存儲設(shè)備是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于存儲和讀取數(shù)據(jù)的硬件組件，按存儲技術(shù)不同可分為磁性存儲、光學(xué)存儲和半導(dǎo)體存儲。磁性存儲，是指利用磁能方式存儲信息的磁介質(zhì)設(shè)備，其存儲與讀取過程需要磁性盤片的機(jī)械運(yùn)動，一般指HDD硬盤、軟盤和磁帶;光學(xué)存儲是指用光學(xué)方法從光存儲媒體上讀取和存儲數(shù)據(jù)的一種設(shè)備，一般指DVD光盤、藍(lán)光光盤等;存儲芯片，又稱為半導(dǎo)體存儲器，是指利用電能方式存儲信息的半導(dǎo)體介質(zhì)設(shè)備，其存儲與讀取過程體現(xiàn)為電子的存儲或釋放，廣泛應(yīng)用于內(nèi)存、U盤、 消費(fèi)電子、智能終端、固態(tài)硬盤等領(lǐng)域。

　　存儲芯片屬于半導(dǎo)體中集成電路的范疇，是目前應(yīng)用面最廣、標(biāo)準(zhǔn)化程度最高的集成電路基礎(chǔ)性產(chǎn)品之一。

　　1、存儲芯片市場有多大?有何行業(yè)特點(diǎn)?

　　半導(dǎo)體產(chǎn)品可劃分為集成電路(Integrated Circuits)、分立器件(Discrete Semiconductors)、光電子器件(Optoelectronics)和傳感器(Sensors)。其中集成電路占據(jù)超過81%的市場份額，光電子器件占比約9%，分立器件占約6%，傳感器約占4%。其中集成電路又可劃分為邏輯器件(Logic Device)、存儲器(Memory Device)、模擬器件(Analog Device)、微處理器(Microprocessor)。邏輯器件和存儲器總共約占集成電路市場份額中的65%，模擬器件約占20%，微處理器約占15%。

　　根據(jù)WSTS的數(shù)據(jù)，2023年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模為5201.26億美元，集成電路占比達(dá)81%， 其中存儲芯片市場規(guī)模為896.01億美元，占整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的17%，預(yù)計(jì)2024年將重回1,297.68億美元(見下圖：全球半導(dǎo)體市場規(guī)模)，暴增44.8%，其中DRAM和NAND各占約一半。存儲芯片將是半導(dǎo)體營收增長的主要驅(qū)動力，占據(jù)整個(gè)半導(dǎo)體市場的22%。

　　全球半導(dǎo)體市場規(guī)模(來源：WSTS)

　　存儲芯片(Memory)，主要分為非易失性存儲器(Non-volatile Memory)、易失性存儲器(Volatile Memory)和新型存儲器(非易失性)。非易失性存儲器主要包括PROM(可編程只讀存儲器：EPROM(可擦除可編程只讀存儲器)、EEPROM(帶電可擦可編程只讀存儲器))、MROM/Mask ROM(掩模式只讀存儲器)和Flash Memory(閃存：NAND Flash、NOR Flash)，即使在斷電后也能保留存儲的數(shù)據(jù)信息;易失性存儲器主要包括DRAM(動態(tài)隨機(jī)存儲器)和SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存儲器)， 斷電后不會保存數(shù)據(jù);新型存儲器主要包括FeRAM(鐵電存儲器)、PCRAM(相變存儲器)、ReRAM(電阻式隨機(jī)存取存儲器)和MRAM(磁性隨機(jī)存儲器)等。

　　存儲芯片的海關(guān)歸類子目是《8542.32 存儲器》：

　　存儲器(Memories)，是一個(gè)沒有實(shí)物形式的具有存儲功能的集成電路。其主要功能是存儲程序和數(shù)據(jù)，并能在計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中高速、自動地完成程序或數(shù)據(jù)的存取。常見存儲器的種類有：動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)、可擦除可編程只讀存儲器(EPROM)等。

　　8542.32 存儲器本子目不包括：

　　(1)從外部數(shù)據(jù)源記錄數(shù)據(jù)的固態(tài)、非易失性數(shù)據(jù)存儲器件，“智能卡”(品目85.23);

