存儲 IC——現代信息技術的基石

存儲器可以說是大數據時代的基石。存儲器就類似于鋼鐵之于現代工業，是名副其實的電子行業“原材料”。計算機中的全部信息，包括輸入的原始數據、計算機程序、中間運行結果和最終運行結果都保存在存儲器中。

從大類上看，存儲器可以分為光學存儲器、半導體存儲器、磁性存儲器。半導體存儲器是目前最主要的存儲器類別， 以斷電后存儲數據是否丟失為標準， 半導體存儲芯片可分兩類：一類是非易失性存儲器，這一類存儲器斷電后數據能夠存儲，主要以 NAND Flash 為代表，常見于 SSD（固態硬盤)；另一類是易失性存儲器，這一類存儲器斷電后數據不能儲存，主要以 DRAM 為代表，常用于電腦、手機內存。除了 NAND Flash 和 DRAM，還包含其他門類，例如 Nor Flash、 SRAM、 RRAM、 MRAM、 FRAM 等。

▲存儲器的分類

存儲器行業屬于強周期性行業，從歷史表現上看，存儲器行業總是處于交替出現的漲跌循環之中。存儲器行業的波動劇烈，其產業周期強于電子市場及電子元器件市場整體的周期性，暴漲暴跌的情況可謂常態。

從產值構成來看， DRAM、 NAND Flash、 NOR Flash 是存儲器產業的核心部分。這緣于一方面性能不斷提升的手機操作系統及日益豐富的應用軟件極大地依賴于手機嵌入式閃存的容量；另一方面，萬物互聯等新技術的涌現推動數據量的急速膨脹。

▲主要存儲器產品

受益于上述兩因素， 2018 年全球半導體營收去年達 4779.36 億美元，主要貢獻來自于存儲芯片。存儲芯片占半導體總營收的比重從 2017 年的 31%上升至了 2018 年的 34.8%，占比最大。 CAGR 明顯高于集成電路整體市場 CAGR，從存儲芯片內部結構看， DRAM 占比 57.1%， NAND Flash 占比 39.49%， NOR Flash占比 3.41%。

1、DRAM

在半導體科技極為發達的***，內存和顯存被統稱為記憶體，即動態隨機存取記憶體(DRAM)， DRAM是最常見的存儲器，只能將數據保持很短的時間。為了保持數據，使用電容存儲，所以必須隔一段時間刷新一次，如果存儲單元沒有被刷新，存儲的信息就會丟失。

DRAM 是相對于 SRAM 而產生的， SRAM（靜態隨機存儲器)是隨機訪問存儲器的一種, 這種存儲器只要保持通電，里面儲存的數據就可以恒常保持。 SARM 的優勢是訪問速度快、功耗非常低，缺陷是單位存儲密度不足，成本較高, 因而不適合用于更高儲存密度低成本的應用，如 PC 內存。 DRAM 除了兼具SRAM 特點外還擁有非常高的密度，單位體積的容量較高，因此成本較低，幾乎適用于任何帶有計算平臺的個人消費類或工業設備，從筆記本電腦和臺式電腦到智能手機和許多其他類型的電子產品等。

▲SRAM和DRAM 內部結構圖

隨著 CPU 性能的不斷提高，終端產品內存也需要逐步升級，高性能的內存搭配高性能的 CPU 才能最大的發揮它的價值與優勢， DRAM 發展到現在已歷經了五代，從第一代 SDRAM，到如今的第五代 DDR4SDRAM。 DRAM 沿著傳輸速率更大，總線計時器更多，預讀取量更大，數據傳送速率更快，供電電壓更小的方向發展。

▲SRAM、 DRAM、 SDRAM、 DDR3、 DDR4 參數對比

▲DRAM 傳輸速度跟隨 CPU 性能提升不斷提高

從行業上看，早期計算機應用占了整個 DRAM 產業高達 90%份額， 2016 年開始伴隨大容量智能手機崛起，手機逐漸取代 PC 成為 DRAM 產業的主流，同時云服務器 DRAM 需求涌現的帶動是功不可沒的推手，包括 Facebook、 Google、 Amazon、騰訊、阿里巴巴等不斷擴充網路存儲系統，對于云存儲、云計算的 需求提升，都帶動服務器 DRAM 需求起飛，目前 DRAM 行業一直被美韓三大存儲器公司壟斷,三星、海力士、美光占據了全球市場的 95%以上。

▲主要 DRAM 存儲器公司

DRAM 節點尺寸目前是由器件上最小的半間距來定義的，美光 DRAM 基于字線，三星和 SK 海力士則基于主動晶體管，美光科技、 三星和 SK 海力士作為 DRAM 市場的主導廠商，這三家公司擁有各自的工藝節點。由于解決了這些技術節點問題，美韓三大廠商憑借領先的工藝水平拉開了與其它存儲器廠商的差距。

