半导体行业DRAM深度报告：存储芯片研究框架课件

存储芯片研究框架DRAM深度报告证券研究报告半导体行业2020年4月3日存储芯片研究框架证券研究报告 半导体行业 2020年4月3日1目目录录一、一、DRAM投投资逻辑资逻辑框架框架DRAM驱动驱动力及增量市力及增量市场场DRAM国国产产替代：合肥替代：合肥长长鑫鑫为为最最大希望大希望DRAM供需供需错错配配导导致价致价格格波波动动二、二、详详解解DRAM：存：存储储器器最大最大细细分分领领域域三、周期三、周期&需求：周期波需求：周期波动动及需及需求求分析分析四、知己知彼：四、知己知彼：DRAM市市场场及及竞竞争格争格局局剖析剖析五、国内五、国内现现状：大状：大陆陆各各DRAM厂厂商商详详解解目录一、DRAM投资逻辑框架DRAM驱动力及增量市场2智能智能电视电视DRAM驱动驱动力及增量市力及增量市场场资料来源：前瞻产业研究院，方正证券研究所整理居家居家办办公公 在在线线学学习习家具家具智能化智能化无人无人驾驶驾驶5G云云计计算算DRAM三三 巨巨 头头其其 他他 DRAM厂厂 商商PCIoT机机顶顶盒盒汽汽车车电电子子智能智能手机手机基站基站与网与网络络设备设备服服务务器器620亿亿美元美元2018年年1219亿亿美元美元2026年年市市 场场 份份 额额DRAM市市场场前景前景市市场驱动场驱动力力增量增量应应用市用市场场主要主要DRAM厂商厂商全球全球DRAM市市场规场规模模大大陆陆智能电视DRAM驱动力及增量市场资料来源：前瞻产业研究院，方3DRAM国国产产替代：合肥替代：合肥长长鑫鑫为为最大希望最大希望资料来源：方正证券研究所整理大大陆陆DRAM厂商厂商合作方合作方技技术术来源来源资资本合作本合作芯片代工芯片代工技技术术来源来源现现状状美美国国商商务务部部封封杀杀，暂时暂时停停摆摆尚无量尚无量产产能力能力月月产产能能4万片，冲万片，冲击击8万片万片DRAM国产替代：合肥长鑫为最大希望资料来源：方正证券研究所4DRAM供需与周期关系供需与周期关系详详解：供需解：供需错错配配导导致价格波致价格波动动资料来源：Bloomberg数据库、方正证券研究所整理0246810122010/112011/12011/32011/52011/72011/92011/112012/12012/32012/52012/72012/92012/112013/12013/32013/52013/72013/92013/112014/12014/32014/52014/72014/92014/112015/12015/32015/52015/72015/92015/112016/12016/32016/52016/72016/92016/112017/12017/32017/52017/72017/92017/112018/12018/32018/52018/72018/92018/112019/12019/32019/52019/72019/92019/112020/12020/32020/52020/72020/92020/112021/1DDR4 4Gb 512Mx8 2133/2400 MHz DDR4 8Gb 1Gx8 2133/2400 MHz DDR3 4Gb 512Mx8 1333/1600MHz DDR3 4Gb 256Mx16 1333/1600MHzDDR3 2Gb 256Mx8 White BrandDDR3 2Gb 128Mx16 1333/1600MHzDDR4 4Gb 512Mx8 2133/2400 MHz White Brand DDR4 8Gb 1Gx8 2133/2400 MHz White Brand DDR3 4Gb 512Mx8 White BrandDDR3 4Gb 256Mx16 White Brand DDR3 2Gb 256Mx8 1333MHzDDR3 4Gb 256Mx16 White Brand2019年达年达到到周期底部周期底部，2020年年上行上行周周期开期开启启。2020年上半年受新冠疫情影响，服务器、智能手机、PC需求激增带动DRAM价格迅速回升，新一轮上升的大趋势基本确定。从历史数据及我们推演，DRAM行行业业周期上行通常周期上行通常将将持持续续两两年，年，看看好好2021-2022年年DRAM行行业业保保持持稳稳定增定增长长。单单价（美金）价（美金）DRAM 供需与周期关系详解：供需错配导致价格波动资料来源：5目目录录一、一、DRAM投投资逻辑资逻辑框架框架二、二、详详解解DRAM：存存储储器器最大最大细细分分领领域域DRAM定定义义与与结结构构DRAM历历史与史与发发展展DRAM分分类类及技及技术术路径路径DRAM未来技未来技术术及制程及制程三、周期三、周期&需求：周期波需求：周期波动动及需及需求求分析分析四、知己知彼：四、知己知彼：DRAM市市场场及及竞竞争格争格局局剖析剖析五、国内五、国内现现状：大状：大陆陆各各DRAM厂厂商商详详解解目录一、DRAM投资逻辑框架二、详解DRAM：存储器最大细分6资料来源：联想创投，方正证券研究所整理DRAM定定义义与与结结构：易失性存构：易失性存储储器器半导体存储从应用上可划分为易失易失性性存存储储器器（RAM，包包括括DRAM和和SRAM等），等），以以及非及非易易 失性存失性存储储器器（ROM和非和非ROM）。