AI行業系列報告：從算力到存力存儲芯片研究框架-230403（28頁）.pdf

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1、2023年4月3日從算力到存力：存儲芯片研究框架AI行業系列報告證券研究報告行業評級：看好分析師陳杭郵箱證書編號S1230522110004研究助理安子超郵箱電話18611396466添加標題95%摘要22023年3月31日，我國發起對美光在華銷售產品的網絡安全審查，體現出存儲產業安全的重要性。此外，AI算力需求拉動高算力服務器出貨，而AI服務器的存力需求更強，AI將驅動“從算力到存力”的中長期需求：1、海外廠商占據絕對份額，國內存儲安全重要性凸顯存力的底層支撐：半導體存儲器芯片（主流為DRAM+NAND Flash）。存力的體現形式：數據中心+存儲服務器。海外巨頭壟斷，國內存儲安全重要性日益

2、凸顯。全球DRAM市場幾乎由三星、SK海力士和美光所壟斷，CR3 超過 95%，全球NAND flash市場由前三大廠商分別為三星、鎧俠和海力士，目前 CR3 市場份額達 65%，CR6 市場份額接近 95%。2、國內數據圈龐大，AI驅動“從算力到存力”的長期需求得益于人工智能、物聯網、云計算等新興技術的快速發展，中國數據正在迎來爆發式增長，驅動存儲設備在數據中心采購占比進一步提升。據IDC預測，預計到2025年，中國數據圈將增長至48.6ZB，占全球數據圈的27.8%，成為全球最大的數據圈。AI技術革命推動高算力服務器等基礎設施需求提升，AI服務器所需的DRAM/NAND分別是常規服務器的8

3、/3倍。3、存儲周期拐點已至，庫存改善、價格壓力緩解美光23Q1存貨環比小幅回落，集邦咨詢預測23Q2DRAM價格跌幅收窄至10%-15%（23Q1為20%），庫存情況改善、價格壓力緩解，存儲行業周期迎來拐點。4、先進存力的前進方向：存算一體、HBM/DRAM、3D NAND存算一體：將存儲單元和計算單元合為一體，省去了計算的數據搬運環節，消除由于數據搬運帶來的功耗，提升計算能效。HBM/DRAM：作為存儲器主流之一的DRAM技術不斷升級，衍生出HBM（高帶寬內存），其是一款新型的CPU/GPU 內存芯片，將多個DDR芯片堆疊后與GPU封裝在一起，實現大容量，高位寬的DDR組合陣列，突破內存容

4、量與帶寬瓶頸。3D NAND（立體堆疊技術）：可以擺脫對先進制程工藝的束縛，不依賴于EUV技術，而閃存的容量/性能/可靠性也有了保障。建議關注標的：兆易創新、北京君正、瀾起科技、深科技、東芯股份、聚辰股份、普冉股份、江波龍、佰維存儲、德明利易華錄、朗科科技、恒爍股份、同有科技、雅創電子5XaXkZjZ8WjYsXuVsX8OdN9PpNrRnPsRiNmMsOfQoOrN6MqQvMxNnOnRNZtRoN風險提示31、宏觀經濟下行風險2、上游晶圓緊缺加劇的風險3、市場發展不及預期的風險4、技術發展不及預期風險01Partone4存力概況01存力底層支撐體現形式半導體存儲器芯片數據中心存儲服務

5、器存力主要由數據中心和存儲服務器驅動存儲技術架構SANNASDAS集中式存儲分布式存儲文件存儲塊存儲對象存儲其他NFS CIFS FTPSCSIiSCSINVMeS3SwiftHDFS表存儲IP組網FC組網IB組網機械硬盤固態硬盤磁帶光盤連接方式存儲架構存儲類型和協議組網方式存儲介質資料來源：下一代數據存儲技術研究報告（2021 年），中國信息通信研究院，浙商證券研究所得益于人工智能、物聯網、云計算、邊緣計算等新興技術在中國的快速發展，中國數據正在迎來爆發式增長。據此前IDC預測，預計到2025年，中國數據圈將增長至48.6ZB，占全球數據圈的27.8%，成為全球最大的數據圈。我國數據量爆發驅

