3D NAND Flash驅(qū)動存儲芯片行業(yè)重大變局

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2016-09-01 15:39:46

摘自:OFweek電子工程網(wǎng)

未來隨著智能機(jī)的容量逐漸提升和3D NAND FLASH的逐漸量產(chǎn),3D NAND FLASH將以其性能和容量優(yōu)勢獲得更高的智能機(jī)移動終端的市場占有率。

存儲器是半導(dǎo)體三大支柱產(chǎn)業(yè)之一。據(jù)IC Insights數(shù)據(jù),2015年半導(dǎo)體存儲器市場總額達(dá)835億美元。各類存儲器中,NAND Flash是一個亮點(diǎn)。其廣泛應(yīng)用于PC、手機(jī)、服務(wù)器等各類電子產(chǎn)品,2015年?duì)I收達(dá)到267億美元,占半導(dǎo)體存儲器市場總額的32%。

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目前的閃存多屬于Planar NAND平面閃存,也叫有2D NAND或者直接不提2D,而3D閃存,顧名思義,就是它是立體堆疊的,Intel之前用蓋樓為例介紹了3D NAND,普通NAND是平房,那么3D NAND就是高樓大廈,建筑面積一下子就多起來了,理論上可以無線堆疊。

3D NAND技術(shù)與現(xiàn)有的2D NAND(納米制程技術(shù))截然不同,2D NAND是平面結(jié)構(gòu)而3D NAND是立體結(jié)構(gòu),3D結(jié)構(gòu)是以垂直半導(dǎo)體通道的方式排列,多層環(huán)繞式柵極(GAA)結(jié)構(gòu)形成多電柵級存儲器單元晶體管,可以有效的降低堆棧間的干擾。3D NAND閃存也不再是簡單的平面內(nèi)存堆棧,這只是其中的一種,還有VC垂直通道、VG垂直柵極等兩種結(jié)構(gòu)。

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  優(yōu)勢明顯:適應(yīng)小體積、大容量的市場需求

2D NAND工藝逼近物理極限,單位面積存儲容量難以繼續(xù)提高,且可靠性降低,2D NAND向3D NAND轉(zhuǎn)型是業(yè)界趨勢。目前NAND FLASH的制造技術(shù)達(dá)到16~19納米工藝,已接近極限,進(jìn)一步壓縮尺寸會帶來極高的成本且導(dǎo)致存儲位不再穩(wěn)定可靠。

表格1.FLASH 原廠納米制程技術(shù)時(shí)程圖

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近年來,為了適應(yīng)小體積、大容量等市場需求,NAND FLASH制造技術(shù)向3D技術(shù)發(fā)展。3D NAND FLASH通過增加立體硅層的辦法,既提高單位面積存儲密度,又改善存儲單元性能。3D NAND FLASH不僅能夠增加容量,也可以將成本控制在較低水平。3D NAND比20納米級產(chǎn)品的容量密度高,讀寫速度快,耗電量節(jié)省,采用3D NAND Flash存儲器的固態(tài)硬盤(SSD)其電路板面積也較小。根據(jù)中國閃存市場網(wǎng)估計(jì),3D技術(shù)不僅使產(chǎn)品性能至少提升20%,而且功耗可以降低40%以上。根據(jù)三星在SSD峰會所述,TLC V-NAND閃存相比傳統(tǒng)的平面閃存的密度提升了1倍。

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目前3D NAND的堆棧層數(shù)不過32-48層,廠商們還在研發(fā)64層甚至更高層數(shù)的堆棧技術(shù)。2016年開始3D NAND FLASH將逐步對NAND FLASH進(jìn)行替代。

表格2.目前主流3D NAND芯片堆棧層數(shù)

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全球晶圓廠最大成長動力來自3D NAND

據(jù)SEMI數(shù)據(jù),全球晶圓廠就支出成長率來看,最大成長動力來自3D NAND(包括3DXPoint)。2014年支出為18億美元,到2015年倍增至36億美元,成長幅度高達(dá)101%。2016年支出將再增加50%,上揚(yáng)56億美元以上。

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  三星領(lǐng)跑,差距有限,存在彎道超越機(jī)會

規(guī)模量產(chǎn)難度大,目前僅三星能規(guī)模量產(chǎn)

NAND Flash領(lǐng)域霸主三星市占率穩(wěn)定在31~35%左右,并擁有獨(dú)家3DNANDFlash堆疊技術(shù)。

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三星在2013年8月宣布進(jìn)入3D NAND量產(chǎn),2014年第1季正式于西安工廠投產(chǎn)。就目前3D NAND Flash原廠投產(chǎn)情況來看,2016年只有三星能夠?qū)崿F(xiàn)48層3DNAND規(guī)?;慨a(chǎn)。三星3DNAND每月產(chǎn)能約在2萬~4萬片之間,約占三星總體NAND產(chǎn)能的9~18%。