存存储储器器磁性存磁性存储储半半导导体存体存储储易失性存易失性存储储其他其他RAMMRAM等等SRAMDRAMRAM非易失性存非易失性存储储光学存光学存储储NAND非非Flash类类FlashROM非非ROM类类PCM等等存存储储器分器分类类磁磁带带机械硬机械硬盘盘软盘软盘蓝蓝光光DVDCDSLCMLCTLCQLCPROMEPROMEEPROMOTPROMNOR资料来源：联想创投，方正证券研究所整理DRAM定义与结构：易7资料来源：电子工程世界，SemiconductorEngineering，方正证券研究所整理DRAM定定义义与与结结构：易失性存构：易失性存储储器器动态动态随机存随机存储储器（器（DRAM）和静）和静态态随随机存机存储储器器（SRAM）同同属于属于易易失失性性存存储储器器，在，在断断电电状状 态态下数据会下数据会丢丢失。失。两者因结构不同，其应用场景有很大的不同。DRAM利用电容储存电荷多少来存储数据，需需要定要定时时刷新刷新电电路路克克服服电电容容漏漏电电问问题题，读写速 度比SRAM慢，常用于容量大的主容量大的主存存储储器器，如如计计算算机机、智能智能手手机、机、服服务务器器内存内存等等。SRAM读写速度快，制造成本高，常用于对容量要求较小的高速缓冲存储器，如CPU一级、二级缓存等。DRAMSRAM晶晶圆结圆结构构图图速度速度较慢较快容量容量大小单单成本成本便宜贵用例用例主内存1级和2级微处理器缓存密度密度每个单元的密度低每个单元密度更密集功率功率高低SRAMDRAMPCMNAND、NORHDD、光盘 磁带DRAM和和SRAM对对比比各各级级存存储储器性能和价格器性能和价格变变化化趋势趋势资料来源：电子工程世界，Semiconductor Engi8DRAM定定义义与与结结构：晶体管构：晶体管结结构构、BitCellDRAM属于属于临时临时存存储储区域区域资料来源：半导体行业观察，百度百科，方正证券研究所整理DRAM由由许许多多重复重复的的“单单元元”位位元元格（格（BitCell）组组成成，每一个cell由一个电容和一个晶体管（一般 是N沟道MOSFET控制电容充放电的开关）构成，电电容容可可储储存存1bit数数据据量量，充放电后电荷的多少（电 势高低）分别对应二进制数据0和1。晶体管MOSFET则是控制电容充放电的开关。DRAM结构简单，可 以做到面积很小，存储容量很大。DRAM具具有有刷刷新特新特性。性。由于电容存在漏电现象，因此必须经常进行充电保持电势（刷新），这个刷新的 操作一直要持续到数据改变或者断电。DRAM基本晶体管基本晶体管结结构构行地址行地址线线路路闸闸极极列地址列地址线线路路电电容容(储储存存0或或1）晶体晶体管管 MOSFET输输入源入源键盘 鼠标 移动存储介质 扫描仪 远程资源 数码相机 ROMBIOS硬盘网络存储 移动存储物理内存虚拟内存存存储设备类储设备类型型高速高速缓缓存存L1/L2/L3CPU寄存器寄存器读读 写写 速速 度度 上上 升升，容容 量量 降降 低低每每 单单 位位 存存 储储 价价 格格 上上 升升永久存永久存储储区域区域临时临时存存储储区域区域DRAM内存内存DRAM定义与结构：晶体管结构、Bit CellDRAM属于9DRAM定定义义与与结结构：位元格构：位元格资料来源：苏宁，Wikipedia，方正证券研究所整理DRAM模模组组位元格形成矩位元格形成矩阵结阵结构构DRAMCHIPS多多个个位位元元格格（BitCell）组组成成矩矩阵阵结结构构，形形成成内内存存库库，数数个个内内存存库库形形成成DRAM存存储储芯芯片片。内存库中，多个 字元线与位元线交叉，每个交点均存在一个位元格处理信息。字元线改变电压影响相应的位元格，位元格 将电流传至各自的位元线，由感测放大器侦测并放大电压变化。DRAM的的核核心心是是利利用用0和和1存存储储数数据据。感测放大器会将小幅增加的电压放大成高电压（代表逻辑1），把微 幅降低的电压放大成零电压（代表逻辑0），并将各个逻辑数值储存至一个多闩结构。DRAM定义与结构：位元格资料来源：苏宁，Wikipedia10DRAM历历史与史与发发展：早期存展：早期存储储器的器的发发展史展史资料来源：方正证券研究所整理1942年，世界上第一台电子数字计算机ATANASOFF-BERRYCOMPUTER（ABC）诞生，使用再再生生电电容容磁磁 鼓鼓存存储储器器存储数据。1946年，随机存取存储器（RAM）问世，静静电电记记忆忆管管能在真空管内使用静电荷存储大约4000字节数据。1947年，延延迟迟线线存存储储器器被用于改良雷达声波。延迟线存储器是一种可以重刷新的存储器，仅能顺序存取。同年磁磁芯存芯存储储器器诞生，这是随机存取存储器（RAM）的早期版本。1951年，磁磁带带首次被用于计算机上存储数据，在UNIVAC计算机上作为主要的I/O设备，称为UNIVACO，这就是商用计算机史上的第一台磁带机。1956年，世界上第一个硬硬盘盘驱驱动动器器出现在了IBM的RAMAC305计算机中，标志着磁盘存储时代的开始。该计算机是第一台提供随机存取数据的计算机，同时还使用了磁鼓和磁芯存储器。1965年，美国物理学家Russell发明了只只读读式式光光盘盘存存储储器器（CD-ROM），1966年提交了专利申请。1982年，索尼和飞利浦公司发布了世界上第一部商用CD音频播放器CDP-101，光盘开始普及。1966年年，DRAM被被发发明明。IBMThomasJ.Watson研究中心的RobertH.Dennard发明了动态随机存取存储器（DRAM），并于1968年申请了专利。