存儲芯片技術(shù)平臺研究報告

1、存儲芯片技術(shù)平臺研究報告請務(wù)必閱讀正文之后的免責條款部分172.1 存儲器類型眾多，應(yīng)用廣泛圖：存儲器的分類資料來源：國元證券研究中心半導體存儲是存儲領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域最廣、市場規(guī)模最大的存儲器件：按照停電后數(shù)據(jù)是否可繼續(xù)保存在器件內(nèi)，半導體存儲器可分為掉電易失和掉電非易失器件；易失存儲器在過去的幾十年里沒有特別大的變化，依然是以靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）、動態(tài)隨機 存取存儲器（DRAM）為主；非易失存儲器從早期的不可擦除PROM，到后來的光可擦除EPROM、電可擦除EEPROM，到現(xiàn)在的主流的 Flash，技術(shù)在不斷的更新、進步。現(xiàn)在RAM領(lǐng)域還出現(xiàn)了鐵電存儲器（FRAM）、相變存儲器（PR

2、AM）、磁存儲器（MRAM）和阻變存儲器（RRAM）等非易失靜態(tài)存儲器。圖：2019年全球半導體存儲器市場分布資料來源：中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng),國元證券研究中心58%40%1% 1%DRAMNAND Flash Nor Flash其他請務(wù)必閱讀正文之后的免責條款部分182.1存儲器類型眾多，應(yīng)用廣泛眾多半導體存儲器中，市場規(guī)模最大的是DRAM和NAND Flash，市場規(guī)模均在數(shù)百億美元，其中DRAM 2018年的市場規(guī)模已達到1000億美元。除此之外，存儲芯片市場空間較大的還有NOF Flash，其市場 規(guī)模曾一度隨著功能手機的消亡而逐漸降低，但近年來隨著新興市場的崛起，NOF Flash的市場空間

3、 也已逐漸恢復。本報告講主要針對以下幾種類型存儲器進行展開討論。表 ：主要存儲器類型介紹存儲芯片類型作用市場領(lǐng)先的參與者國內(nèi)主要參與者市場規(guī)模市場特點NOF Flash代碼型閃存存儲器，常 用于系統(tǒng)啟動代碼的存儲華邦、旺宏、兆易 創(chuàng)新、Cypress、美光兆易創(chuàng)新25億-30億美元市場規(guī)模曾隨智能手機消亡而逐漸 萎縮，但目前已隨著新興應(yīng)用的崛起而開始復蘇DRAM用于和處理器直接通訊， 主要應(yīng)用于手機、個人 計算機、服務(wù)器的內(nèi)存三星、SK海力士、 美光、南亞、華邦合肥長鑫、福建晉華、 紫光集團、北京矽成（僅設(shè)計）600億-1000億美 元市場規(guī)模最大的半導體存儲器，市 場規(guī)模隨價格波動而周期性波

4、動NAND Flash主要存儲器三星、鎧俠、西數(shù)、 美光、SK海力士、 英特爾長江存儲400億-600億美 元市場規(guī)模僅次于DRAM，市場規(guī)模隨 價格波動而周期性波動EEPROM穩(wěn)定耐用的數(shù)據(jù)存儲，廣泛應(yīng)用于手機攝像頭 模組、可穿戴設(shè)備等意法半導體，微芯科技、安森美、聚 辰股份聚辰股份、上海復旦8億-9億 美元市場規(guī)模較小，但隨著智能手機攝像頭模組升級和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，市 場規(guī)模不斷增長SRAM用于CPU內(nèi)部的一級緩 存以及內(nèi)置的二級緩存賽普拉斯，來揚， 瑞薩半導體3億-5億 美元多種原因影響，市場規(guī)模不斷萎縮資料來源：國元證券研究中心請務(wù)必閱讀正文之后的免責條款部分2.1存儲器類型眾多，應(yīng)用廣

