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精選報告:半導體行業(yè)存儲芯片研究框架

日期:2021-05-24 來源:陳杭 方正證券閱讀:552
核心提示:DRAM競爭格局歷經洗牌,現階段韓國三星、海力士、美國美光三大寡頭壟斷市場。
 導語

  DRAM競爭格局歷經洗牌,現階段韓國三星、海力士、美國美光三大寡頭壟斷市場。從集中度看,三星 、海力士、美光三家企業(yè)壟斷市場,top3市占率從2006年開始大幅度上升,集中度迅速提高,從2005年 61.9%迅速提升到2018年95.5%,呈現“三足鼎立”之勢。

  一、DRAM投資邏輯框架

  2019年達到周期底部,2020年上行周期開啟。 2020年上半年受新冠疫情影響,服務器、智 能手機、PC需求激增帶動DRAM價格迅速回升,新一輪上升的大趨勢基本確定。從歷史數據 及我們推演,DRAM行業(yè)周期上行通常將持續(xù)兩年,看好2021-2022年DRAM行業(yè)保持穩(wěn) 定增長。

  二、詳解DRAM:存儲器最大細分領域

  DRAM定義與結構:

  半導體存儲從應用上可劃分為易失性存儲器(RAM,包括DRAM和SRAM等),以及非易 失性存儲器(ROM和非ROM)。

  動態(tài)隨機存儲器(DRAM)和靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)同屬于易失性存儲器,在斷電狀 態(tài)下數據會丟失。兩者因結構不同,其應用場景有很大的不同。

  DRAM利用電容儲存電荷多少來存儲數據,需要定時刷新電路克服電容漏電問題,讀寫速 度比SRAM慢,常用于容量大的主存儲器,如計算機、智能手機、服務器內存等。

  SRAM讀寫速度快,制造成本高,常用于對容量要求較小的高速緩沖存儲器,如CPU一級、 二級緩存等。

  DRAM歷史與發(fā)展:早期存儲器的發(fā)展史

  1942年,世界上第一臺電子數字計算機ATANASOFF-BERRY COMPUTER(ABC)誕生,使用再生電容 磁鼓存儲器存儲數據。

  1946年,隨機存取存儲器(RAM)問世,靜電記憶管能在真空管內使用靜電荷存儲大約4000字節(jié)數據。

  1947年,延遲線存儲器被用于改良雷達聲波。延遲線存儲器是一種可以重刷新的存儲器,僅能順序存取 。同年磁芯存儲器誕生,這是隨機存取存儲器(RAM)的早期版本。

  1951年,磁帶首次被用于計算機上存儲數據,在UNIVAC計算機上作為主要的I/O設備,稱為UNIVACO ,這就是商用計算機史上的第一臺磁帶機。

  1956年,世界上第一個硬盤驅動器出現在了IBM的RAMAC 305計算機中,標志著磁盤存儲時代的開始。該計算機是第一臺提供隨機存取數據的計算機,同時還使用了磁鼓和磁芯存儲器。

  1965年,美國物理學家Russell發(fā)明了只讀式光盤存儲器(CD-ROM),1966年提交了專利申請。1982 年,索尼和飛利浦公司發(fā)布了世界上第一部商用CD音頻播放器CDP-101,光盤開始普及。

  1966年,DRAM被發(fā)明。IBM Thomas J. Watson 研究中心的Robert H. Dennard發(fā)明了動態(tài)隨機存取 存儲器(DRAM),并于1968年申請了專利。

  1970年,Intel公司推出第一款商用DRAM芯片Intel 1103,徹底顛覆了磁存儲技術。DRAM的出現解決 了磁芯存儲器體積龐大,運行速度慢,存儲密度低及能耗較高等問題。

  DRAM主要可以分為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是內存模塊中使輸出增加一倍的技術,是目前主流的內存技術。LPDDR具有低功耗的特性,主要應用于便攜設備。GDDR一般會匹配使用高性能顯卡共同使用,適用于具有高帶寬圖形計算的領域。

  云計算、大數據的興起,服務器的數據容量和處理速度在不斷提高,推動了DDR技術的升級 迭代,目前市場上主流技術規(guī)范為DDR4和LPDDR4,DDR5技術即將進入商用領域。