1970年年，Intel公公司司推出推出第第一款一款商商用用DRAM芯片芯片Intel1103，彻底颠覆了磁存储技术。DRAM的出现解决 了磁芯存储器体积庞大，运行速度慢，存储密度低及能耗较高等问题。早期早期DRAM发发展途径展途径1942年年再生再生电电容磁容磁鼓存鼓存储储器器1946年年静静电记忆电记忆管管1947年年延延迟线迟线存存储储器器1947年年磁芯存磁芯存储储器器1951年年磁磁带带1956年年硬硬盘驱动盘驱动器器1965年年只只读读式光式光 盘盘存存储储器器1966年年DRAM被被发发明明1970年年Intel1103DRAM历史与发展：早期存储器的发展史资料来源：方正证券研究11DRAM历历史与史与发发展：早期存展：早期存储储器的器的发发展史展史资料来源：中关村在线，ICInsights，方正证券研究所整理2005-2020年年DRAM的市的市场规场规模模Intel1103100%80%60%40%20%0%-20%-40%-60%1200100080060040020002005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020销售额（亿美元）YoY（%）DRAM主要可以分分为为DDR（DoubleDataRate）系列系列、LPDDR（LowPowerDoubleDataRate）系列系列和和GDDR（GraphicsDoubleDataRate）系列、系列、HBM系系列列。DDR是内存模块中使输出增加一倍的技术，是目前主流的内存技术。LPDDR具有低功耗的特具有低功耗的特性性，主要应用于便携设备。GDDR一般会匹配使用高性能一般会匹配使用高性能显显卡共卡共同同使使用用，适用于具有高带宽图形计算的领域。云计算、大数据的兴起，服务器的数据容量和处理速度在不断提高，推动了DDR技术的升级 迭代，目前市场上主流技术规范为DDR4和LPDDR4，DDR5技术即将进入商用领域。DRAM历史与发展：早期存储器的发展史资料来源：中关村在线，12DRAM分分类类及技及技术术路径路径：DDR资料来源：半导体行业观察，搜狐，方正证券研究所整理第一第一代代SDRSDRAM(singledataratesynchronousDRAM)：单单速率同速率同步步动态动态随随机存机存储储器器。采用单端（Single-Ended）时钟信号。第二第二代代DDRSDRAM(doubledataratesynchronousDRAM)：双倍双倍速速率率同同步步动动态态随随机机存存储储器器。DDR的标称和SDRAM一样采用频率。截至2017年，DDR运行频率主要有100MHz、133MHz、166MHz三 种，由于DDR内存具有双倍速率传输数据的特性，因此因此在在DDR内内存存的的标标识识上采上采用用了工了工作作频频率率2的方的方法法，也也 就就是是DDR200、DDR266、DDR333和和DDR400，一些内存厂商为了迎合发烧友的需求，推出了更高频 率的DDR内存。其最重要的改变是在界面数据传输上，在在时时钟钟信号信号的的上升上升沿沿与下与下降降沿均沿均可可进进行行数数据据处处理理 ，使数据传输率为SDRSDRAM的2倍。寻址与控制信号则与SDRAM相同，仅在时钟上升沿传送。记忆记忆体体阵阵列列(100-150MHz)记忆记忆体体阵阵列列(100-200MHz)记忆记忆体体阵阵列列(100-200MHz)多多 工工 器器I/O(100-150MHz)I/O(100-200MHz)100-150 Mbps200-400 MbpsSDRDDRSDR与与DDR架构架构SDR与与DDR内存条内存条DRAM分类及技术路径：DDR资料来源：半导体行业观察，搜13DDR2DRAM分分类类及技及技术术路径路径：DDR资料来源：半导体行业观察，Newegg，京东，方正证券研究所整理DDR2为为双双信信道道两两次次同同步步动动态态随随机机存存取取内内存存。DDR2内存是Prefetch带宽提升至4bit，是DDR的两倍，并且能以内部控制总线4倍的速度运行。在同在同样样133MHz的核心的核心频频率下率下，DDR的实际工作频率为133MHzX2=266MHz，而而DDR2可以可以达达到到133MHzX4=533MHz。DDR2采用FBGA封装方式替代传统的TSOP方式，电气性能与散热性更佳。DDR3为为双信双信道道三次三次同同步步动动态态随机随机存存取内取内存存。DDR3内存Prefetch宽度从4bit提升至8bit，核心同核心同频频率下率下数数据据传传 输输量是量是DDR2的两的两倍倍，DDR3传输速率介于 8001600MT/s之间。DDR2与与DDR3架构架构400-1066 Mbps记忆记忆体体阵阵列列(100-266MHz)记忆记忆体体阵阵列列(100-266MHz)记忆记忆体体阵阵列列(100-266MHz)记忆记忆体体阵阵列列(100-266MHz)多多 工工 器器I/O(200-533MHz)记忆记忆体体阵阵列列(100-266MHz)记忆记忆体体阵阵列列(100-266MHz)记忆记忆体体阵阵列列(100-266MHz)记忆记忆体体阵阵列列(100-266MHz)多多 工工 器器I/O(400-1066MHz)800-2133 MbpsDDR3DDR2与与DDR3内存条内存条DDR2DRAM分类及技术路径：DDR资料来源：半导体行业14DRAM分分类类及技及技术术路径路径：DDR资料来源：半导体行业观察，方正证券研究所整理DDR4采采用用记记忆忆体体分分组组技技术术，引入多组记忆体库，每每组组记记忆忆体体库库容容量量与与预预存存缓缓冲冲区区容容量量与与DDR3相相 当当。