　　(2)某些電子存儲模塊〔例如，單列直插式內(nèi)存模塊(SIMM)及雙列直插式內(nèi)存模塊(DIMM)〕，它們應(yīng)運(yùn)用第十六類注釋二的規(guī)定進(jìn)行歸類(參見第八十五章總注釋)。

　　存儲芯片歸類實(shí)例：

　　8542321010：用作存儲器的多元件集成電路(易失性存儲器);

　　8542321090：用作存儲器的多元件集成電路(非易失性存儲器);

　　8542329010：其他用作存儲器的集成電路(易失性存儲器);

　　8542329090：其他用作存儲器的集成電路(非易失性存儲器)。

　　存儲芯片市場規(guī)模巨大，是半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)最大的細(xì)分市場，覆蓋消費(fèi)電子、工業(yè)、醫(yī)療、汽車、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域，并且新興應(yīng)用領(lǐng)域的涌現(xiàn)也在不斷刺激存儲芯片的市場需求。存儲芯片標(biāo)準(zhǔn)化程度高，可替代性強(qiáng)，具備大宗商品(Commodity)屬性。存儲芯片產(chǎn)品已經(jīng)基本商品化，其價(jià)格受下游需求影響較為敏感，行業(yè)景氣度受供需關(guān)系影響較大，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的周期性，其價(jià)格、庫存也是整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)景氣度的風(fēng)向標(biāo)。

　　CFM閃存市場和集邦咨詢跟蹤存儲芯片的價(jià)格趨勢，1月22日價(jià)格趨勢如下圖，我們能發(fā)現(xiàn)存儲芯片市場在回暖，價(jià)格普遍上漲：

　　Flash晶圓(圖源：CFM閃存市場)

　　內(nèi)存價(jià)格趨勢(圖源：集邦咨詢)

　　2、存儲芯片在產(chǎn)業(yè)鏈處于什么位置，有哪些特點(diǎn)?

　　存儲芯片產(chǎn)業(yè)鏈的上游依然是半導(dǎo)體材料和設(shè)備等半導(dǎo)體支撐企業(yè)。存儲芯片產(chǎn)業(yè)鏈的下游應(yīng)用非常廣泛，消費(fèi)電子、信息通信、汽車電子、高新科技和物聯(lián)網(wǎng)等。

　　存儲芯片處于產(chǎn)業(yè)鏈中游，全球頭部廠商均為IDM模式，除了固有的設(shè)計(jì)和制造工藝協(xié)同優(yōu)勢外，能夠區(qū)別于邏輯芯片以Fabless為主的特點(diǎn)：

　　產(chǎn)業(yè)波動性強(qiáng)，IDM模式更有利于協(xié)調(diào)產(chǎn)能和稼動率以優(yōu)化庫存、調(diào)整利潤率，換個(gè)角度思考，頭部廠商正是由于自有晶圓廠，能夠?qū)Ｗ⒂诋a(chǎn)品工藝和良率的提升，相對自由地逆周期擴(kuò)產(chǎn)加劇行業(yè)波動、擠兌對手從而搶占市場;

　　邏輯芯片市場需求更為多樣化、產(chǎn)品差異化屬性強(qiáng)，F(xiàn)abless模式可以更好專注于設(shè)計(jì)創(chuàng)新和市場開拓，快速響應(yīng)客戶的需求并提供差異化的解決方案，對比之下存儲芯片產(chǎn)品相對標(biāo)準(zhǔn)化，生產(chǎn)工藝是其核心競爭力。

　　3、全球存儲器價(jià)值鏈金字塔有哪些廠商構(gòu)成?