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  表格3.2015年Flash原廠廠能投產(chǎn)情況:僅三星能夠規(guī)模量產(chǎn)3D NAND

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  48層:2D技術(shù)向3D技術(shù)最佳的成本效益切換點(diǎn)

3D技術(shù)若采用32層堆疊NANDFlashDie容量達(dá)128Gb,與主流2D1y/1znm128Gb相比缺乏成本競爭力。隨著3D技術(shù)的發(fā)展,采用48層堆疊則可將NANDFlashDie容量提升至256Gb,突破2DNAND128Gb容量,且較32層3DNAND更有成本和性能優(yōu)勢,這也是Flash原廠在2016年擴(kuò)大48層量產(chǎn)或加快導(dǎo)入步伐的主要原因,使得2D技術(shù)向3D技術(shù)切換點(diǎn)恰好擁有最佳的成本效益。目前后進(jìn)入3D領(lǐng)域的企業(yè)均積極在48層3D領(lǐng)域追趕三星。

東芝48層3DNAND今年才剛進(jìn)入規(guī)模量產(chǎn)階段,美光、海力士預(yù)計(jì)要等到2016下半年才能夠投入生產(chǎn)。英特爾將位于大連的邏輯芯片12寸廠改造為3DNANDFlash工廠,砸55億美元升級產(chǎn)能,致力發(fā)展相關(guān)技術(shù),計(jì)劃今年下半年生產(chǎn)3DNAND和Xpoint。國內(nèi)的武漢新芯專注于NAND生產(chǎn),與美企Spanion簽訂3D NAND授權(quán)協(xié)議,目前成為240億美元國家存儲器基地投資計(jì)劃的受益者,預(yù)計(jì)2017年底就能取得48層3DNAND的驗(yàn)證,2018年進(jìn)行量產(chǎn)。紫光國芯2015年11月發(fā)布800億定增公告,其中存儲器芯片制造項(xiàng)目采用定增資金600億(總投資932億)。

表格4.3D NAND FLASH 廠商情況

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各廠商與三星技術(shù)差距僅1~3年,三星霸主地位受挑戰(zhàn)

三星3DNAND技術(shù)領(lǐng)先對手1~3年,各方增產(chǎn)之下,差距大幅縮小,明年3DNAND擴(kuò)產(chǎn)大戰(zhàn)將更加白熱化,三星可能不會增建產(chǎn)線,以提高生產(chǎn)力為主,應(yīng)對戰(zhàn)局。

其中與三星技術(shù)差距最小的是東芝公司。據(jù)EETimes的報(bào)導(dǎo),三星與東芝(Toshiba)之間尚有1年的技術(shù)差距,由于東芝3DNANDFlash目前仍處于樣品水準(zhǔn),而三星已進(jìn)入量產(chǎn)階段。樣品與量產(chǎn)之間的技術(shù)差距大約為1年。

東芝存儲器事業(yè)的副社長成毛康雄表示,將沖刺N(yùn)AND Flash產(chǎn)量,目標(biāo)在2018年度將NAND Flash產(chǎn)量擴(kuò)增至2015年度的3倍水平(以容量換算)。成毛康雄還指出,將強(qiáng)化3D NAND Flash的生產(chǎn),目標(biāo)在2017年度將3D產(chǎn)品占整體生產(chǎn)比重提高至5成,2018年度進(jìn)一步提高至9成左右水平。東芝打算與Western Digital在未來三年攜手,對3D NAND Flash投資1.5兆日元,相當(dāng)于146億美元。

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國內(nèi)的武漢新芯在中科院微電子所等合作幫助下己經(jīng)做成9層3DNAND的樣品,非常有信心在2018年實(shí)現(xiàn)48層的量產(chǎn),這樣與三星之間也就差距在3年左右。2015年5月,武漢新芯的3D NAND項(xiàng)目有了重要進(jìn)展:第一片測試芯片通過存儲器電學(xué)驗(yàn)證。此后,武漢新芯在更高疊層的產(chǎn)品工藝研發(fā)上取得了溝道電流大幅提升、存儲單元性能和可靠性持續(xù)優(yōu)化等更多突破性進(jìn)步。

據(jù)報(bào)導(dǎo),240億美金(約1600億元人民幣)的“光谷”存儲器基地2018年將實(shí)現(xiàn)3D NAND存儲器的首次量產(chǎn),2020年形成月產(chǎn)能30萬片的生產(chǎn)規(guī)模,其中20萬片3D NAND Flash和10萬片DRAM,2030年預(yù)計(jì)達(dá)到每月產(chǎn)能100萬片。

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由于資金壁壘和技術(shù)壁壘較大,潛在入侵者較少。未來3D NAND FLASH競爭將集中在業(yè)內(nèi)已有企業(yè)中。由于霸主三星技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢不大,僅1~3年,而大部分業(yè)內(nèi)企業(yè)均投入大量資金建設(shè)工廠和研發(fā)技術(shù),因而未來三星霸主地位會受到挑戰(zhàn)。