2、 NAND Flash

NAND Flash 是 Flash 存儲器中最重要的一種，其內部采用非線性宏單元模式，為固態大容量內存的實現提供了廉價有效的解決方案。 NAND Flash 存儲器具有容量較大，改寫速度快等優點，適用于大量數據的存儲。

Flash 的內部由金屬氧化層、半導體、場效晶體管(MOSFET)構成，里面有個懸浮門(Floating Gate)，是真正存儲數據的單元。數據在 Flash 內存單元中是以電荷(electrical charge) 形式存儲的。存儲電荷的多少，取決于圖中的控制門（Control gate）所被施加的電壓，它控制的是向存儲單元中沖入電荷還是使其釋放電荷。而數據的表示，以所存儲的電荷的電壓是否超過一個特定的閾值 Vth 來表示。對于 NAND Flash 的寫入（編程)，就是控制 Control Gate 去充電（對 Control Gate 加壓），使得懸浮門存儲的電荷夠多，超過閾值Vth，就表示 0。對于 NAND Flash 的擦除(Erase)，就是對懸浮門放電，低于閥值 Vth，就表示 1。

▲Flash 的內部存儲結構

▲NAND Flash 架構圖

NAND FLASH 內部依靠存儲顆粒實現存儲，里面存放數據的最小單位叫 cell。每個儲存單元內儲存 1 個信息位（bit），稱為單階儲存單元（SLC）， SLC 閃存的優點是傳輸速度更快，功率消耗更低和儲存單元的壽命更長，成本也就更高。每個儲存單元內儲存 2 個 bit，稱為多階儲存單元（MLC），與 SLC 相比，MLC 成本較低，其傳輸速度較慢，功率消耗較高和儲存單元的壽命較低。每個儲存單元內儲存 3 個 bit 稱為三階儲存單元（TLC），存儲的數據密度相對 MLC 和 SLC 更大，所以價格也就更便宜，但使用壽命和性能也就更低。由于存儲數據量的不用，導致 SSD 從可擦寫次數、讀取時間、編程時間、擦寫時間存在差異。

▲閃存芯片存儲原理

▲SLC、 MLC、 TLC 性能對比

從工藝上看， NAND Flash 可以分為 2D 工藝和 3D 工藝，傳統的 2D 工藝類似于“一張紙”，但“一張紙”的容量是有瓶頸的，三星、英特爾、美光、東芝四家閃存大廠為了滿足大容量終端需求，均開始研發多層閃存（3D NAND Flash），英特爾和美光引入市場的 3D Xpoint 是自 NAND Flash 推出以來，最具突破性的一項存儲技術，它通過單層存儲器堆疊突破了 2D NAND 存儲芯片容量的極限，大幅提升了存儲器容量，因此技術 3D NAND 具備了四個優勢：一是比 2D NAND Flash 快 1000 倍；二是成本只有 DRAM 的一半；三是使用壽命是 2D NAND 的 1000 倍；四是密度是傳統存儲的 10 倍。

除了傳統存儲巨頭三星電子、 SK 海力士、美光科技，東芝和西部數據也是 NAND FLASH 領域不可忽視的重要力量。

▲主要 NAND FLASH 公司

應用領域看， NAND-FLASH 廣泛應用于固態硬盤(SSD), 固態硬盤按照存放數據最小單位 bit 來劃分主要可以分為 SLC-SSD、 MLC-SSD 和 TLC-SSD 三類。 SLC-SSD 具有高速寫入，低出錯率，長耐久度特性，主要針對軍工、企業級存儲。 MLC-SSD 和 TLC-SSD 固態硬盤的應用主要針對消費級存儲，有著 2倍、 3 倍容量于 SLC-SSD， 同時具備低成本優勢，適合 USB 閃盤，手機等。

▲NAND FLASH 主要應用領域

整體上來看， DRAM 和 NAND FLASH 占據了存儲芯片市場 96%以上的份額， NOR Flash 由于存儲容量小，應用領域偏重于代碼存儲，在消費級存儲應用上已出現被 NAND 閃存替代的趨勢，目前僅應用于功能性手機，機頂盒、網絡設備、工業生產線控制上。

由于存儲行業終端用戶的 IT 需求往往是綜合計算、網絡、存儲三方面，廣泛分布于所有對數據存儲有需求的各行各業，涵蓋了國民經濟的大部分領域，市場規模和發展潛力巨大。

公司層面，由于未來以 DRAM 和 NAND FLASH 為主導的存儲器行業趨勢仍將延續，海外存儲器巨頭三星電子、 SK 海力士、美光科技、西部數據、東芝憑借三個先發優勢：國家資本支持，數量龐大的技術專利，對下游終端行業多年的滲透，控制了中高端存儲器市場，未來仍將繼續角逐存儲器行業。