5、泛本地二級存儲（本地磁盤，NAND Flash）本地存儲（NOF Flash,EEPROM）主存儲器（DRAM）芯片外高速緩存（SRAM）芯片內(nèi)高速緩存（SRAM）寄存器（SRAM）L0：L1：L2：L3：L4：L5：保存著取自本地存儲的 緩存行CPU可直接調(diào)取并執(zhí)行行更小， 更快， 更貴的 存儲設(shè)備更大， 更慢， 更便宜的 存儲設(shè)備保存著從高速緩存器取 出的字保存著從主存儲器取出 的緩存行保存著取自芯片外的緩 存行不同的存儲器在性能、價格、容量等各個方面大有不同，本報告將在后面詳細進行介紹與闡述，下表 做個簡要梳理。圖：各存儲器比較請務(wù)必閱讀正文之后的免責條款部分2.2 EEPROM：低功耗

6、，高擦寫次數(shù)存儲首選方案資料來源：普冉半導體，國元證券研究中心EEPROM的全稱是“電可擦除可編程只讀存儲器”，可以在電腦上或?qū)Ｓ迷O(shè)備上擦除已有信息，重新編程，一般用在即插即用。在一些所需存儲容量不大，并且需要頻繁更新的場合，EEPROM相比較于 Flash，由于其百萬次的擦寫次數(shù)和更快速的寫入，成為更佳選擇。近年來，EEPROM除了越來越多的集成到SOC芯片中，也可搭配AMOLED、指紋、觸控、攝像頭、藍牙、無線等芯片形成模組。EEPROM以其通用性，穩(wěn)定耐用的數(shù)據(jù)存儲，各種小容量規(guī)格，能滿足攝像頭模組、可穿戴設(shè)備等對參數(shù)存儲的要求。圖：普冉半導體IIC EEPROM產(chǎn)品圖：EEPROM應(yīng)用

7、領(lǐng)域車用電子工業(yè)用電子通信用電子手機用電子消費類電子物聯(lián)網(wǎng)資料來源：普冉半導體，國元證券研究w請務(wù)必閱讀正文之后的免責條款部分212.3 NOFFlash：芯片內(nèi)可執(zhí)行，新興領(lǐng)域應(yīng)用廣泛圖：NOF Flash的結(jié)構(gòu)特點資料來源：國元證券研究中心NOF Flash應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，幾乎所有需要存儲系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的電子設(shè)備都需要使用NOF Flash。NOF Flash的廣泛應(yīng)用，主要得益于其可芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP）的特點。如下圖所示，F(xiàn)lash均使用浮柵 場效應(yīng)管作為基本單元來存儲數(shù)據(jù)。在控制柵極（Word Line與場效應(yīng)管連接處）未施加電壓時，源 極和漏極之間導通則數(shù)據(jù)為1，中斷則為0。NOF

8、Flash的連接方式為串聯(lián)，讀取數(shù)據(jù)不需對Word Line進行加壓，直接測量對應(yīng)的Bit Line和 Source Line之間的通斷即可獲取該存儲單元的數(shù)據(jù)。不僅實現(xiàn)了位讀取，還大大提高了數(shù)據(jù)讀取的 速度。實現(xiàn)位讀取，程序便可在NOF Flash上運行，即所謂的芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP）。圖：美光NOF Flash產(chǎn)品資料來源：，美光官網(wǎng)，國元證券研究中心請務(wù)必閱讀正文之后的免責條款部分222.4 NAND Flash：大容量存儲的最佳選擇圖：NAND Flash的結(jié)構(gòu)特點資料來源：國元證券研究中心NAND Flash的連接方式為串聯(lián)，若要讀取下圖黃色Word Line（字線）的數(shù)據(jù)，需對其他所

9、有Word Line進行增加電壓，加壓后漏極和源極處于導通狀態(tài)。因此NAND Flash讀取數(shù)據(jù)的最小單位是頁（即Word Line上的所有數(shù)據(jù)），無法直接運行程序，所有數(shù)據(jù)必須先讀取到RAM上后才可運行。從應(yīng)用形態(tài)上看，NAND Flash的具體產(chǎn)品包括USB（U盤）、閃存卡、SSD（固態(tài)硬盤），以及嵌 入式存儲（eMMC、eMCP、UFS）等。USB屬于常見的移動存儲設(shè)備，閃存卡則用于常見電子設(shè)備 的外設(shè)存儲，如相機、行車記錄儀、玩具等。資料來源：Gartner,IDC，國元證券研究中心17%12%10%8%6%36%38%36%33%33%38%40%46%49%50%9%10%8%10