　　存儲芯片用量很大(無論DRAM還是Flash)，因此全世界有很多廠商競相爭搶這一特殊的市場。從價(jià)值創(chuàng)造的角度來看，我們可以將全球存儲器行業(yè)以一個(gè)五層的金字塔來展現(xiàn)，每層的代表廠商類別大致如下：

　　IDM廠商：從研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造工藝和最終存儲產(chǎn)品的垂直整合一條龍服務(wù)廠商，這樣的玩家全球范圍內(nèi)就沒有幾家。韓國的三星站在整個(gè)金字塔的最頂端，在DRAM和NAND Flash這兩大存儲器類別都是絕對的領(lǐng)導(dǎo)者。IDM第二梯隊(duì)廠商包括韓國的海力士、美國的美光和西部數(shù)據(jù)和日本的鎧俠;第三梯隊(duì)廠商包括中國臺灣的華邦、南亞、力積電、旺宏電子，以及中國大陸的長江存儲和長鑫存儲。

　　Fabless廠商：沒有巨額投資興建晶圓廠，但依托純晶圓代工廠商的制造能力及第三方封裝測試廠商(OSAT)，專注于存儲芯片設(shè)計(jì)的公司。雖然無法跟IDM廠商直接競爭，但在小容量DRAM和利基型閃存等細(xì)分市場還是有很多機(jī)會的。以中國大陸的Fabless公司為主，其中包括兆易創(chuàng)新、北京君正(通過收購芯成ISSI)、紫光國微、東芯半導(dǎo)體、普冉半導(dǎo)體、聚辰半導(dǎo)體(EEPROM)、恒爍半導(dǎo)體以及芯天下等。

　　主控芯片廠商：閃存主控芯片(Flash Memory Controller)管理存儲在閃存中的數(shù)據(jù)，并與計(jì)算機(jī)或電子設(shè)備進(jìn)行通信。固態(tài)硬盤(SSD)、eMMC和UFS最核心的部分就是閃存顆粒和主控芯片。對于DRAM，內(nèi)存接口芯片是內(nèi)存模組(內(nèi)存條) 的核心器件，作為CPU存取內(nèi)存數(shù)據(jù)的必由通路，其主要作用是提升內(nèi)存數(shù)據(jù)訪問的速度及穩(wěn)定性，以匹配CPU日益提高的運(yùn)行速度及性能。存儲接口和主控芯片廠商包括：美國的美滿電子;中國臺灣的慧榮、群聯(lián)、點(diǎn)序科技;中國大陸的慧憶微電子、瀾起科技、德明利、英韌科技、得一微電子、聯(lián)蕓科技、國科微、大唐存儲和特納飛等。

　　存儲芯片封測廠商：存儲芯片IDM廠商一般有自己內(nèi)部的封裝測試工廠，但無論IDM還是Fabless廠商，都依賴第三方封測提供商(OSAT)的專業(yè)和低成本制造能力。處于存儲器價(jià)值鏈第四層，能夠提供存儲芯片封裝測試服務(wù)的廠商包括：中國臺灣的日月光集團(tuán)(ASE)、力成科技(PTI)、華泰電子(OSE)、京元電子;中國大陸的長電科技、華天科技、通富微電、深科技等。

　　存儲模組/成品廠商：為PC、手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和各種電子產(chǎn)品提供存儲產(chǎn)品和解決方案的廠商很多，包括存儲模組和存儲產(chǎn)品品牌廠商。這類廠商處于價(jià)值鏈金字塔的第五層，離市場和客戶最近，其在整個(gè)存儲器市場上的價(jià)值同樣是不可或缺的。全球范圍內(nèi)，獨(dú)立的存儲模組和存儲產(chǎn)品公司包括：美國的金士頓、希捷和SMART;中國臺灣的威剛(ADATA)、創(chuàng)見(Transcend)、PLEXTOR、宜鼎國際(innodisk);中國大陸的江波龍、朗科、佰維、大為創(chuàng)芯、銓興、時(shí)創(chuàng)意電子、嘉合勁威、億恒創(chuàng)源(MEMBLAZE)等。

　　全球存儲器價(jià)值鏈金字塔(來源：AspenCore)

　　4、存儲芯片細(xì)分品類各有哪些玩家?各有什么特點(diǎn)和核心競爭力?