表格5.國際大廠2016年預(yù)計(jì)3D NAND產(chǎn)能及比重

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  預(yù)計(jì)2017年3D NAND FLASH供給約650GB規(guī)模

基于上游Flash原廠更先進(jìn)的1znm/3D NAND技術(shù)生產(chǎn),中國閃存市場網(wǎng)ChinaFlashMarket預(yù)計(jì)2016年NAND Flash市場供應(yīng)量將達(dá)到1200億GB當(dāng)量,較2015年成長40%,2017年將超過1600億GB。

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其中,3D NAND FLASH市場發(fā)展非常迅速。以三星西安廠為例,根據(jù)Digital Times的報(bào)導(dǎo),3D需求的增加超過了預(yù)期,例如三星西安廠的3D NAND FLASH從2014年月產(chǎn)1~2萬片,到2015年第3季已經(jīng)上升到5萬片的水平,伴隨良率上升,目前遠(yuǎn)超過當(dāng)初每月預(yù)估值6萬~7萬片,2016年達(dá)到每月10萬片。

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隨著未來多家廠商逐漸量產(chǎn),3D NAND FLASH將逐漸成為NAND Flash主流。市調(diào)機(jī)構(gòu)IHS指出,全球NAND Flash市場上,2015年3D NAND比重約為4.5%,2016年則將快速提升到21%,到2017年則將達(dá)到40%,2018年3D NAND比重將達(dá)到50%,逐漸成為NAND Flash主流產(chǎn)品。 根據(jù)中國閃存市場網(wǎng)和IHS數(shù)據(jù),我們預(yù)計(jì)2017年3D NAND FLASH約640億GB規(guī)模。‘

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  電腦SSD和智能移動終端驅(qū)動行業(yè)需求

3D NAND FLASH行業(yè)需求旺盛,智能手機(jī)和電腦SSD需求是最主要的兩大需求,目前3D NAND FLASH在SSD市場已占據(jù)半壁江山,在智能手機(jī)市場中剛起步,未來幾年市場空間廣闊。同時(shí)我們預(yù)計(jì)2017年3D NAND FLASH市場不存在產(chǎn)能過剩問題,存儲芯片廠商能穩(wěn)定獲利。

電腦SSD和智能移動終端需求是3D NAND占比最大的需求

NAND FLASH用途廣泛,可用于SSD、SD卡、智能機(jī)、平板等。其中電腦SSD和智能移動終端需求最大,兩者占產(chǎn)能分布的比例接近80%。3D NAND FLASH最大的需求也是智能移動終端和電腦SSD需求。

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  智能移動終端需求:蘋果256GB容量率先使用3D NAND FLASH

在市場需求方面,在蘋果、三星引領(lǐng)旗艦智能型手機(jī)向128GB大容量發(fā)展的趨勢下,2016上半年Galaxy S7、華為Mate 8、小米5、vivo Xplay 5、OPPO R9 Plus等紛紛增加128GB容量選擇,從而推動32GB、64GB、128GB成為中高端智能型手機(jī)標(biāo)配容量,下半年蘋果新iPhone將增加256GB大容量,且最低搭配容量從32GB起跳,中國閃存市場網(wǎng)預(yù)計(jì)新iPhone容量分配為256GB(10%)、128GB(50%)、64GB(30%)、32GB(10%),將在7月份首批備貨1500萬臺。

基于3D NAND性能和容量優(yōu)勢,三星3D NAND產(chǎn)能將主要用于需求快速增長且利潤較高的SSD,以及生產(chǎn)256GB大容量UFS 2.0和閃存卡產(chǎn)品,而且三星48層V-NAND已經(jīng)通過了蘋果認(rèn)證,新iPhone搭載的256GB容量由三星獨(dú)家供應(yīng),預(yù)計(jì)Q3開始供貨。

未來隨著智能機(jī)的容量逐漸提升和3D NAND FLASH的逐漸量產(chǎn),3D NAND FLASH將以其性能和容量優(yōu)勢獲得更高的智能機(jī)移動終端的市場占有率。

中國閃存市場網(wǎng)ChinaFlashMarket預(yù)計(jì)2016年手機(jī)市場內(nèi)置存儲容量平均為26GB,2017年將增加至34.5GB,再加上平板、OTT盒子、電視等應(yīng)用,預(yù)估2016年智能機(jī)移動終端大約消耗41%的產(chǎn)能,依然是NAND Flash應(yīng)用最大的產(chǎn)品。

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  SSD需求:3D NAND FLASH已擁有較高市場占有率

SSD市場快速增長,3D NAND占據(jù)用戶端SSD半壁江山

大數(shù)據(jù)時(shí)代,SSD需求量快速增長,3DNAND大容量和高性能特性可為SSD帶來更高的性能表現(xiàn)。Gartner資料指出,2014年全球SSD市場規(guī)模為305億美元,2015年328億美元、2016年347億美元、2017年409億美元等,逐年增長。Forward Insights創(chuàng)始人兼首席分析師Gregory Wong先生表示,今年3D NAND已幾乎占據(jù)用戶端SSD市場半壁江山。