另有一个多工器从合适的记忆体库里选取输出资料。在连续存取不同分组的资料时，I/O速率 再次实现翻倍。DDR5计计划引划引用用已已应应用在用在LPDDR4中中的的通道通道分分裂技裂技术术。将将64位元位元的的传输传输通通道分道分成成两个两个独独立立的的32位元通道位元通道，并，并再次再次将将预预存存取取空空间间翻翻倍倍。如此增加预存取的资料量将再次提升传输速率。DDR5目前还未普及，预计 量产时间为2022年DDR4架构架构历历代代DDR参数参数对对比比记忆记忆体体阵阵列列(100-266MHz)记忆记忆体体阵阵列列(100-266MHz)记忆记忆体体阵阵列列(100-266MHz)记忆记忆体体阵阵列列(100-266MHz)多多 工工 器器8N记忆记忆体体阵阵列列(100-266MHz)记忆记忆体体阵阵列列(100-266MHz)记忆记忆体体阵阵列列(100-266MHz)记忆记忆体体阵阵列列(100-266MHz)多多 工工 器器8N多多 工工 器器DDR4I/O(667-1600MHz)1333-3200Mbps记忆记忆体体分分组组 0记忆记忆体体分分组组 1规规格格DDRDDR2DDR3DDR4DDR5Vdd(V)2.51.81.5(1.35DDR3L)1.21.1Vpp(V)内部内部内部2.5V/内部内部时时钟钟(MHz)100-200100-266(OC)133-300(OC)133-300(OC)133-200I/O时时钟钟(MHz)100-200200-533533-12001066-24002133-3200预预取取缓缓冲区大小冲区大小2n4n8n8n16n最大最大传输传输率率(MT/s)200-400400-10661066-24002133-48004266-6400每每DIMM最大最大传输传输率率(GB/s)1.6-3.23.2-8.56.4-19.219.2-38.434.1-51.2记忆记忆体体库库数量数量48816 in 4 groups 32 in x groups晶片密度晶片密度256Mb-1Gb512Mb-4Gb1Gb-8Gb4Gb-32Gb15Gb-32Gb典型模典型模组组密度密度1GB4GB8GB16GB32GBDIMM接脚数接脚数184240240288288CMD/位址位址汇汇流排流排/24 bit SDR(具有ODT架构)2x7 bit DDR(不具ODT架构)通道通道频宽频宽6464646432DRAM分类及技术路径：DDR资料来源：半导体行业观察，方15DRAM分分类类及技及技术术路径路径：DDR演演进进及市占率及市占率目目前前DDR型型DRAM市市场场上上，速速度度更更快快的的DDR4占占 主主要要比比例例。2019年占比达到77%，在DDR5未全面量产下有望进一步提高比例。DRAM市市场场呈呈现现明明显显的的新新型型DRAM产产品品逐逐渐渐取取代代 老老款款DRAM趋趋势势，老款DRAM逐渐被淘汰或转为利基型DRAM。第一代DDR已经停产，DDR2在2010年占比高达30%，而这一比例到2019年仅剩1%，仅应用在利基市场。多代多代DDR市占率市占率变变化化历历代代DDR的速度及工作的速度及工作电压电压012301000200030004000DDRDDR4DDR2速度(Mbps)DDR3电压(V)100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%2010201120122013201420152016201720182019DDRDDR2DDR3DDR4资料来源：与非网，方正证券研究所整理DRAM分类及技术路径：DDR演进及市占率目前DDR型DR16DRAM分分类类及技及技术术路径路径：LPDDRLPDDR封装封装层层叠示意叠示意图图资料来源：半导体行业观察，方正证券研究所整理LPDDR（lowpowerDDR）指的是指的是低低功耗功耗双双倍数倍数据据传输传输率率，其，其目目的是的是降降低存低存储储器的器的功功耗耗。主要是通过 减小存储器与CPU之间的导线电阻和减小通道宽度来实现低功率的运行。通通过过改改变变存存储储器器位位置置或或封封装装层层叠叠技技术术降降低低功功耗耗。将存储器焊接在主机板上与CPU紧邻的位置，或是采采用用封封装装 层层叠技叠技术术直接直接堆堆叠在叠在处处理器理器上上方方（通常是SoC）使得LPDDR存储器与处理器紧密整合使线电阻减小，进 而降低功耗。LPDDR无无固固定定通道通道宽宽度，度，一一般般为为32bit，小于，小于普普通通DDR，且且LPDDR运行运行电电压较压较低低，从，从而而实现实现节节能。能。