　　SRAM作為半導(dǎo)體存儲器的一種，行業(yè)進(jìn)入門檻高，具有資金、技術(shù)、人才、品牌等壁壘。在全球范圍內(nèi)，SRAM市場主要被美國賽普拉斯(Cypress，被英飛凌收購)、日本瑞薩電子(Renesas)、美國矽成ISSI(被北京君正收購)三家廠商所占據(jù)，合計(jì)市場占有率達(dá)到82%。全球其他SRAM生產(chǎn)商還有美國GSI、美國IDT、美國安森美(ONSemi)、韓國三星(Samsung)、中國臺灣聯(lián)笙電子、中國臺灣來揚(yáng)科技等。國內(nèi)有中科聲龍、九天睿芯、靈汐科技、千芯科技、后摩智能、蘋芯科技等創(chuàng)企涉足。

　　全球DRAM產(chǎn)業(yè)由韓國三星、韓國海力士及美國美光等前三大廠商形成寡頭市場，合計(jì)占據(jù)95%的市場份額。這三家企業(yè)均擁有自己的工藝和DRAM內(nèi)存芯片工廠，能保證DRAM產(chǎn)品的良率和性價(jià)比。中國臺灣的南亞占比3%，還有華邦電子和力積電。國內(nèi)躬身入局這一市場的有合肥長鑫、福建晉華、紫光國芯、東芯半導(dǎo)體、兆易創(chuàng)新、北京君正(北京矽成)等。

　　根據(jù)賽迪顧問的報(bào)告，EEPROM的供應(yīng)商主要來自歐洲、美國、日本和中國大陸。EEPROM的國外廠商包括意法半導(dǎo)體(ST)、微芯(Microchip，收購Atmel)、安森美(ONsemi)、艾普凌科(ABLIC)、羅姆(Rohm)、瑞薩(Renesas)，近幾年基本沒有新品推出。國內(nèi)聚辰半導(dǎo)體躋身全球前三，輝芒微電子、上海復(fù)旦微、華虹半導(dǎo)體作為老牌廠商一直占有一定份額，還有上海貝嶺、普冉、航順、芯火等廠商。

　　根據(jù)CFM閃存市場的跟蹤報(bào)告，2023年第三季度韓國三星NAND Flash銷售收入為29.60億美元，環(huán)比增長7.5%，市場份額為30.2%;SK海力士(包括Solidigm)銷售收入為18.84億美元，環(huán)比增長13%，市場份額為19.2%;鎧俠銷售收入為16.85億美元，環(huán)比減少7.9%，市場份額為17.2%;西部數(shù)據(jù)銷售收入為15.56億美元，環(huán)比增長13%，市場份額為15.9%;美光銷售收入為12.05億美元，環(huán)比增長19%，市場份額為12.3%。全球前五累計(jì)市占率高達(dá)94.7%。(注：因美光財(cái)報(bào)統(tǒng)計(jì)月不同，此處為2023年6月-2023年8月業(yè)績。)

　　5、2023年很火的HBM是什么?

　　HBM(High Bandwidth Memory，高頻寬存儲器)是一種基于3D堆棧工藝的高性能DRAM，通俗來講，就是先將很多DDR芯片堆疊在一起后，再與GPU封裝在一塊。正是基于Interposer中介層互聯(lián)實(shí)現(xiàn)了近存計(jì)算，以及TSV工藝的堆疊技術(shù)，讓HBM打破了內(nèi)存帶寬及功耗瓶頸，成為AI訓(xùn)練硬件的首選。

　　其實(shí)HBM應(yīng)用已有幾年的時(shí)間，自2014年首款硅通孔HBM產(chǎn)品問世至今，HBM技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第五代，其中HBM3E是HBM3的擴(kuò)展版本，依次類推，HBM4將是第6代產(chǎn)品。從HBM內(nèi)存的演變來看，最新的HBM3帶寬、堆疊高度、容量、I/O速率等較初代均有多倍提升。

　　HBM與傳統(tǒng)的GDDR(Graphics Double Data Rate)內(nèi)存相比，具有更高的帶寬和更低的能耗。它通常用于高性能計(jì)算、圖形處理單元(GPU)、人工智能(AI)應(yīng)用和其他需要大量數(shù)據(jù)傳輸和處理的領(lǐng)域，因其出色的數(shù)據(jù)傳輸速率和能效而備受青睞。

　　6、如何看新型存儲技術(shù)的前沿動態(tài)?