據(jù)市場研究公司IHS預(yù)測,到2017年,SSD將占整個計(jì)算機(jī)存儲市場份額的三分之一以上,出貨量幾乎是2012年出貨量的七倍。2012年固態(tài)硬盤出貨量3100萬塊,僅占全球計(jì)算機(jī)存儲解決方案市場份額的6%。2017年全球固態(tài)硬盤出貨量將從2012年的3100萬塊增長到2.27億塊,在五年時(shí)間里迫使傳統(tǒng)硬盤的市場份額從2012年的94%下降到只有64%。固態(tài)硬盤在這段時(shí)間的爆炸式增長相當(dāng)于大約每年48%的增長率并且將使固態(tài)硬盤成為傳統(tǒng)硬盤有前途的替代品。

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根據(jù)TrendForce數(shù)據(jù),SSD在2016年第一季度全球出貨量達(dá)到3077.7萬塊,同比飚升32.7%。據(jù)韓國信息通訊技術(shù)振興中心(IITP)統(tǒng)計(jì),SSD今年出貨量將成長16.9%,2020年出貨量有望從2015年的1.1億顆翻升至2.4億顆。

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高容量,高性能,高可靠性:3D SSD卓越的特性契合高性能數(shù)據(jù)存儲需求

SSD需求集中在消費(fèi)類和數(shù)據(jù)中心市場需求,說到底是對高性能數(shù)據(jù)存儲的需求。而就數(shù)據(jù)存儲而言,3D SSD優(yōu)勢非常明顯。

以三星為例,三星電子面向OEM廠商而設(shè)計(jì)的新型SSD,包括PM1633、PM1725和PM953,均采用三星3 bit MLC V-NAND閃存芯片,具有高性能、高可靠性和高容量等特性。

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  3D NAND 滲透進(jìn)了企業(yè)SSD和消費(fèi)SSD

以三星為例。三星2013年領(lǐng)先全球率先推出3D V-NAND后,目前仍然是唯一量產(chǎn)3D V-NAND業(yè)者。據(jù)IHS iSuppli統(tǒng)計(jì)資料,如果以數(shù)量而言,2015年企業(yè)用SSD市場中的3D V-NAND占比達(dá)10%(約124萬顆),在消費(fèi)者用SSD市場中,3D V-NAND占比為3%(約233萬顆),比之前的2%預(yù)估值高。

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IHS iSuppli估計(jì)3D V-NAND在企業(yè)用SSD中的占比,將從2015年的10%,大幅上升至2016年的40%、2017年的71%,3D V-NAND將漸漸成為SSD中的主流。在消費(fèi)者用SSD的占比將從2016年的18%、2017年的36%,上升到2018年的60%,預(yù)計(jì)3D V-NAND將在3年后成為消費(fèi)者用SSD中的潮流領(lǐng)導(dǎo)者。

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  3D NAND SSD 助力SSD滲透率逐步超越 HDD

硬盤廠商西部數(shù)據(jù)、希捷發(fā)布的2016年Q1財(cái)報(bào)顯示兩家公司HDD硬盤出貨量均銳減20%,只有4310萬塊和3920萬塊,創(chuàng)歷史新低。除了PC市場需求衰退因素,更重要的是2016年SSD價(jià)格累積下滑20%,需求持續(xù)爆發(fā)性增長正在吞噬硬盤的市場份額。

筆記本配置SSD已從2015年15%的比例提高到了現(xiàn)在的25%,零售市場240GB SSD與500GB HDD已同價(jià),用戶將HDD更換成SSD數(shù)量也在大增,同時(shí)小容量64GB SSD用戶正在向120GB和240GB容量升級。

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值得注意的是,2016年只有三星量產(chǎn)3D NAND TLC SSD產(chǎn)品,并且不對外銷售3D NAND顆粒和Wafer晶圓,市場SSD品牌廠商只能選擇2D TLC Flash和部分3D MLC生產(chǎn)SSD。但未來幾年內(nèi),伴隨著3D NAND FLASH的量產(chǎn),SSD廠商將選擇更多的3D產(chǎn)品,屆時(shí)SSD滲透率會有較大的提高。

就目前的情況看,除三星外,美光、SK海力士等也均宣布將在2016年推出基于3DNAND的SSD,英特爾更是研發(fā)先進(jìn)的3DXpoint技術(shù),在2016年推出搭載3DXpointNAND的Optane系列SSD新品。

此外,國際控制芯片廠Marvell的88NV1120、88NV1140、88SS1074等SSD控制芯片均支持3DTLCNAND,臺廠慧榮也推出了一款支持3DMLCNAND的SSD控制芯片SM2246EN,為非Flash原廠的SSD廠商提供SSD控制芯片支持,未來將有更多的3D SSD上市。

