精选报告:半导体行业存储芯片研究框架

日期:2021-05-24     来源:陈杭 方正证券    
核心提示: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。
 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。

  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。

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