历历代代LPDDR参数参数对对比比规规格格LPDDRLPDDR2 LPDDR3 LPDDR4 LPDDR4X LPDDR5Vdd(V)1.81.21.21.11.1and0.6Max1.1and0.6内部内部时时脉脉(MHz)200-266200-266200-266200266200I/O时时脉脉(MHz)200-266400-533800-1066160021333200预预取取缓缓冲区大小冲区大小2n4n8n16n16n16n突突发长发长度度16-32最大最大传输传输率率(MT/s)400-533800-10661600-2133320042666400每每32位元位元汇汇流排最大流排最大传输传输率率(GB/s)1.6-2.13.2-4.26.4-8.512.81725.6记忆记忆体体库库数量数量/88816,ingroups晶片密度晶片密度/64Mb-8Gb1Gb-32Gb 4Gb-32Gb/CMD/位址位址汇汇流排流排19bitSDR10bitSDR10bitSDR6 bit SDR,multicyclecommands/通道通道频宽频宽3232322x1616or2x161x16堆叠堆叠记忆记忆体晶片体晶片较较低密度低密度I/O的的BGA锡锡球球将将记忆记忆体晶片体晶片连连接至封装接至封装底部的底部的焊垫焊垫上方上方高密度高密度I/O的的BGA锡锡球将球将ASIC逻逻辑辑晶片晶片连连接至主机板接至主机板金或金或铜焊线铜焊线封装封装单单一或多个一或多个ASIC逻辑逻辑晶片晶片导线载导线载板（基本上是小片板（基本上是小片的的PCB）DRAM分类及技术路径：LPDDR LPDDR封装层叠示17DRAM分分类类及技及技术术路径路径：GDDRGDDR参数参数对对比比资料来源：半导体行业观察，方正证券研究所整理GDDR是是绘绘图图用双倍数据用双倍数据传输传输率（率（graphicsDDR），），为为专门专门适配适配绘图绘图芯片的存芯片的存储储器器。与传统DDR芯片相比，GDDR芯片的 频宽更宽，且每个芯片都直接连接至GPU，多个GDDR并行产生更宽的数据带宽。多个GDDR的接线不需通过多工器处理，并通过使用更小的更小的阵阵列列以及更大的周更大的周边电边电路路提升了其读取速度，并提升I/O时脉速度，同时降低GDDR的记忆体密度。GDDR与与处处理器的理器的紧紧密排列限制了内存的最密排列限制了内存的最终终兼容兼容。一般的大尺寸GPU最多和12个GGDR芯片紧密整合。各各代代GDDR升升级级路路径径与与DDR类类似似，初初期期不不分分家家。初期时 DDR/GDDR、DDR2/GDDR2其实规范差异很小，频率等参数基本 上都是一致，因此当时显卡即可以用 DDR2颗粒，也可以用 GDDR2显存颗粒。自GDDR3显存开始，其成为专为图形处理 开发的一种新型内存。GDDR5基于DDR3采用差分时脉，可同时开启两个记忆分页。GDDR5X采用了具备16n缓冲区的四倍 数据传输率（quaddatarate：QDR）模式。GDDR6采用了类似于LPDDR4的通道分裂技术。GDDR与与处处理器排列示意理器排列示意图图外接外接记忆记忆体体矽矽晶片晶片GDDR5规规格格GDDR3GDDR4GDDR5GDDR5XGDDR6Vdd(V)/1.51.35 1.51.351.25 1.35Vpp(V)/N/A1.8/内部内部时时脉脉(MHz)/625-1000625-8251000I/OCMD时时脉脉(MHz)/1250-20001250-17502000I/OCMD时时脉脉(MHz)/2500 40002500-35004000预预取取缓缓冲区大小冲区大小4n8n8n8n DDR or 16n QDR16n QDR突突发长发长度度/88 or 1616最大最大传输传输率率(MT/s)/5-810-1416每每32位元位元汇汇流排最大流排最大传传输输率率(GB/s)/20-3240-5664存取粒度存取粒度(bytes)/32642x32I/O频宽频宽/x32/x16x32/x162chx16/x8记忆记忆体体库库数量数量/816(no groups)16(no groups)16(no groups)晶体密度晶体密度(Gb)/4-888-32接脚数量接脚数量/170190180DRAM分类及技术路径：GDDR GDDR参数对比 资料18DRAM分分类类及技及技术术路径路径：HBMHBM节节点点发发展史展史资料来源：半导体行业观察，方正证券研究所整理HBM相相较较于于GDDR更更先先进进，开开启启了了DRAM 3D化道化道路。路。HBM位于连接GPU与芯片的中介层上，使用被动式硅中介层。这种中介层不含任何主动元件，能能容容纳纳更更多多的的平行平行导线导线，从而从而提提供极供极宽宽的的带带宽宽，但，但成成本本较较高高。内存内存芯片芯片与与处处理理器器间导间导线线极短极短及及低低频频特特性性使使HBM能耗大能耗大幅降幅降低。低。存储芯片相互堆叠，通过大量硅穿孔连结至底 部的逻辑芯片，再通过中介层的宽汇流排连接至处理器。高位宽允许芯片I/O时脉降至低频。HBM结结构示意构示意图图HBM位置示意位置示意图图规规格格HBMHBM2Vdd(V)1.21.2Vpp(V)2.5堆叠高度堆叠高度4-84-8内部内部时时脉脉(MHz)500500I/O时时脉脉(MHz)5001000-2000晶体密度最大晶体密度最大值值4Gb8Gb每晶片的通道数每晶片的通道数22每堆的通道数每堆的通道数88通道通道宽宽度度(位元位元)128128每通道的每通道的记忆记忆体体库库数量数量816-32预预取数取数2n4n脉冲脉冲时间时间24每接脚的每接脚的资资料率料率(GT/s)0.8-1.22-2.4堆叠密度堆叠密度(GB)48-16堆叠接脚数堆叠接脚数10241024堆叠堆叠频宽频宽(GB/s)128256-607记忆记忆体堆体堆CPU/GPU封装基板封装基板逻辑逻辑晶片晶片中介中介层层HBMDRAM分类及技术路径：HBMHBM节点发展史资料来源：半19DRAM从从2D架架构构转转向向3D架架构构是是未未来来的的主主要要趋趋势势之之一一。