10、%11%100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%20172018 圖：NAND下游應(yīng)用領(lǐng)域USB/閃存卡手機/平板SSDs其他請務(wù)必閱讀正文之后的免責條款部分232.5 DRAM：計算機系統(tǒng)的運行內(nèi)存圖：應(yīng)用于服務(wù)器的RDIMM內(nèi)存模組資料來源：京東，國元證券研究中心DRAM是動態(tài)隨機存取存儲器（Dynamic Random Access Memory）的縮寫，主要的作用原理是利用 電容內(nèi)存儲電荷的多寡來代表一個二進制比特（bit）是1還是0。DRAM的特征是運算速度快，但掉電 后數(shù)據(jù)會丟失，常應(yīng)用于系統(tǒng)硬件的運行內(nèi)存。DRAM用于計算機、手機的運行數(shù)據(jù)保存以及與CP

11、U直接通訊。在計算機、服務(wù)器的應(yīng)用領(lǐng)域，DRAM以內(nèi)存模組的形式出現(xiàn)。內(nèi)存模組由DRAM內(nèi)存顆粒（即內(nèi)存芯片）和內(nèi)存接口芯片以及配套 的印制電路板組成。在手機等移動設(shè)備領(lǐng)域，DRAM直接以一顆芯片的形安裝在主板上。 圖：某手機主板使用的6GB內(nèi)存芯片資料來源：，國元證券研究中心請務(wù)必閱讀正文之后的免責條款部分2.5 DRAM：計算機系統(tǒng)的運行內(nèi)存圖：DRAM下游應(yīng)用占比資料來源：Yole，國元證券研究中心DRAM按照產(chǎn)品分類分為DDR/LPDDR/GDDR和傳統(tǒng)型（Legacy/SDR）DRAM，相對于DDR的雙倍 速率（在時鐘上升沿和下降沿都可以讀取數(shù)據(jù)），傳統(tǒng)的DRAM只在時鐘上升沿讀取數(shù)

12、據(jù)，速度相對 慢。應(yīng)用領(lǐng)域相對較窄，是利基型的DRAM。DDR/LPDDR為DRAM的應(yīng)用最廣的類型，因此DRAM主要應(yīng)用于計算機、服務(wù)器和移動設(shè)備上，根 據(jù)Yole數(shù)據(jù)統(tǒng)計，兩者合計占DRAM應(yīng)用比例約為90%。100.00%90.00%80.00%70.00%60.00%50.00%40.00%30.00%20.00%10.00%0.00%2018Q12018Q22018Q32018Q42019Q12019Q22019Q32019Q42020Q12020Q22020Q32020Q42021Q12021Q22021Q32021Q42022Q12022Q22022Q3legacyDDR4DDR

13、5LPDDRGDDR表 ：DDR、LPDDR、GDDR比較類型特點應(yīng)用DDRSDRAM基礎(chǔ)上發(fā)展而來的存儲器，相同 的總線頻率下達到更高的數(shù)據(jù)傳輸率。主要應(yīng)用在個人計算機、服 務(wù)器上。LPDDR比同代DDR內(nèi)存更低的功耗和更小的體 積主要應(yīng)用于移動端電子產(chǎn)品GDDR與普通DDR相比，擁有更高的時鐘頻率 和更小的發(fā)熱量主要應(yīng)用于圖像處理領(lǐng)域資料來源：公開資料整理，國元證券研究中心請務(wù)必閱讀正文之后的免責條款部分252.6 SRAM：微處理器內(nèi)部高速緩存資料來源：電子發(fā)燒友，國元證券研究中心資料來源：賽普拉斯，國元證券研究中心SRAM即靜態(tài)隨機存取存儲器，SRAM不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)，DRAM每隔一段時間， 要刷新充電一次，否則內(nèi)部的數(shù)據(jù)即會消失。SRAM的讀寫速度非?？?，同時能夠保證數(shù)據(jù)完整