　　臺積電作為追逐先進(jìn)工藝的扛把子，對于新型存儲技術(shù)的布局也是緊鑼密鼓，畢竟邏輯和存儲是芯片重要的兩條腿，一個(gè)也不能落下。臺積電在研的新型存儲器解決方案主要涉及磁阻式隨機(jī)存取存儲器(MRAM)、電阻式隨機(jī)存取存儲器 (RRAM)、相變隨機(jī)存取存儲器 (PCRAM)、鐵電RAM等。臺積電近年來積極推動將嵌入式閃存(sFlash)改成MRAM和ReRAM等新型存儲制程。

　　在新興的非易失性二進(jìn)制存儲器中，自旋轉(zhuǎn)矩傳遞RAM (STT-MRAM)、自旋軌道轉(zhuǎn)矩RRAM (SOT MRAM)和壓控MRAM (VC MRAM)因其工作電壓低、速度快和耐用性以及先進(jìn)的CMOS技術(shù)兼容性而特別具有吸引力。

　　臺積電研發(fā)STT-MRAM解決方案主要是用來克服嵌入式閃存技術(shù)的擴(kuò)展限制。在2021年IEEE會議上，臺積電展示了嵌入16nm FinFET CMOS工藝的STT-MRAM的可靠性和抗磁性。

　　此外，臺積電還在積極探索SOT-MRAM和VC-MRAM，并與外部研究實(shí)驗(yàn)室、財(cái)團(tuán)和學(xué)術(shù)合作伙伴合作。臺積電的SOT-MRAM探索由高速(<2ns)二進(jìn)制內(nèi)存解決方案驅(qū)動，該解決方案比傳統(tǒng)的6T-SRAM解決方案密度要大得多，同時(shí)也更節(jié)能。2022年6月，臺灣工研院宣布，其與臺積電合作開發(fā)的低壓電流SOT-MRAM，具有高寫入效率和低寫入電壓的特點(diǎn)。工研院表示，其SOT-MRAM實(shí)現(xiàn)了0.4納秒的寫入速度和7萬億次讀寫的高耐久度，還可提供超過10年的數(shù)據(jù)存儲壽命。

　　臺積電認(rèn)為，AI和IoT所組成的強(qiáng)大組合AIoT，可能會在未來幾年推動半導(dǎo)體行業(yè)的增長。高能效機(jī)器學(xué)習(xí)需要具有低功耗的大容量片上存儲器。它可以同時(shí)支持 1T1R(1 個(gè)晶體管 + 1RRAM)和 1S1R(1 個(gè)選擇器 + 1RRAM)陣列架構(gòu)。與傳統(tǒng)的1T1R架構(gòu)相比，1S1R架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高的密度并實(shí)現(xiàn)3D集成。2020年臺積電開始生產(chǎn)28nm電阻隨機(jī)存取存儲器(RRAM)，這是臺積電為價(jià)格敏感的物聯(lián)網(wǎng)市場所開發(fā)的低成本解決方案。

　　2022年11月25日，英飛凌和臺積電宣布，兩家公司準(zhǔn)備將臺積電的RRAM非易失性存儲器 (NVM) 技術(shù)引入英飛凌的下一代AURIX?微控制器 (MCU)，首批基于28納米 RRAM 技術(shù)的樣品將于2023年底提供給客戶。目前，市場上的大多數(shù) MCU系列都基于嵌入式閃存技術(shù)。RRAM的引入對MCU來說是一項(xiàng)新的革新，RRAM NVM可以進(jìn)一步擴(kuò)展到 28 納米及以上。臺積電和英飛凌成功為在汽車領(lǐng)域引入RRAM奠定了基礎(chǔ)。

　　臺積電還在繼續(xù)探索新的RRAM材料堆棧及其密度驅(qū)動集成，以及可變感知電路設(shè)計(jì)和編程結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)面向AIoT應(yīng)用的高密度嵌入式RRAM解決方案選項(xiàng)。

