芯片知多少系列-存储芯片

日期: 2022-04-27

导语

自文明诞生以来,数据、信息存储一直是社会发展的基石,从龟甲兽骨、竹简、书本到磁带、光盘,对存储容量更大、读写速度更快的信息存储介质的追求从未停止。

 

现代数字存储分为磁性存储、光学存储、半导体存储三类,信息时代数据量的爆发式增长使得存储量更大,且能够直接与逻辑电路连接的半导体存储迅速发展,存储芯片成为应用最广、市场规模最大的存储器件。

 

本篇文章将带大家将视线从逻辑芯片转到存储芯片,详细了解几种重要类型的存储芯片与国内存储芯片龙头企业兆易创新。

 

什么是存储芯片

世界半导体贸易统计组织(WSTS)将所有半导体按照结构功能划分为集成电路、分立器件、光电子器件与传感器四大类。

 

集成电路简称IC(Integrated Circuit),是采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容等元件集成在半导体晶圆上,成为具有所需电路功能的微型结构,占全球半导体市场份额的83%。

 

集成电路可进一步细分为承担计算功能的逻辑芯片、承担存储功能的存储芯片,承担传输与能源供给功能的模拟芯片以及将运算、存储等功能集成于一个芯片之上的微控制单元(MCU),它们的市场份额分别占到半导体总体市场份额的28.22%27.39%13.28%14.11%,逻辑芯片与存储芯片占比较高。

 

非集成电路半导体元件(分立器件、光电子器件、传感器)的市场份额占半导体总体市场份额的17%,我们也会在在系列后续文章中详细介绍。

芯片知多少系列-存储芯片

数据来源:WSTS、大象研究院整理


存储芯片是半导体的一大重要分支,2020年存储芯片的市场规模约占半导体总市场规模的22.41%,存储芯片可按数据是否易失分为非易失性存储芯片与易失性存储芯片.

 

易失性存储芯片可分为动态随机访问存储器(DRAM)与静态随机访问存储器(SRAM),非易失性存储器则可分为NOR FLASH与NAND FLASH与只读存储器。根据IC insights的统计数据,2021年以以销售额口径计算的市场规模NAND FLASH占比为56%,DRAM为41%,其它为3%。

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DRAM

DRAM(Dynamic Random Access Memory)是易失性存储器的重要分支,易失性存储器的特点是断电丢失数据,例如我们平时使用word或excel时如果没有点保存,突然关机或断电后再重启时文件便会丢失,就是因为我们没点保存时数据是存储在电脑内存中,只有我们点击保存后,数据才会保存在硬盘中,而电脑内存使用的就是DRAM。


有小伙伴疑惑为什么在有了硬盘的基础上还会有内存,内存的意义在于如果计算机的每一次运算都需要直接从硬盘中抓取数据,会极大降低计算机的运行效率。

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易失性存储器断电丢失数据的根本原因在于其存储方式,DRAM的每一个bit cell(存储单元)由一个电容与一个晶体管两个元器件组成,晶体管起开关作用,DRAM的存储原理是通过电容充放电后的电势高低代表0和1,从而起到存储功能,而电容在断电的情况下会漏电,存储信息会因为电容的漏电而无法识别。

 

DRAM所使用的电容容量极小,电子仅能保存几毫秒的时间,为了使电子不丢失,每隔几毫秒就要充电刷新一次,这就是DRAM名称中动态(Dynamic)的由来,而另一种无需频繁充电刷新的易失性存储器则被称为SRAM。

 

虽然DRAM具有断电丢失数据的缺点,但由于读写速度较快被应用于PC机的内存、智能手机、服务器。2020年DRAM下游需求中,智能手机、服务器、PC机占39.7%、34.9%与12.6%,三者合计90%。SRAM的读写速度更快,但价格较高,可用于容量要求较小但读写速度要求更高的高速缓冲存储器如CPU缓存。

 

全球DRAM产品目前由三星、SK海力士与美光垄断,三者市场份额占到95%,三星于2020年上半年完成10nm制程DRAM的出货,为业内最高水平。国内DRAM领域代表企业有长鑫存储(IDM)与兆易创新(fabless),兆易创新2021年首款DRAM芯片实现量产,主要面向工控等利基市场,长鑫存储的工艺制程正处于16nm-19nm阶段,相比三巨头落后约4年-5年。

FLASH:便携式设备存储主力


相对于DRAM在易失性存储器中的地位,FLASH则是非易失性存储器最重要的分支,非易失性存储器的特点是断电不失数据,这使得FLASH能够在没有电流供应的条件下长久地保存数据。我们电脑中的硬盘所用的存储芯片就是FLASH。


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FLASH的unit cell(存储单元)是一个含有源极、漏极与栅极的三端器件。


在向栅极施加正向偏压时,电子在隧穿效应下从隧穿层进入浮栅存储起来,阈值电压较高,对应逻辑为0。


在向栅极施加负向偏压时,浮栅中的电子退出隧穿层,阈值电压较小,对应逻辑为1,这个过程就就完成了信息的存储。


即使电流消失,阻挡层与隧穿层也能保证浮栅中的电子不丢失,从而保证数据的完整性。

 

FLASH相比DRAM的优点在于断电不失数据,且成本较低,缺点在于由于每一次写入数据均需要擦除一次,使得写入速度慢于DRAM。

 