DRAMeXchange預(yù)期,隨著3D NAND Flash出貨比重開始攀升,SSD滲透率會有較大的提高。以筆記本電腦為例,DRAMeXchange預(yù)估2015年的筆記本電腦SSD滲透率將突破30%大關(guān),更可望在2017年超越50%。

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  預(yù)計(jì)2017年需求量達(dá)到2.81億個,產(chǎn)能能得到消化

今年蘋果首先推出使用3D NAND FLASH的256GB手機(jī),3D智能手機(jī)市場占比約1.2%(蘋果智能機(jī)市場占比11.8%*256GB預(yù)計(jì)占比10%=1.18%)。隨著人們對高容量手機(jī)的需求增長和量產(chǎn)后3D nand flash成本的降低,3D NAND FLASH需求將上升。根據(jù)IDC預(yù)計(jì),2017年智能手機(jī)出貨量將達(dá)16.81億部。假設(shè)未來三年3D NAND FLASH的手機(jī)出貨量占總出貨量的5%,10%,20%,按每部3D閃存手機(jī)配置一個3D NAND FLASH計(jì)算,則預(yù)計(jì)2017年3D NAND FLASH的需求量約為1.68億個(16.81*10%=1.681)。

Forward Insights創(chuàng)始人兼首席分析師Gregory Wong先生表示,今年3D NAND已幾乎占據(jù)用戶端SSD市場半壁江山。考慮到東芝、武漢新芯等公司加入3D NAND的生產(chǎn),我們預(yù)計(jì)未來三年3D SSD的市占率分別為55%,60%,65%。IHS預(yù)測到2017年,SSD出貨量預(yù)計(jì)將達(dá)到1.89億顆。以一個SSD配置一個3D NAND FLASH計(jì)算,我們預(yù)計(jì)2017年3D NAND FLASH在SSD方面的需求量為1.13億個(1.89*60%=1.134)。

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總的來看,預(yù)計(jì)2017年3D NAND FLASH需求約為2.81億顆(1.681+1.134=2.815),和目前略多于1.1億顆的市場相比,需求空間廣闊。

另外前文我們根據(jù)中國閃存市場網(wǎng)和IHS數(shù)據(jù),預(yù)計(jì)2017年3D NAND FLASH 640億GB規(guī)模。由于3D NAND主要用于256GB或更高容量的智能機(jī)和SSD,所以2017年3D NAND FLASH的供給大約是2.5億顆(640÷256=2.5)。市場需求2.81億個高于市場供給2.5億個,因而不存在3D NAND FLASH產(chǎn)能過剩問題,廠商能有穩(wěn)定的獲利。

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  存儲芯片行業(yè)供需狀況穩(wěn)定,過剩概率不大

傳統(tǒng)上存儲芯片市場周期性較為明顯

2015年因Flash原廠擴(kuò)大1ynmTLC量產(chǎn),以及受全球智能手機(jī)出貨量增長放緩,平板出貨下滑,PC需求持續(xù)不振等影響,中國閃存市場網(wǎng)ChinaFlashMarket數(shù)據(jù),NANDFlash綜合價(jià)格指數(shù)累積跌幅高達(dá)35%,再加上DRAM價(jià)格持續(xù)下跌,存儲產(chǎn)業(yè)鏈廠商營收成長均受到了一定的沖擊。

而2016年第一季度市場需求復(fù)蘇遲緩,NANDFlash價(jià)格依然持續(xù)跌勢,累積2個多月NANDFlash綜合價(jià)格指數(shù)跌幅達(dá)3.3%。

二季度以來,隨著上游Flash原廠3D技術(shù)量產(chǎn)不順以及產(chǎn)線轉(zhuǎn)換等影響,3D NAND產(chǎn)出相對有限,2D NAND產(chǎn)能供應(yīng)減少。在蘋果iPhone SE備貨、SSD強(qiáng)勁的需求帶動下,NAND Flash市場迎來首波漲價(jià)潮,NAND Flash綜合價(jià)格指數(shù)短時(shí)間內(nèi)上漲4%,打破了常規(guī)的傳統(tǒng)淡季。

隨著旺季即將到來,為了滿足SSD需求的增長以及中高端手機(jī)對內(nèi)嵌高容量的需求,F(xiàn)lash原廠對市場供應(yīng)的Wafer數(shù)量減少且提高15%的價(jià)格,5月下旬市場NAND Flash價(jià)格再次上漲。其中,閃存卡價(jià)格最先拉漲,eMMC/eMCP價(jià)格也已明顯止跌,市場更傳出4GB-16GB eMMC、4+4/8+4/8+8 eMCP等低容量喊漲等消息,似乎預(yù)警NAND Flash市場已提前進(jìn)入緊張的供應(yīng)狀態(tài)。

3D NAND Flash驅(qū)動存儲芯片行業(yè)重大變局

  資金+技術(shù)兩大壁壘

3D NAND FLASH行業(yè)兩大壁壘:資金壁壘、技術(shù)壁壘。這使得業(yè)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)優(yōu)勢明顯。