3D DRAM是将存储单元（Cell）堆叠至逻辑单元 上方以实现在单位晶圆面积上产出上更多的产量。相较于普通的平面DRAM，3D DRAM可可以以有有效效降降低低 DRAM的的单单位位成成本本。其他其他发发展展路路径径：采用采用铁铁电电材料材料的的设计设计电电容容（ferro capacitor）以延长DRAM位元格储存电荷的时间延长。具有改善DRAM的资料保存时间（retention time），减小刷新的负担、快速开启或关闭低功耗模式、实 现更低的备用功耗，以及进一步推动DRAM的规模化等优点。使用低使用低漏漏电电流流沉沉积积的的薄薄膜晶膜晶体体管管（thin-film transistor），例如氧化铟镓锌，来取代DRAM位元格内的硅基晶体管，以大幅降低储存单元的面积。资料来源：Besang，方正证券研究所整理DRAM未来技未来技术术及制程及制程3DDRAM结结构示意构示意图图DRAM从2D架构转向3D架构是未来的主要趋势之一。3D D20DRAM未来技未来技术术及制程：及制程：进进入入10nm阶阶段段当当前前处处于于10nm阶阶段段，1Znm为为最最新新量量产产技技术术。全球前三大厂商三星、海力士、美光在2016年-2017年进入1Xnm（16nm-19nm）阶段，2018-2019 年为1Ynm（14nm-16nm），2020 年至今正处于1Znm（12-14nm）时代。10nm进进入入第第四四阶阶段段，1a(1)nm工工艺艺即将即将到到来来。在10nm领域，第4代产品已经提上日程，三星、海力士使用字母a、b、c作为1Znm技术的延续，美光则选择、来命名。三星三星领领先，美光先，美光、海力士海力士紧紧随其后随其后。三星已于2020年上半年完成首批1anm制程DRAM的出货，美光、海力士目前还未达到量产阶段。目目前我前我国国DRAM行行业业最最先先进进的的长长鑫正鑫正处处于于1Xnm阶阶段段，落后约4年时间。三巨三巨头头及及长长鑫工鑫工艺艺尺寸尺寸发发展展历历程程三星三星海力士海力士美光美光长长鑫鑫2016资料来源：方正证券研究所整理201720182019202020212022Q11Xnm1Ynm1Znm1 nm1 nm20nm1Xnm1Ynm1Znm1nm20nm1Xnm1Ynm1Znm1nm19nm17nmDRAM未来技术及制程：进入10nm阶段当前处于10nm阶段21DRAM未来技未来技术术及制程：及制程：处处于于10nm阶阶段段资料来源：ICInsights、ASML官网，方正证券研究所整理工工艺艺升升级级速速度度减减缓缓，尺尺寸寸工工艺艺减减小小进进程程遇遇阻阻。DRAM领域的bit growth从1994年至今始终处于下滑趋势，增速从70%（1994年-2003）降低至20%（2017年以后），主要是因为当工艺尺寸减小时，DRAM的良率无法得到控制。DUV即将达到极即将达到极限限，EUV是下一代是下一代光光刻技刻技术术。目前DRAM领域最为成熟的光刻技术是193nmDUV光刻机，其最大极限在大约10nm，目前DUV技术的精确度已经接近极限。下下一一代代13.5nmEUV光光刻刻机机是是DRAM工工艺艺节节点点实实现现10nm以以下下突突破破的的关关键键，EUV可以通过减少光罩次数来进一步压低成本并提高产能。但ASML的EUV一年产能仅十几台，难以满足当前需求。三三巨巨头头仅仅三三星星已已进进行行EUV技技术术试试生生产产阶阶段段，于2020年已出货首批用EUV进行制造的1Xnm级别DRAM。海 力士及美光紧随其后，皆在2020年初发布对于EUV技术生产的计划。目目前前EUV经经济济效效益益低低于于DUV，但但随随着着DRAM工工艺艺技技术术不不断断进进步步，EUV必必将是将是抢抢占未占未来来市市场场的的关关键键所所在在。1994-2014年位元成年位元成长长率估率估计计ASML EUV 光刻机光刻机100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%199419951996199719981999200020012002200320042005200620072008200920102011201220132014Bit Growth（%）DRAM未来技术及制程：处于10nm阶段资料来源：IC I22目目录录一、一、DRAM投投资逻辑资逻辑框架框架二、二、详详解解DRAM：存存储储器器最大最大细细分分领领域域三、周期三、周期&需求需求：周期周期波波动动及需及需求求分析分析DRAM行行业变业变革及周期革及周期DRAM供需与周期关系供需与周期关系详详解解DRAM六大需求剖析六大需求剖析四、知己知彼：四、知己知彼：DRAM市市场场及及竞竞争格争格局局剖析剖析五、国内五、国内现现状：大状：大陆陆各各DRAM厂厂商商详详解解目录一、DRAM投资逻辑框架二、详解DRAM：存储器最大细分23DRAM行行业变业变革及周期：从革及周期：从销销售售额额看行看行业业演演变变资料来源：Smithsonianchips，Vlsiresearch，ICInsights，方正证券研究所整理-100%-50%0%50%100%150%020040060080010001200198519871989199119931995199719992001200320052007200920112013201520172019销售额（亿美元）全球金融危机全球金融危机PC推推动动PC&Notebook推推动动YoY（%）智能手机智能手机&服服务务器推器推动动AIOT200%LG、TI退出退出奇梦达退出奇梦达退出尔尔必达退出必达退出中国合肥中国合肥长长鑫加入鑫加入欧欧债债危机危机新冠疫情新冠疫情美日半美日半导导体体协议协议互互联联网泡沫破网泡沫破灭灭亚亚洲金融危机洲金融危机CAGR=12%主要玩家演变：iPhone4上市上市DRAM芯片需求芯片需求经历经历了了PC推推动动周期、周期、PC&Notebook推推动动周期，目前正周期，目前正处处于智能手机于智能手机&服服务务器器&AloT推推动动周期。