FLASH存储芯片可进一步细分为NOR FLASH与NAND FLASH,NAND的擦除操作简便,而NOR则要求在进行擦除前先要将每一个存储单元均写入数据,然后才能做擦除,因此NAND的写入速度相比NOR更快。



DRAMNAND FLASH/NORFLASH三类存储芯片对比



DRAM

NAND FLASH

NOR FLASH

成本

读取速度

写入速度

快(无需擦除)

容量

市场份额

56%

41%

2%


NOR主要应用于早期电脑与老式功能机,这些设备存储器的主要需求在于读取系统程序,读取速度快的NOR占优,但随着智能手机的不断发展,NAND写入速度快的优势显现,NOR的市场规模不断萎缩,直到2016年后TWS耳机的兴起NOR才逐渐走出谷底。


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NAND近年来需要关注的技术变革为3D堆叠技术的应用,不同于以往将存储单元直接平铺电路板上,而是像建高楼一样,将存储单元层层平铺3D NAND将思路从提高制程工艺转到在一定面积堆叠更多的存储单元以提高容量。


 
全球NAND FLASH芯片目前由三星、铠侠、SK海力士、西部数据与美光垄断,CR5达到90%以上。国内NAND领域龙头企业为长江存储,长江存储采用设计、制造、封测一体化的IDM模式,于2020年成功研发中国首款128层3D NAND闪存,并于2021年下半年实现量产,当前三星、美光、SK海力士等第一梯队厂商正在研发176层3D NAND闪存。
 
NOR相比NAND市场规模较小,因此实力较强的存储芯片厂商往往放弃这一领域,为国内企业留出了一定的空间,台湾企业旺宏电子、华邦电子与大陆企业兆易创新的市场份额合计占到70%,兆易创新的市场份额约20%。


相关领域龙头企业 


兆易创新为我国存储芯片龙头企业,成立于2005年,目前主要业务为存储芯片、微控制单元与传感器的研发生产销售。产品涵盖消费电子、个人电脑、汽车电子与工控设备领域。

半导体产业晶圆厂的投资巨大,存储芯片的标准化程度相较逻辑芯片更高,存储芯片呈现一定的大宗商品特征,周期性强。

公司不断进行多赛道多产品的拓展,2008年介入NOR FLASH领域,2016年MCU产品开始产生收入,2019年开始传感器与DRAM业务,在发展顺利的前提下能够实现不同阶段产品交替爆发贡献收入,对冲行业的周期性,提升公司的抗风险能力。

存储芯片是公司目前收入贡献最大的部分,公司为全球市占率第三的NOR FLASH企业,DRAM业务则分为公司自有品牌的DRAM产品与代销长鑫存储的DRAM产品。

公司的微控制单元(MCU)为国内32位通用MCU领域的主流产品(系列后续有MCU专题),目前已应用于家电与工控领域,车规级MCU流片已完成,有望于年中量产,值得关注。

传感器业务来源于公司对生物识别传感器企业思立微的收购,思立微的指纹识别芯片市场份额为全球第三,触控芯片市场份额也达到全球第四。
 


公司主要财务数据

2016-2020年公司营收构成(亿元)

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数据来源:公司年报


公司20年与21年上半年营收均呈现爆发式增长,增速分别达到40.4%与119.6%,公司业绩爆发的两大推动力分别是TWS耳机销量的增长与疫情期间海外龙头的产能紧张。相比存储芯片,MCU的毛利率较高,原因在于存储芯片中含有代销的长鑫DRAM产品,公司2021年向MCU大量倾斜产能,使得MCU2021年上半年增长226.67%,MCU业务占比大幅提升,成为强劲的第二增长曲线。
2016-2020年公司三类产品毛利率(%)


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数据来源:公司年报

2016年-2021年上半年公司资产堆积图(亿元)

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数据来源:公司年报


兆易创新采用Fabless模式,专注于产品设计与营销环节,晶圆制造与封装测试则外包专门的晶圆制造厂与封测厂,因此公司的资产构成中货币资金、存货与其它权益工具投资占比较大,三者2021年上半年在总资产中占63%。

轻资产模式下公司无需较大的资本开支,因此在技术、规模大大落后于三星、美光、SK海力士的前提下毛利率还能高于三巨头,使公司能在研发投入更多资源,资本开支较少也使得公司偿债压力较小,资产负债率常年在10%-15%。

公司2017年其它权益工具投资(2018年前为可供出售金融资产)突增的原因在于公司入股晶圆制造厂商中芯国际与半导体设备厂商屹唐半导体。19年商誉突增的原因在于收购传感器龙头企业思立微,且合并成本大于其可辨认净资产,商誉突增带来一定的减值风险,但占净资产比例不到10%,风险可控。
2016-2020年公司研发支出(亿元)及研发支出占营收比例(%)


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数据来源:公司年报


公司研发支出占收入比例不断上升,由2016年的6.87%上升至2020年的12.03%,研发支出的年复合增长率超过50%。研发支出大多以费用化处理,影响当期利润,2020年研发支出资本化率超为7.98%,公司净利润的含金量高。公司研发支出的快速增长源于研发人员数量的快速增加,2020年公司研发人员数量占比已超过70%。
2016-2020年公司研发人员(个)与研研发人员占比(%)


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数据来源:公司年报

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