3D NAND Flash驅(qū)動存儲芯片行業(yè)重大變局

3D NAND FLASH需要投入大量資金。主要廠商建設(shè)廠房和設(shè)計(jì)生產(chǎn)均投入了大量資金。資金雄厚的公司才能立于有利地位。這使得資金不足的廠商進(jìn)入比較困難。

表格6.部分廠商3D NAND FLASH投資金額

3D NAND Flash驅(qū)動存儲芯片行業(yè)重大變局

生產(chǎn)3D NAND FLASH需較高的技術(shù)。相對于2D NAND對微縮技術(shù)的要求,3D NAND的關(guān)鍵技術(shù)是極度復(fù)雜的刻蝕和薄膜工藝。另外,克服良率與成本也需要較好技術(shù),如美光(Micron)與英特爾(Intel)陣營開發(fā)Cellon Peripheral Circuit技術(shù)試圖解決良率與成本問題。

表格7.部分廠商3D NAND芯片技術(shù)特征

技術(shù)變革改變行業(yè)周期屬性

盡管存儲芯片市場呈現(xiàn)周期性波動,但我們認(rèn)為,隨著3DNANDFLASH技術(shù)的發(fā)展,存儲芯片行業(yè)的周期性將讓位于成長性,在較長時(shí)間內(nèi)進(jìn)入相對供需穩(wěn)定狀態(tài),沒有產(chǎn)能大幅過剩的擔(dān)憂,相關(guān)企業(yè)將能夠保持相對穩(wěn)定的盈利能力。主要原因如下:

1)供給端看:

行業(yè)壁壘高,資金+技術(shù)構(gòu)成了極高的壁壘。行業(yè)內(nèi)企業(yè)大量減少,少數(shù)企業(yè)占據(jù)了主導(dǎo)地位。

其一,存儲芯片行業(yè)不斷出現(xiàn)的破產(chǎn)、并購使得行業(yè)產(chǎn)能收縮,產(chǎn)業(yè)集中度也進(jìn)一步提高。2013年存儲芯片行業(yè)前五大廠商合計(jì)市場份額約為95%,中小型廠商基本被消滅。各大廠商經(jīng)歷過過去因行業(yè)產(chǎn)能過剩而造成的巨額虧損,從而擴(kuò)產(chǎn)更為謹(jǐn)慎,不像過去中小型廠商為了搶占市場份額而往往率先擴(kuò)產(chǎn)。這樣存儲芯片產(chǎn)業(yè)就在較長一段時(shí)間內(nèi)保持了較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

其二,存儲芯片行業(yè)擴(kuò)產(chǎn)難度相比過去已經(jīng)大大提高。DRAM目前主流的制程為20nm~30nm,NAND也進(jìn)入20nm以下制程的時(shí)代,進(jìn)一步縮小制程所需的研發(fā)與建廠投資大大增加,新建廠房往往需要花費(fèi)數(shù)十億美元。所以,從整體上來看,存儲芯片廠商的擴(kuò)產(chǎn)意愿和擴(kuò)產(chǎn)能力都不強(qiáng)。

2)需求端看,下游應(yīng)用范圍大大擴(kuò)展,智能移動終端和3D SSD需求旺盛。智能移動終端興起一方面使得對存儲芯片的需求大大提高,抵消了近些年來PC銷量不振造成的影響,另一方面也平抑了原來因PC出貨周期而導(dǎo)致的存儲芯片需求周期。3D固態(tài)硬盤需求逐漸增大,未來將逐漸取代HDD。

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  國家助力、資本協(xié)助:由進(jìn)口依賴到自產(chǎn)自銷

國內(nèi)存儲芯片情況:完全依賴于進(jìn)口

缺“芯”是我國半導(dǎo)體行業(yè)的現(xiàn)狀。根據(jù)海關(guān)總署統(tǒng)計(jì),2013年,我國集成電路出口額為877億美元,進(jìn)口額為2,313.40億美元,已超過原油成為我國第一大進(jìn)口商品。2014年中國集成電路進(jìn)口2,176億美元,與石油一起位列最大宗進(jìn)口商品。巨大的供需缺口使我國集成電路企業(yè)面臨通過替代進(jìn)口實(shí)現(xiàn)快速增長的良好機(jī)遇。

3D NAND Flash驅(qū)動存儲芯片行業(yè)重大變局

一直以來,中國的存儲芯片產(chǎn)業(yè)基本空白,幾乎100%依賴進(jìn)口。三星、美光、東芝、海力士等企業(yè)壟斷的存儲器市場高達(dá)800億美元,占據(jù)全球95%以上的市場份額。而中國每年進(jìn)口的存儲芯片就占55%的全球市場份額。因此,政府為了達(dá)成半導(dǎo)體自產(chǎn)自銷的目標(biāo),扶植存儲器產(chǎn)業(yè)的意志很強(qiáng)烈。另一方面,存儲器行業(yè)的成功依賴于決心,需要持續(xù)的投資以及忍受可能長時(shí)間的虧損,所以它不太適合于民營資本去博弈。國家的支持對民營資本很重要。