  DRAM未來技術及制程

  DRAM從2D架構轉向3D架構是未來的主要趨勢之一。3D DRAM是將存儲單元(Cell)堆疊至邏輯單元 上方以實現在單位晶圓面積上產出上更多的產量。相較于普通的平面DRAM,3D DRAM可以有效降低 DRAM的單位成本。

  其他發(fā)展路徑:采用鐵電材料的設計電容(ferro capacitor)以延長DRAM位元格儲存電荷的時間延長。具有改善DRAM的資料保存時間(retention time),減小刷新的負擔、快速開啟或關閉低功耗模式、實 現更低的備用功耗,以及進一步推動DRAM的規(guī)模化等優(yōu)點。使用低漏電流沉積的薄膜晶體管(thin-film transistor),例如氧化銦鎵鋅,來取代DRAM位元格內的硅基晶體管,以大幅降低儲存單元的面積。

  三、周期&需求:周期波動及需求分析

  DRAM 行業(yè)變革及周期

  DRAM芯片需求經歷了PC推動周期、PC&Notebook推動周期,目前正處于智能手機&服務器&AloT推動周期。 2010年iPhone 4正式開啟移動端的巨大增量,疊加云服務器端需求不斷上漲,DRAM迎來第三輪爆發(fā)式的增長并持續(xù)至今。

  DRAM 供需與周期關系詳解:供需錯配導致價格波動

  DRAM行業(yè):周期性強,一個周期約為四年。由Bloomberg提供的各型號DDR3/4單價波動來看,2012年至 2016年,2016年至2020年分別為完整的波動周期。DRAM擴產從計劃至出貨約為兩年,故可得一個周期 中價格上行下行分別約兩年的原因為:供小于求,價格上行,廠商擴產,供大于求,價格下行。

  2019年達到周期底部,2020年上行周期開啟。 2020年上半年受新冠疫情影響,服務器、智能手機、PC需 求激增帶動DRAM價格迅速回升,新一輪上升的大趨勢基本確定。從歷史數據及我們的推理來看,DRAM 行業(yè)周期上行通常將持續(xù)兩年,看好2021-2022年DRAM行業(yè)保持穩(wěn)定增長。

  四、知己知彼:DRAM市場及競爭格局剖析

  DRAM市場規(guī)模及競爭格局

  DRAM競爭格局歷經洗牌,現階段韓國三星、海力士、美國美光三大寡頭壟斷市場。從集中度看,三星 、海力士、美光三家企業(yè)壟斷市場,top3市占率從2006年開始大幅度上升,集中度迅速提高,從2005年 61.9%迅速提升到2018年95.5%,呈現“三足鼎立”之勢。DRAM行業(yè)歷經多輪周期洗禮,全球供應商 的數量在1997年達到峰值,而后隨著產業(yè)的變遷逐步減小,目前僅以三家巨頭為主,其他廠商包括中國臺灣的南亞科技、華邦電子等。

  三星穩(wěn)居全球DRAM龍頭,海力士美光緊隨其后。2013年美光收購爾必達,市占率曾短暫超過海力士并 接近三星,但三星堅守研發(fā)高投入,逆向投資等策略,隨即鞏固了在DRAM領域的優(yōu)勢。

  DRAM廠商主要特點

  內存芯片標準化程度高,各廠商競爭的核心環(huán)節(jié)在于制造工藝與生產規(guī)模。廠商需要同時進行技術研發(fā)及 產能投資。DRAM制程工藝緊跟摩爾定律,轉變較快,同時需要較大出貨規(guī)模以攤平生產及研發(fā)成本。

  DRAM市場中IDM模式更具優(yōu)勢。目前DRAM市場三家龍頭均為IDM廠商,其優(yōu)勢在于設計與制造工藝 協同,能率先推進并實驗新型技術,IC設計到芯片落地時間較短。但同時產能變化較為緩慢,需要較高資 本投入,管理運營成本較高。Fabless模式資產要求低,但欠缺晶圓廠配合,代工產能緊張時可能無法生 產最新產品,故Fabless不太適合內存行業(yè)。

  內存行業(yè)為重資產行業(yè)。海力士與美光廠房設備占總資產比重常年處于60%左右,同時需每年需要維持穩(wěn) 定的廠房設備投入,下行周期時需借入長期負債以保障現金流。高昂的初始投資與后續(xù)研發(fā)及廠房設支指 出形成行業(yè)壁壘,市場集中度不斷提升。

  報告節(jié)選:

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

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