6、動存儲需求增長05010015020025030035020172018201920202021資料來源：聯想、IDC、中國存力白皮書（2022年），中國信通院，中國數據存儲行業發展深度調研與投資前景研究報告（2023-2030年），浙商證券研究所-10%10%30%50%70%90%110%130%0100020003000400050006000700080009000201720182019202020212022E2023E市場規模（億元）YOY0102030405020182025ECAGR=30%中國新增數據量統計及預測中國數據存儲市場規模預測我國存儲容量增量01數據中心驅動存儲需

7、求增長017隨著數據量的大規模增長，存儲設備在數據中心采購的BOM中占比進一步提升，美光曾提及，目前存儲芯片在數據中心采購中比例約為40%，未來預計將提升至50%。數據中心將成為引領存儲市場增長的重要引擎。SRAMLow Latency DRAMConventional DRAMSCMLow Latency DRAMSSDHDDTapeHOT(10ns)Warm(110us)Less Warm(100us)Cold(1ms)Frozen(1s)10K HDD15K HDD服務器應用緩存計算存儲暖存儲7.2K/5.4K聯想存儲服務器ThinkServer DN8848 V2處理器兩顆英特爾至強可

8、擴展處理器，最大支持TDP 205W內存最多24個DDR4 DIMM 插槽；支持RDIMM和LRDIMM，內存頻率最高3200 MHz；最多支持8根英特爾Optane持久內存200系列擴展性（擴展插槽）Up to 8 FHFL PCIe Gen4 Slots+1 OCP 3.0支持機箱內置Raid卡（通過機箱內置PCIe riser）最多 4個單寬GPU（60W）主板硬盤控制器最多48+4個硬盤資料來源：聯想，閃存市場，浙商證券研究所存儲器芯片提供底層支撐018資料來源：CSDN，華經產業研究院，浙商證券研究所存儲器RAMROMSRAMDRAMFRAMPROMEPROMEEPROMFLASHN

9、ANDNOR2D3D串行并行只讀存儲器隨機存儲器DDRLPDDRNAND,39%DRAM,61%其他,3%應用存儲：華邦、旺宏、兆易創新、Cypress、美光密碼存儲：三星、SK海力士、美光、南亞、華邦數據存儲：三星、SK海力士、英特爾、美光、西數、鎧俠全球存儲市場：國外廠商壟斷，行業高度集中019數據來源：statista、浙商證券研究所0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%Q118Q218Q318Q418Q119Q219Q319Q419Q120Q220Q320Q420Q121Q221Q321Q421Q122Q222Q322Share of revenueSams

10、ungSK HynixMicron GroupNanyaWinbondPowerchipElpidaOthers0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%Q118Q218Q318Q418Q119Q219Q319Q419Q120Q220Q320Q420Q121Q221Q321Q421Q122Q222Q322Market shareSamsungKioxia*WDCSK HynixMicronIntelOthers全球存儲市場絕大部分份額由國外廠商占有，呈現寡頭壟斷格局，行業集中度較高。根據statista數據，截至2022Q3，全球DRAM市場幾乎由三星、SK海力士和美光

11、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NAND flash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%。全球市場DRAM競爭格局全球市場NAND flash競爭格局存算一體02Partone10芯片的發展速度和人工智能的算力需求之間的矛盾加劇0211 芯片的發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，算力需求大規模上升，提升算力成為芯片行業的共同目標。隨著半導體發展放緩，摩爾定理逼近物理極

12、限，依靠器件尺寸微縮來提高芯片性能的技術路徑在功耗和可靠性方面都面臨巨大挑戰，芯片的發展速度無法滿足人工智能需求。算力發展無法滿足人工智能的需求數據來源：CSDN，Intel，Nvidia，OpenAI，清華大學微電子學研究所摩爾定律陷入發展瓶頸數據來源：Salahuddin,S.,Ni,K.&Datta,S.(2018)，傳統計算架構面臨發展挑戰0212 馮 諾依曼架構：該架構以計算為中心，計算與內存是兩個分離單元。計算單元根據指令從內存中讀取數據，在計算單元中完成計算和處理，完成后再將數據存回內存。先進制程的優勢有限：隨著摩爾定理發展放緩，基于傳統架構的芯片計算性能發展速度明顯放緩?；趥?/p>