3D NAND Flash驅(qū)動存儲芯片行業(yè)重大變局

存儲芯片市場未來幾年迅速擴(kuò)大,若能達(dá)到自產(chǎn)自銷的目標(biāo),伴隨著中國芯片市場的規(guī)模擴(kuò)大,國內(nèi)存儲器廠商將獲利較大。

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  預(yù)計(jì)2017年中國3D NAND FLASH需求量約8000萬個

我們通過兩種方法估計(jì)中國2017年3D NAND FLASH需求量:

1)根據(jù)紫光國芯的公司公告,目前全世界記憶體市場需求的55%來自中國。我們假設(shè)需求份額維持不變,則2017年國內(nèi)記憶體市場規(guī)模大約是1.55億個(2.81*0.55=1.5455)。假設(shè)3D NAND FLASH占比50%,則市場規(guī)模大約是7750萬個。

2)根據(jù)IDC預(yù)計(jì),2017年中國智能手機(jī)出貨量將達(dá)4.6億部,占全球市場的27.36%。根據(jù)我們之前的估計(jì),2017年智能手機(jī)移動終端3D NAND FLASH需求量約為1.68億個,則可以預(yù)計(jì)2017年智能手機(jī)市場上中國3D NAND FLASH的需求量約為4600萬個(1.68*27.36%=0.46億)。

市場研究公司eMarketer預(yù)計(jì)2017年全球電腦用戶將達(dá)13.24億,其中4.057億用戶來自中國市場,占比30.64%。我們預(yù)估中國3D SSD需求量占全球比重大致等于中國電腦用戶占全球比重,約為31%。根據(jù)我們之前的估計(jì),2017年3D SSD需求量約為1.13億個,則可以預(yù)計(jì)2017年SSD市場上,中國3D NAND FLASH的需求量約為3500萬個(1.13*31%=0.35億)。

由此估計(jì),中國市場2017年3D NAND FLASH需求量大約是8100萬(0.46+0.35=0.81)

根據(jù)以上兩種方法,我們預(yù)估2017年中國3D NAND FLASH需求量約8000萬個。

國家引導(dǎo),資本協(xié)助,紫光國芯和武漢新芯加快存儲器建設(shè)

在國家的引導(dǎo)下,資本對存儲器領(lǐng)域投資較大。紫光國芯和武漢新芯作為存儲芯片領(lǐng)域重要企業(yè),其中武漢新芯專注于存儲器領(lǐng)域,尤其注重3D NAND FLASH技術(shù)的追趕。

2015年11月,紫光國芯發(fā)布800億定增預(yù)案,定增資金主要用于存儲器建設(shè)。預(yù)計(jì)可新增120,000片/月的存儲芯片生產(chǎn)產(chǎn)能。2016年5月,紫光集團(tuán)董事長趙偉國在中國大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)峰會暨中國電子商務(wù)創(chuàng)新發(fā)展峰會表示,從今年開始,紫光集團(tuán)要投資300億美元,主攻記憶體晶片制造,這將會是中國大陸最大的儲存項(xiàng)目。

2016年國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金股份有限公司、湖北省集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金股份有限公司、國開發(fā)展基金有限公司、湖北省科技投資集團(tuán)有限公司共同出資240億美元,在武漢新芯集成電路制造有限公司的基礎(chǔ)上組建一家存儲器公司,整個存儲器基地的規(guī)劃和建設(shè)則由武漢新芯主導(dǎo)。240億美元的資金將在5年內(nèi)投資完成,前期主要生產(chǎn)3D NAND產(chǎn)品,預(yù)計(jì)到2020年形成月產(chǎn)能30萬片的生產(chǎn)規(guī)模(包括20萬片3D NAND以及10萬片DRAM),到2030年形成每月100萬片的產(chǎn)能。

3D NAND Flash驅(qū)動存儲芯片行業(yè)重大變局

  表格8.紫光國芯800億定增資金使用計(jì)劃

3D NAND Flash驅(qū)動存儲芯片行業(yè)重大變局

3D NAND FLASH 產(chǎn)業(yè)鏈:關(guān)注封測和材料相關(guān)企業(yè)

3D NAND 將全面替代 2D NAND

2D nand由于已到物理極限,主流工藝最多只能滿足128GB的容量需求。未來伴隨著智能機(jī)和SSD對更大容量的需求,具有更好性能且能滿足256GB及更高容量的3D NAND FLASH將逐漸替代2D NAND FLASH。

