存儲芯片行業(yè)專題報告從算力到存力

存儲芯片行業(yè)專題報告：從算力到存力存力概況我國數(shù)據(jù)量爆發(fā)驅(qū)動存儲需求增長得益于人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、邊緣計算等新興技術(shù)在中國的快速發(fā)展，中國數(shù)據(jù)正在迎來爆發(fā)式增長。據(jù)此前IDC預測，預計到2025年，中國數(shù)據(jù)圈將增長至48.6ZB，占全球數(shù)據(jù)圈的27.8%，成為全球最大的數(shù)據(jù)圈。隨著數(shù)據(jù)量的大規(guī)模增長，存儲設(shè)備在數(shù)據(jù)中心采購的BOM中占比進一步提升，美光曾提及，目前存儲芯片在數(shù)據(jù)中心采購中比例約為40%，未來預計將提升至50%。數(shù)據(jù)中心將成為引領(lǐng)存儲市場增長的重要引擎。全球存儲市場：國外廠商壟斷，行業(yè)高度集中全球存儲市場絕大部分份額由國外廠商占有，呈現(xiàn)寡頭壟斷格局，行業(yè)集中度較高。根據(jù)statista數(shù)據(jù)，截至2022Q3，全球DRAM市場幾乎由三星、SK海力士和美光所壟斷，CR3超過95%，三星、海力士和美光分別占比41%、29%和26%。

全球NANDflash市場由前三大廠商分別為三星、鎧俠和海力士，2022Q3市場份額分別為31.4%、20.6%和13.0%，目前CR3市場份額達65%，CR6市場份額接近95%。存算一體芯片的發(fā)展速度和人工智能的算力需求之間的矛盾加劇芯片的發(fā)展速度和人工智能的算力需求之間的矛盾加?。?1世紀以來，信息爆炸式增長，算力需求大規(guī)模上升，提升算力成為芯片行業(yè)的共同目標。隨著半導體發(fā)展放緩，摩爾定理逼近物理極限，依靠器件尺寸微縮來提高芯片性能的技術(shù)路徑在功耗和可靠性方面都面臨巨大挑戰(zhàn)，芯片的發(fā)展速度無法滿足人工智能需求。傳統(tǒng)計算架構(gòu)面臨發(fā)展挑戰(zhàn)馮·諾依曼架構(gòu)：該架構(gòu)以計算為中心，計算與內(nèi)存是兩個分離單元。計算單元根據(jù)指令從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，在計算單元中完成計算和處理，完成后再將數(shù)據(jù)存回內(nèi)存。先進制程的優(yōu)勢有限：隨著摩爾定理發(fā)展放緩，基于傳統(tǒng)架構(gòu)的芯片計算性能發(fā)展速度明顯放緩。基于傳統(tǒng)架構(gòu)的先進制程工藝雖一定程度能夠提升芯片的性能表現(xiàn)，但從投入產(chǎn)出比、芯片性能可靠性及應用場景的適配度角度考慮都面臨較大挑戰(zhàn)。存算一體是先進算力的代表技術(shù)存算一體是先進算力的代表技術(shù)：傳統(tǒng)構(gòu)架下性能提升達到極限，馮·諾依曼架構(gòu)已成為發(fā)展芯片算力的桎梏，存算一體是一種新型計算架構(gòu)，它是在存儲器中嵌入計算能力，將存儲單元和計算單元合為一體，省去了計算過程中數(shù)據(jù)搬運環(huán)節(jié)，消除了由于數(shù)據(jù)搬運帶來的功耗和延遲，提升計算能效。HBM/DRAMHBM是什么：屬于DRAM的一種新技術(shù)HBM（HighBandwidthMemory，高帶寬內(nèi)存）是一款新型的CPU/GPU內(nèi)存芯片，其實就是將很多個DDR芯片堆疊在一起后和GPU封裝在一起，實現(xiàn)大容量，高位寬的DDR組合陣列。