13、統架構的先進制程工藝雖一定程度能夠提升芯片的性能表現，但從投入產出比、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。CISC 22%/年RISC 52%/年多核技術發展期 23%/年多核技術瓶頸期 12%/年摩爾定理放緩 3%/年計算性能數據來源：清華大學微電子學研究所，J.Hennessy&D.Patterson,2019馮諾依曼架構控制器運算器輸出輸入存儲器馮 諾依曼瓶頸 在傳統架構下，從7nm到5nm的研發成和生產成本約增加50%，但性能提升只有10%-20%；聯電、格羅方德等芯片制造商已經放棄先進制程，轉而聚焦在14nm制程上 隨著集成電路尺寸進一步縮小，芯片的性能可靠性受到

14、挑戰，由“短溝道效應”和“量子隧穿效應”等引發的芯片漏電，高功耗，產品發熱問題引發關注。先進工藝下盡管芯片擁有大算力，但同時也產生了高能耗，對于功耗敏感的應用場景，先進制程不占優勢。數據來源：Insights，量子位存算一體芯片深度報告，CSDN傳統構架下性能提升達到極限存算一體是先進算力的代表技術0213 存算一體是先進算力的代表技術：傳統構架下性能提升達到極限，馮 諾依曼架構已成為發展芯片算力的桎梏，存算一體是一種新型計算架構，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據搬運環節，消除了由于數據搬運帶來的功耗和延遲，提升計算能效。存算一體陣列存算一體陣列存

15、算一體陣列存算一體陣列輸出輸入降成本提算力降能耗算力提升10-100倍能耗降低至1/10-1/100傳輸功耗約為0數據來源：量子位存算一體芯片深度報告存儲單元變成運算單元運算單元的數量級增加算力提升同樣數量的晶體管完成更大算力同等算力所需晶體管更少，芯片面積更小成本降低省去了頻繁數據搬運帶來的功耗損失降能耗存算一體架構HBM/DRAM03Partone14DRAM的應用場景主要有智能手機、PC、服務器031530%32%34%36%38%40%42%44%20192020202120222023E2024EServer DRAMMobile DRAM智能手機,39%服務器,34%PC,13%其

16、他,14%2021年全球DRAM下游應用占比服務器與移動DRAM產出比重資料來源：華經產業研究院，TrendForce，浙商證券研究所DRAM市場前景2018年620億美元1219億美元2026年市場驅動力居家辦公在線學習家居智能化無人駕駛5G云計算增量應用市場PC智能電視汽車電子基站與網絡設備服務器IoT機頂盒智能手機主要DRAM廠商PC三巨頭PC其他廠商大陸HBM是什么：屬于DRAM的一種新技術0316HBM（High Bandwidth Memory，高帶寬內存）是一款新型的CPU/GPU 內存芯片，其實就是將很多個DDR芯片堆疊在一起后和GPU封裝在一起，實現大容量，高位寬的DDR組合

17、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，而是通過中間介質層緊湊而快速地連接，同時HBM內部的不同DRAM采用TSV實現信號縱向連接，HBM具備的特性幾乎與片內集成的RAM存儲器一樣。數據來源：半導體產業縱橫、半導體行業觀察、浙商證券研究所6.4281283074108193.271.12.43.26.40123456780100200300400500600700800900最高帶寬（GB/S）單引腳最大I/O速度（Gbit/s）HBM堆疊結構HBM高速、高帶寬性能指標HBM2HBM2EHBM3各代HBM產品的數據傳輸路徑配置HBM與DDR、GDDR、LPDDR

18、等DRAM分支的參數對比0317GDDR5內存每通道位寬32bit，16通道總共512bit;目前主流的第二代HBM2每個堆?？梢远阎炼?層DRAM die，在容量和速度方面有了提升。HBM2的每個堆棧支持最多1024個數據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。數據來源：算力基建、浙商證券研究所DDR4 DDR5 HBM2GDDR5LPDDR4LPDDR5ApplicationsServersPCsconsumerServersPCsconsume

19、rGraphics,HPCGraphicsMobile,auto,consumerMobile,auto,consumerTypical interface(primary)Server:64+8 bitsServer:dualchannel,32+8 bitsOctal channel,128-bit(1024 bits total)Multi-channel,32-bitsMobile:quad channel,16-bit(64-bits total)Mobile:quad channel,16-bit(64-bits total)Typical interface(secondary)