周期。2010年iPhone4正式开启移动端的巨大增量，叠加云服务器端需求不断上涨，DRAM迎来第三轮爆发式的增长并持续至今。DRAM 行业变革及周期：从销售额看行业演变资料来源：Smi24DRAM供需与周期关系供需与周期关系详详解解资料来源：ICInsights、方正证券研究所整理013456702004006008001000120020012002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 20092010 2011 201220132014201520162017201820192020市场规模（亿美元）ASP（美元)量价量价齐齐升升价跌量价跌量涨涨量价量价齐齐跌跌2价价涨涨量跌量跌三星三星18nm量量产产三星三星20nm量量产产三星三星28nm量量产产三星三星36nm量量产产三星三星40nm量量产产三星三星60nm量量产产三星三星80nm量量产产三星三星90nm量量产产三星三星0.10 m量量产产DDR2DDR3OneDRAMDDR4、LPDDR3LowLatencyDRAM混合DIMMLPDDR4LPDDR2LPDDR4DDR5LPDDR5GDDR5主流内存标注：新制程良率低新制程良率低中美中美贸贸易易战战、日日韩贸韩贸易摩擦易摩擦宏观经济复苏与产品生命周期来临DRAM供小于求PC、智能手机、智能手机等等设设备备的的需需求求量量上上升升 DRAM供大于求ASP下降，下游厂下降，下游厂商大商大量量补库补库存存ASP上升，上升，厂商预期增加，扩产能 亏损厂商退出，全球供给减小新一新一轮轮的刺激的刺激GDDR6DRAM 供需与周期关系详解资料来源：IC Insights25DRAM供需与周期关系供需与周期关系详详解：供需解：供需错错配配导导致价格波致价格波动动资料来源：Bloomberg数据库、方正证券研究所整理0246810122010/112011/12011/32011/52011/72011/92011/112012/12012/32012/52012/72012/92012/112013/12013/32013/52013/72013/92013/112014/12014/32014/52014/72014/92014/112015/12015/32015/52015/72015/92015/112016/12016/32016/52016/72016/92016/112017/12017/32017/52017/72017/92017/112018/12018/32018/52018/72018/92018/112019/12019/32019/52019/72019/92019/112020/12020/32020/52020/72020/92020/112021/1DDR4 4Gb 512Mx8 2133/2400 MHz DDR4 8Gb 1Gx8 2133/2400 MHz DDR3 4Gb 512Mx8 1333/1600MHz DDR3 4Gb 256Mx16 1333/1600MHzDDR3 2Gb 256Mx8 White BrandDDR3 2Gb 128Mx16 1333/1600MHzDDR4 4Gb 512Mx8 2133/2400 MHz White Brand DDR4 8Gb 1Gx8 2133/2400 MHz White Brand DDR3 4Gb 512Mx8 White BrandDDR3 4Gb 256Mx16 White Brand DDR3 2Gb 256Mx8 1333MHzDDR3 4Gb 256Mx16 White BrandDRAM行行业业：周期性周期性强强，一个周期，一个周期约为约为四年四年。由Bloomberg提供的各型号DDR3/4单价波动来看，2012年至2016年，2016年至2020年分别为完整的波动周期。DRAM扩产扩产从从计计划至划至出出货约货约为为两年两年，故可故可得得一个一个周周期期中价格上行下行分中价格上行下行分别约别约两两年的年的原原因因为为：供小供小于于求，求，价价格上格上行行，厂，厂商商扩产扩产，供大供大于于求，求，价价格下格下行行。2019年达年达到到周期周期底底部部，2020年年上上行周行周期期开启。开启。2020年上半年受新冠疫情影响，服务器、智能手机、PC需求激增带动DRAM价格迅速回升，新一轮上升的大趋势基本确定。从历史数据及我们的推理来看，DRAM 行行业业周期上行通常将持周期上行通常将持续续两年两年，看好看好2021-2022年年DRAM行行业业保持保持稳稳定定增增长长。