高速、高帶寬HBM堆棧沒有以外部互連線的方式與信號處理器芯片連接，而是通過中間介質(zhì)層緊湊而快速地連接，同時HBM內(nèi)部的不同DRAM采用TSV實現(xiàn)信號縱向連接，HBM具備的特性幾乎與片內(nèi)集成的RAM存儲器一樣。HBM與DDR、GDDR、LPDDR等DRAM分支的參數(shù)對比GDDR5內(nèi)存每通道位寬32bit，16通道總共512bit;目前主流的第二代HBM2每個堆?？梢远阎炼?層DRAMdie，在容量和速度方面有了提升。HBM2的每個堆棧支持最多1024個數(shù)據(jù)pin，每pin的傳輸速率可以達到2000Mbit/s，那么總帶寬是256Gbyte/s;在2400Mbit/s的每pin傳輸速率之下，一個HBM2堆棧封裝的帶寬為307Gbyte/s。全球HBM廠商：傳統(tǒng)DRAM巨頭升級競賽全球HBM芯片市場目前以SK海力士與三星為主。SK海力士HBM技術(shù)起步早，2014年在業(yè)界首次成功研發(fā)HBM1，確立領(lǐng)先地位，2022年HBM3芯片供貨英偉達，持續(xù)鞏固其市場領(lǐng)先地位。三星緊隨其后，2022年HBM3技術(shù)已經(jīng)量產(chǎn)。

從HBM1到HBM3，SK海力士和三星一直是HBM行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)。目前，HBM4的相關(guān)預測數(shù)據(jù)已經(jīng)出爐，預計新一代產(chǎn)品將能夠更廣泛地應用于高性能數(shù)據(jù)中心、超級計算機和人工智能等領(lǐng)域。NANDNAND：主流閃存芯片閃存芯片是最主要的存儲芯片，主要為NORFlash和NANDFlash兩種。NORFlash主要用來存儲代碼及部分數(shù)據(jù)，是手機、PC、DVD、TV、USBKey、機頂盒、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等代碼閃存應用領(lǐng)域的首選。NANDFlash可以實現(xiàn)大容量存儲、高寫入和擦除速度、相當擦寫次數(shù)，多應用于大容量數(shù)據(jù)存儲，例如智能手機、平板電腦、U盤、固態(tài)硬盤等領(lǐng)域。3DNAND：高樓大廈平地起3DNAND,即立體堆疊技術(shù)，如果把2DNAND看成平房，那么3DNAND就是高樓大廈，建筑面積成倍擴增，理論上可以無限堆疊，可以擺脫對先進制程工藝的束縛，同時也不依賴于極紫外光刻（EUV）技術(shù)，而閃存的容量/性能/可靠性也有了保障。日前三星宣布，已開始批量生產(chǎn)采用第8代V-NAND技術(shù)的產(chǎn)品，為1Tb

（128GB）TLC3DNAND閃存芯片，達到了236層，相比第7代V-NAND技術(shù)的176層有了大幅度的提高。三星稱，新的閃存芯片提供了迄今為止業(yè)界內(nèi)最高的位密度，可在下一代企業(yè)服務器系統(tǒng)中實現(xiàn)更大的存儲空間。3DNAND是低成本/大容量非易失存儲的主流技術(shù)方案NANDFlash為大容量數(shù)據(jù)存儲的實現(xiàn)提供了廉價有效的解決方案，是目前全球市場大容量非易失存儲的主流技術(shù)方案。NANDFlash是使用電可擦技術(shù)的高密度非易失性存儲，NANDFlash每位只使用一個晶體管，存儲密度，F(xiàn)lash所存的電荷

（數(shù)據(jù)）可長期保存；同時，NANDFlash能夠?qū)崿F(xiàn)快速讀寫和擦除。3DNAND持續(xù)追求高堆棧層數(shù)，多種工藝架構(gòu)并存與2DNAND縮小Cell提高存儲密度不同的是，3DNAND只需要提高堆棧層數(shù)，目前多種工藝架構(gòu)并存。從2013年三星推出了第一款24層SLC/MLC3DV-NAND，到現(xiàn)在層數(shù)已經(jīng)邁進200+層，并即將進入300+層階段。目前，三星/西部數(shù)據(jù)/海力士/美光/鎧俠等幾乎壟斷了所有市場份額，并且都具有自己的特殊工藝架構(gòu)，韓系三星/海力士的CTF，美系鎂光/英特爾的FG，國內(nèi)長江存儲的X-tacking。高堆棧層數(shù)的3DNAND面臨的工藝難度越來越高隨著堆棧層數(shù)的增加，工藝也面臨越來越多的挑戰(zhàn)，對制造設(shè)備和材料也提出了更多的要求。主要包括以下幾個方面：

（1）ONON薄膜應力：隨著器件層數(shù)增加，薄膜應力問題越發(fā)凸顯，