20、Consumer:32 bitsConsumer:32 bitsNoneNoneDual channel,16-bit(32-bits total)Dual channel,16-bit(32-bits total)Max Pin BW3.2 Gb/s6.4 Gb/s2.02.4 Gb/s8Gbs4.267Gb/s6.4Gb/sMax I/F BW25.6 GB/s51 GB/s307 GB/s32 GB/s34 GB/s51 GB/s#Pins/channel380 pins380 pins2,860 pins170 pins350 pins370 pinsMax capacity3DS R

21、DIMM:128GB3DS RDIMM:256GB4H Stack:4GBOne channel:1GB4 channels:2GB4 channels:4GBPeak volumes*Price per GB$全球HBM廠商：傳統DRAM巨頭升級競賽0318全球HBM芯片市場目前以SK海力士與三星為主SK海力士HBM技術起步早，2014年在業界首次成功研發HBM1，確立領先地位，2022年HBM3芯片供貨英偉達，持續鞏固其市場領先地位。三星緊隨其后，2022年HBM3技術已經量產。從HBM1到HBM3，SK海力士和三星一直是HBM行業的領軍企業。目前，HBM4的相關預測數據已經出爐，預計新一

22、代產品將能夠更廣泛地應用于高性能數據中心、超級計算機和人工智能等領域。SK海力士:SK海力士與AMD聯合開發了全球首款硅通孔（TSV,Through Silicon Via）HBM產品。兩家公司還聯合開發了高帶寬三維堆疊存儲器技術和相關產品。201420162018202020212022三星:宣布開始量產4GB HBM2 DRAM，并在同一年內生產8GB HBM2 DRAM三星:宣布開始量產第二代8GB HBM2“Aquabolt”SK海力士：發布第二代HBM產品HBM2SK海力士:宣布成功研發出新一代“HBM2E”三星：宣布推出其16GB HBM2E產品“Flashbolt”美光：在財報會

23、議上表示，將開始提供HBM2內存/顯存，用于高性能顯卡，服務器處理器產品SK海力士：開發出全球首款HBM3三星：開發出具有AI 處理能力的高帶寬內，將強大的 AI 計算能力引入高性能內存（HBM-PIM）美光：HBM2E產品上市，規劃2022HBMNEXT產品SK海力士：量產全球首款HBM3 DRAM芯片，并將供貨英偉達，持續鞏固其市場領先地位。三星：HBM3技術已經量產，其單芯片接口寬度可達1024bit，接口傳輸速率可達6.4Gbps數據來源：SKhynix NEWSROOM、美光官網、三星官網、半導體行業觀察、浙商證券研究所NAND04Partone19NAND：主流閃存芯片0420數據

24、來源：兆易創新招股說明書、電巢、浙商證券研究所閃存芯片是最主要的存儲芯片，主要為 NOR Flash 和 NAND Flash 兩種。NOR Flash 主要用來存儲代碼及部分數據，是手機、PC、DVD、TV、USB Key、機頂盒、物聯網設備等代碼閃存應用領域的首選。NAND Flash 可以實現大容量存儲、高寫入和擦除速度、相當擦寫次數，多應用于大容量數據存儲，例如智能手機、平板電腦、U 盤、固態硬盤等領域。NAND 存儲器使用浮柵晶體管，它能在沒有電源的情況下存儲信息。所有的電路都依賴于某種能量來使整個電池的電荷產生差異，這種能量迫使電子穿過柵極。隨著這種電荷返回到關閉狀態，隨機存取存儲

25、器(RAM)等易失性類型的存儲器會丟失其數據。但是Nand閃存就不同了，它的浮動柵極系統通過使用第二個柵極在電子穿過電池時收集和捕獲一些電子，這使得粘在浮柵上的電子在沒有電壓的情況下保持原位，在這一過程中不管是否有電源連接，芯片都能繼續存儲下一個值。NAND Flash 工作方式NAND Flash 結構閃存的存儲單元結構（橫截面）。存儲單元是數據存儲的最小單位，目前閃存已經由數千億個存儲單元組成。通過將電子移入和移出封閉在絕緣體中的電荷存儲膜來存儲數據。右圖解釋了電子是如何移入和移出該電荷存儲膜，3D NAND：高樓大廈平地起0421數據來源：電巢、peacat、浙商證券研究所3D NAND

