿美元，相当于平均每年投入100亿美元。紫光集团执行副总裁暨长江存储执行董事长高启全透露，长江存储的3DNAND闪存已经获得笔订单，总计10776颗芯片，将用于8GBUSD存储卡产品。今年底，基地就将实现国产3D闪存的小规模量产，用不了多久就能看到基于国产闪存的智能手机、SSD固态硬盘。明年，长江存储还将开始64层堆叠闪存，单颗容量128Gb(16GB)。据某存储器储存研究(DRAMeXchange)指出，从中国厂商NANDFlash的发展进程来看，2022年12月底，由长江存储主导的国家存储器基地正式动土，预期分3阶段，共建立3座3DNANDFlash厂房。阶段厂房已于2022年9月完成兴建，预定2022年第3季开始移入机台，并于第4季进行试产，初期投片不超过1万片，用于生产32层3DNANDFlash产品，并预计于自家64层技术成熟后，再视情况拟定第2、3期生产计划。当然，在人才方面，长江存储也十分重视。前电子信息司副司长彭红兵已经出任大基金副总裁兼长江存储监事会主席。除此之外，据日经中文网报道，在日本川崎市有一家新成立的企业名为JYM技术株式会社，而实际上就是长江存储科技（YMTC）。相关人士透露，川崎市基地的面积可供100人工作，刚刚在日本启动了招聘活动。同时，长江存储科技2022年秋在美国硅谷开设了研发基地，从存储器巨头美国美光科技等处挖来技术人员，以40人的规模启动研发工作。福建晋华福建省晋华集成电路有限公司(简称晋华集成电路，JHICC)是由福建省电子信息集团、及泉州、晋江两级政府共同出资设立，被纳入我国“十三五”集成电路重大生产力布局规划。按计划，6月工程建设竣工，9月正式投产，预计投产后的一期项目可实现月产6万片12英寸晶圆的产能。晋华项目进展：

晋华项目宣传片指出，晋华以三星海力士等行业巨头为标杆，力争通过自主研发实现对行业制造工艺的赶超。对比国内同类项目晋华项目建设进度优势明显，有望成为国内拥有自主技术的内存。据悉，晋华集成电路在人才团队方面，采取海内外人才招聘与人才培训相结合的方式。按计划，2022年人才队伍将达1200人，目前已招募人员800多人。由于晋江集成电路产业基础较薄弱，晋江市以晋华项目为龙头，构建“三园一区”产业发展空间载体，打造设计、制造、封装测试、装备与材料、终端应用的集成电路全产业链生态圈，其目标是到2025年可形成1000亿产业规模。据悉，台湾矽品、台湾芝奇、美国空气化工等20多个产业链项目已落地晋江，总投资近600亿元，产业链生态圈正逐步形成。正在建设的台湾矽品位于晋华集成电路对面，将以DRAM封测业务为主。合肥长鑫睿力集成电路有限公司由北京兆易创新与合肥市产业投资控股集团合资，兆易创新出资20%，公司主要研发19纳米制程的12英寸晶圆DRAM，目标2022年12月底研发成功。当前，合肥长鑫12英寸存储器晶圆制造基地项目正处在加快建设的阶段，该项目一旦正式投产，预计将在DRAM市场占得约8%的市场份额，从而填补国产DRAM存储器在本国市场的空白。

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