　　相變隨機(jī)存儲器(PCRAM)是一種基于硫化物玻璃的非易失性存儲器。通過控制焦耳加熱和淬火，PCRAM在非晶態(tài)(高電阻)和晶體態(tài)(低電阻)之間過渡的電阻。存儲器的電阻狀態(tài)在很大程度上與非晶態(tài)區(qū)域的大小及其可控性和穩(wěn)定性有關(guān)。這使得PCRAM細(xì)胞獨(dú)特地能夠存儲多個(gè)狀態(tài)(電阻)，從而具有比傳統(tǒng)二進(jìn)制存儲器更高的有效細(xì)胞密度的潛力。PCRAM可以支持陣列配置，包括一個(gè)晶體管和一個(gè)存儲器(1T1R)陣列和密度更大的一個(gè)選擇器和一個(gè)存儲器(1S1R)陣列。

　　相變存儲器具有很有前途的多級單元 (MLC) 功能，可滿足神經(jīng)形態(tài)和內(nèi)存計(jì)算應(yīng)用中不斷增長的片上存儲器容量需求。臺積電一直在探索PCRAM材料、電池結(jié)構(gòu)和專用電路設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)AI和ML的近內(nèi)存和內(nèi)存計(jì)算。臺積電的一篇論文中指出，他們提出了三種新穎的 MLC PCM 技術(shù)：1)設(shè)備需求平衡，2)基于預(yù)測的MSB偏置參考，3)位優(yōu)先布局，以解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的 MLC 設(shè)備挑戰(zhàn)。使用測量的 MLC 誤碼率，所提出的技術(shù)可以將 MLC PCM 保留時(shí)間提高105倍，同時(shí)將ResNet-20推理精度下降保持在3%以內(nèi)，并在存在時(shí)間阻力漂移的情況下，將CIFAR-100數(shù)據(jù)集的精度下降減少 91% (10.8X)。

　　就目前新型存儲的商用化進(jìn)度來看，臺積電和英飛凌基于RRAM合作的MCU算是比較快的革新進(jìn)展，RRAM將有望成為閃存的替代品。過去幾乎所有的MCU細(xì)分市場都使用NOR Flash，但是閃存的微縮化步伐完全趕不上CMOS邏輯的微縮，閃存MCU的量產(chǎn)代際仍停留在40nm節(jié)點(diǎn)，而MCU卻已經(jīng)開始向28nm邁進(jìn)，而且到了22nm世代以后，CMOS邏輯的晶體管走向FinFET立體化，閃存的MCU研發(fā)技術(shù)將極其困難。所有的新技術(shù)都需要各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的通力支持，臺積電作為晶圓代工這一產(chǎn)業(yè)鏈上的重要角色，在推動新型存儲發(fā)展方面起著很大的作用。

　　而MRAM則有望成為SRAM的替代品。臺積電作為先進(jìn)工藝界的帶頭人，早就感知到了SRAM的微縮進(jìn)入極限。此前，臺積電的一篇論文中表示，SRAM的微縮似乎已經(jīng)完全崩潰。據(jù)WikiChip的報(bào)道，在2022年的第68屆年度IEEE國際電子器件會議 (IEDM) 上，臺積電談到其新的N3節(jié)點(diǎn)中高密度SRAM位單元大小根本沒有縮小，在0.021μm2處與他們的N5節(jié)點(diǎn)的bitcell大小完全相同。然而，在0.0199μm2，它只有5%的縮放(或0.95倍收縮)。也就是說，臺積電的N3B和N3E雖都提供了1.6倍和1.7倍的芯片級晶體管縮放，但SRAM卻只有1倍和1.05倍的縮放。所以對MRAM，臺積電進(jìn)行了多種研究性嘗試。

　　從臺積電的布局中可以看出，臺積電采取的是“廣撒網(wǎng)，遍撈魚”的策略，對所有的新型存儲技術(shù)都進(jìn)行探索，因?yàn)槊總€(gè)新型存儲技術(shù)都有其獨(dú)到的優(yōu)勢，未來在存儲領(lǐng)域不一定只有一個(gè)贏家。