26、,即立體堆疊技術，如果把2D NAND看成平房，那么3D NAND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，而閃存的容量/性能/可靠性也有了保障。日前三星宣布，已開始批量生產采用第8代V-NAND技術的產品，為1Tb（128GB）TLC 3D NAND閃存芯片，達到了236層，相比第7代V-NAND技術的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界內最高的位密度，可在下一代企業服務器系統中實現更大的存儲空間。三維 NAND 單元的階梯通孔接觸2D與3D NAND對比圖0422NAND Flash

27、 為大容量數據存儲的實現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方案。NAND Flash 是使用電可擦技術的高密度非易失性存儲，NAND Flash 每位只使用一個晶體管，存儲密度，Flash 所存的電荷（數據）可長期保存；同時，NAND Flash 能夠實現快速讀寫和擦除。3D NAND是低成本/大容量非易失存儲的主流技術方案數據來源：江波龍招股說明書，浙商證券研究所全球NAND Flash市場規模2020年NAND Flash市場份額0423與2D NAND縮小Cell提高存儲密度不同的是，3D NAND只需要提高堆棧層數，目前多種工藝架構并存。從2013年三星

28、推出了第一款24層SLC/MLC 3D V-NAND，到現在層數已經邁進200+層，并即將進入300+層階段。目前，三星/西部數據/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，韓系三星/海力士的CTF，美系鎂光/英特爾的FG，國內長江存儲的X-tacking。3D NAND持續追求高堆棧層數，多種工藝架構并存數據來源：長江存儲官網，Techinsights，浙商證券研究所3D NAND制造工藝的關鍵步驟0424高堆棧層數的3D NAND面臨的工藝難度越來越高數據來源：Web of Science，國科大，CNKI，浙商證券研究所隨著堆棧層數的增加，工藝也面臨越來越

29、多的挑戰，對制造設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：隨著器件層數增加，薄膜應力問題越發凸顯，會影響后續光刻對準精度；（2）高深寬比通孔刻蝕：隨著深寬比增加，刻蝕難度會顯著增加，容易出現刻蝕不完全、通孔結構扭曲等問題；（3）WL臺階的設計與刻蝕：垂直管狀環柵結構的器件需要刻蝕出精確的臺階結構，保障CT能打到對應位置，而隨著層數增加，工藝難度加大，需要重新設計WL臺階結構。WL臺階的設計與刻蝕ONON/OPOP多層堆疊高深寬比通孔刻蝕風險提示251、宏觀經濟下行超預期風險：若宏觀經濟下行并超出預期，將影響整個產業鏈；2、上游晶圓緊缺加劇的風險：若本土晶圓廠擴

30、產進度不及預期，將影響芯片供給；3、市場發展不及預期的風險：若人工智能發展所帶來的催化作用不及預期，將影響下游需求；4、技術發展不及預期風險：若技術發展不及預期，將影響行業發展趨勢。點擊此處添加標題添加標題點擊此處添加標題點擊此處添加標題點擊此處添加標題點擊此處添加標題點擊此處添加標題添加標題點擊此處添加標題點擊此處添加標題添加標題點擊此處添加標題添加標題95%行業評級與免責聲明26行業的投資評級以報告日后的6個月內，行業指數相對于滬深300指數的漲跌幅為標準，定義如下：1、看好：行業指數相對于滬深300指數表現10%以上；2、中性：行業指數相對于滬深300指數表現10%10%以上；3、看淡：

31、行業指數相對于滬深300指數表現10%以下。我們在此提醒您，不同證券研究機構采用不同的評級術語及評級標準。我們采用的是相對評級體系，表示投資的相對比重。建議：投資者買入或者賣出證券的決定取決于個人的實際情況，比如當前的持倉結構以及其他需要考慮的因素。投資者不應僅僅依靠投資評級來推斷結論行業評級與免責聲明27法律聲明及風險提示本報告由浙商證券股份有限公司（已具備中國證監會批復的證券投資咨詢業務資格，經營許可證編號為：Z39833000）制作。本報告中的信息均來源于我們認為可靠的已公開資料，但浙商證券股份有限公司及其關聯機構（以下統稱“本公司”）對這些信息的真實性、準確性及完整性不作任何保證，也不

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