存儲 IC——現(xiàn)代信息技術的基石

存儲器可以說是大數(shù)據(jù)時代的基石。存儲器就類似于鋼鐵之于現(xiàn)代工業(yè)，是名副其實的電子行業(yè)“原材料”。計算機中的全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)能夠存儲，主要以 NAND Flash 為代表，常見于 SSD（固態(tài)硬盤)；另一類是易失性存儲器，這一類存儲器斷電后數(shù)據(jù)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(yè)屬于強周期性行業(yè)，從歷史表現(xiàn)上看，存儲器行業(yè)總是處于交替出現(xiàn)的漲跌循環(huán)之中。存儲器行業(yè)的波動劇烈，其產(chǎn)業(yè)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(tài)。

從產(chǎn)值構成來看， DRAM、 NAND Flash、 NOR Flash 是存儲器產(chǎn)業(yè)的核心部分。這緣于一方面性能不斷提升的手機操作系統(tǒng)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(lián)等新技術的涌現(xiàn)推動數(shù)據(jù)量的急速膨脹。

▲主要存儲器產(chǎn)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(fā)達的***，內存和顯存被統(tǒng)稱為記憶體，即動態(tài)隨機存取記憶體(DRAM)， DRAM是最常見的存儲器，只能將數(shù)據(jù)保持很短的時間。為了保持數(shù)據(jù)，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(chǎn)生的， SRAM（靜態(tài)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(shù)據(jù)就可以恒常保持。 SARM 的優(yōu)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(yè)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(chǎn)品等。

▲SRAM和DRAM 內部結構圖

隨著 CPU 性能的不斷提高，終端產(chǎn)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(fā)揮它的價值與優(yōu)勢， DRAM 發(fā)展到現(xiàn)在已歷經(jīng)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(shù)據(jù)傳送速率更快，供電電壓更小的方向發(fā)展。

▲SRAM、 DRAM、 SDRAM、 DDR3、 DDR4 參數(shù)對比

▲DRAM 傳輸速度跟隨 CPU 性能提升不斷提高

從行業(yè)上看，早期計算機應用占了整個 DRAM 產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)的主流，同時云服務器 DRAM 需求涌現(xiàn)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(wǎng)路存儲系統(tǒng)，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(yè)一直被美韓三大存儲器公司壟斷,三星、海力士、美光占據(jù)了全球市場的 95%以上。

▲主要 DRAM 存儲器公司

DRAM 節(jié)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(jié)點。由于解決了這些技術節(jié)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(tài)大容量內存的實現(xiàn)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(yōu)點，適用于大量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的單元。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)存儲，里面存放數(shù)據(jù)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(yōu)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量的不用，導致 SSD 從可擦寫次數(shù)、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(tǒng)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(fā)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(yōu)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(tǒng)存儲的 10 倍。

除了傳統(tǒng)存儲巨頭三星電子、 SK 海力士、美光科技，東芝和西部數(shù)據(jù)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(tài)硬盤(SSD), 固態(tài)硬盤按照存放數(shù)據(jù)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(yè)級存儲。 MLC-SSD 和 TLC-SSD 固態(tài)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(yōu)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(jù)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(xiàn)被 NAND 閃存替代的趨勢，目前僅應用于功能性手機，機頂盒、網(wǎng)絡設備、工業(yè)生產(chǎn)線控制上。

由于存儲行業(yè)終端用戶的 IT 需求往往是綜合計算、網(wǎng)絡、存儲三方面，廣泛分布于所有對數(shù)據(jù)存儲有需求的各行各業(yè)，涵蓋了國民經(jīng)濟的大部分領域，市場規(guī)模和發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

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