但由于3D NAND FLASH技術(shù)要求高,量產(chǎn)難度大,成本比較大。32層堆疊NANDFlashDie容量達(dá)128Gb,與主流2D1y/1znm128Gb相比缺乏成本競爭力。未來若干年,在3D NAND FLASH未大規(guī)模量產(chǎn)之前,2D nand和3D nand處于共存狀態(tài)——2D由于成本優(yōu)勢,滿足容量128GB及更低容量的需求,3D由于性能和容量優(yōu)勢,滿足256GB甚至更高容量的需求。

由于2D工藝最多只能滿足128GB的容量需求,3D更好性能且能滿足256GB及更高容量,未來伴隨著智能機(jī)和SSD對更大容量的需求,3D終將全面替代2D。但最近的若干年內(nèi),兩者將維持短暫的共存狀態(tài),這主要是因?yàn)樵?28GB及以下容量的市場中,2D成本優(yōu)勢明顯。

3D NAND Flash驅(qū)動存儲芯片行業(yè)重大變局

  材料:關(guān)注選擇性蝕刻及薄膜沉積產(chǎn)品

根據(jù)應(yīng)用材料集團(tuán)的預(yù)計(jì),3D NAND成長趨勢確立,預(yù)期2018年產(chǎn)能將跨過百萬片,2015年占比僅15%,預(yù)計(jì)2018年占比大幅提升至85%。屆時(shí),晶圓加工行業(yè)迎來發(fā)展契機(jī)。我們重點(diǎn)推薦關(guān)注生產(chǎn)選擇性蝕刻及薄膜沉積產(chǎn)品的企業(yè)。因?yàn)橄鄬τ?D NAND對微縮技術(shù)的要求,3D NAND的關(guān)鍵技術(shù)是極度復(fù)雜的刻蝕和薄膜工藝。由2D進(jìn)入3D時(shí)代后,材料及結(jié)構(gòu)的變化表現(xiàn)在市場上就是為市場帶來更多選擇性蝕刻及薄膜沉積產(chǎn)品的商機(jī)。

封測:TSV(硅通孔)封裝技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵

TSV技術(shù)是透過以垂直導(dǎo)通來整合晶圓堆棧的方式,讓3D封裝遵循摩爾定律演進(jìn),采多層化的設(shè)計(jì)概念,讓堆棧芯片的電力互相連接,從而使2D平面芯片配置技術(shù)演進(jìn)至3D堆棧技術(shù),在邏輯領(lǐng)域和內(nèi)存領(lǐng)域等均有應(yīng)用。

以TSV技術(shù)制造晶片,可將耗電量減少至傳統(tǒng)技術(shù)的一半以上,晶片體積也能縮小約35%。TSV可使封裝尺寸微縮到10立方毫米(mm3)以下。在相同晶片面積且不增加功耗的前提下,TSV技術(shù)能制作出更多輸入/輸出(I/O)接腳,進(jìn)而提供更高的頻寬。因此當(dāng)3D NAND Flash遇到微縮瓶頸后,NAND Flash TSV技術(shù)將成解方,持續(xù)帶領(lǐng)NAND Flash朝向TB等級超微型封裝(Tera-bytes Flash TSV Ultra-thin Package)的目標(biāo)演進(jìn)。

3D NAND Flash驅(qū)動存儲芯片行業(yè)重大變局

三星、海力士、東芝等存儲芯片重要廠商在大力研發(fā)TSV技術(shù)。預(yù)計(jì)在由進(jìn)口依賴到自產(chǎn)自銷的進(jìn)程中,國內(nèi)的武漢新芯和紫光國芯的3D NAND FLASH可能更傾向于國內(nèi)的TSV公司,建議積極關(guān)注。

表格9.重要廠商TSV技術(shù)研發(fā)進(jìn)程

3D NAND Flash驅(qū)動存儲芯片行業(yè)重大變局

  3D NAND FLASH浪潮下受益投資標(biāo)的推薦

我們認(rèn)為主要有兩類企業(yè)最具投資機(jī)會。一類是資金雄厚、技術(shù)落后不大且有產(chǎn)業(yè)基金支持的投資于3D NAND FLASH的企業(yè),包括紫光國芯(800億定增項(xiàng)目)和武漢新芯(240億美元國家存儲器項(xiàng)目核心企業(yè),國內(nèi)唯一一家專注于存儲器芯片行業(yè)的企業(yè));另一類受益于3D NAND FLASH企業(yè)發(fā)展的企業(yè),特別是封測和材料相關(guān)的企業(yè),比如紫光國芯(收購封測企業(yè)臺灣力成25%股權(quán),力成是東芝/Sandisk、美光/英特爾兩陣營的四家業(yè)者主要后段代工廠),長電科技(國內(nèi)封測龍頭)、深科技(收購沛頓科技,切入存儲芯片封裝測試業(yè)務(wù))七星電子(收購的北方微電子的主營產(chǎn)品包括刻蝕機(jī))、上海新陽(TSV先進(jìn)封裝鍍銅液)等。

表格10.推薦標(biāo)的及標(biāo)的相關(guān)亮點(diǎn)

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