单单价（美金）价（美金）DRAM 供需与周期关系详解：供需错配导致价格波动资料来源：261350130012501200115011001050100020182021E全球服务器出货量（万台）DRAM供需与周期关系供需与周期关系详详解解：2020年年DRAM涨涨价及其原因价及其原因资料来源：前瞻产业研究院，ICInsight，DRAMexchange，美光公告，产业信息网，Wind，方正证券研究所整理1800170016001500140013002018201920202021E20192020全球智能手机出货量（百万台）需求端不断上需求端不断上涨涨新增供新增供给给端不断减小端不断减小0.50.40.30.20.1020142015201620172018201920202021E-50%0%50%100%01002003002014201520162017201820192020DRAM供给同比（%）DRAM需求同比（%）全球DRAM资本开支（十亿美元）YoY（%）4.003.503.002.502.001.501.00DRAM的的ASP自自2019年触底，年触底，2020年底反年底反弹弹DDR3-4Gb-512MX8-1600MHz 单单价（美元）价（美元）135020182021E全球服务器出货量（万台）DRAM 27资料来源：中国产业信息网，方正证券研究所整理DRAM需求需求侧侧分析：分析：PC+移移动动+服服务务器器为为主要需求主要需求DRAM移移动动式式DRAM（手（手机、机、平平板板电电脑脑等）等）标标准准型型DRAM（PC端）端）服服务务器器DRAM利基利基端端DRAM车车用用DRAMDRAM的主要需求来源的主要需求来源三大主要需求端出三大主要需求端出货货量量对对比比0%10%20%30%40%50%60%70%80%2007200820092010201120122013201420152016201720182019PC端占比端占比服服务务器占比器占比移移动动端占比端占比PC端、移端、移动动端、服端、服务务器器端端为为DRAM主主要需要需求求来源来源。PC端占比12.6%，移动端占比37.6%，服务器占比34.9%，三者占总需求近90%。PC端端进进入入存量存量替替代市代市场场，出，出货货稳稳定定；移移动动端端和服和服务务器器端端DRAM需需求求旺盛。旺盛。5G热热潮推潮推动动移移动动DRAM和和服服务务器器DRAM需需求上求上升升。5G智能手机带来的出货增长以及5G时代对于物联网、云服务、商用服务器/数据中心的强劲增长，拉动了DRAM需求。车车用用DRAM是是未未来来的的新新增增量量。汽车正在朝着自动驾驶的方向演进，而DRAM是不可缺少的基础，随着未来自动驾驶技术的普及和渗透，汽车将成为DRAM的新战场。图图形用形用DRAM（GDDR）资料来源：中国产业信息网，方正证券研究所整理DRAM 需求侧28资料来源：iFixit，准峰云创网，方正证券研究所整理DRAM 需求需求侧侧分析分析：PC产产品拆解品拆解内内存存的的高高速速读读写写能能力力显显著著提提升升PC运运行行速速度度并并降降低低延延迟迟。CPU处理速度远高于硬盘读写速度，需要时再从硬 盘中调用数据将造成CPU性能浪费。内存架构位于硬盘与CPU之间，为CPU存储指令及预存相关数据。处理器可直接从内存中读取所需数据，减少磁盘读写操作。PC端端DRAM一一般般采采用用DDR与与GDDR。GDDR主要为GPU预存数据并存储GPU处理结果以待调用。部分低端部分低端PC采采用用集集成成显显卡，卡，不不配配置置独独立立显显存存。集成显卡运行时会占用系统内存。美美光光 ：16xSDRAMDDR4da8Gb三三星：星：4xRAMGDDR6da8Gb东东芝芝 ：512GBFlash英英 特特 尔尔 ：ControllerThunderbolt3AMD：5300M GPU英特英特尔尔 ：i7-9750H处处理器理器MACPro2019拆解拆解华硕华硕PRIMEB350M-E主板拆解主板拆解数数字供字供电电&EPU支支持双通持双通道道DDR4AMDAM4插槽插槽AMDB350芯片芯片32Gb/sM.2x4双双模式模式SATA接接口口 6Gb/s资料来源：iFixit，准峰云创网，方正证券研究所整理DRA29资料来源：IDC，Techspot，方正证券研究所整理DRAM 需求需求侧侧分析分析：PC端端286.4269.7262.7259.4262.6275.1277.86%4%2%0%-2%-4%-6%-8%240.0250.0260.0270.0280.0290.02015201620172018201920202021E全球PC出货量（百万台）YOY型号DDRDDR2DDR3DDR4DDR5上市年代20022004200720142022电压（V）2.51.81.51.21.1存储速度（MT/S）2664001066213348006400内存密度（Gb）1481632PC市市场场目目前前已已进进入入存存量量替替换换阶阶段段。随着智能手机及配套生态的持续发展，个人电脑（台式电脑及笔记本电 脑）的出货量自2011年起就呈现缓慢下降趋势，至2019年才实现正增长。2020年年新新冠冠疫疫情情导导致致在在线线教教育育与与远远程程办办公公需需求求激激增增，带带来来了了4.8%的的增增长长，目前由于海外疫情形势依旧严峻，居家办公学习所带来的笔记本电脑的强劲需求将至少维持到2021年上半年。市市场场规规模模稳稳定定，标标准准型型DRAM出出货货占占比比减减小小。每年个人电脑的出货量保持在2.5亿台至3亿台左右，而随着 移动端以及服务器端的DRAM放量，2019年标准型DRAM在整个市场的占比约为20%左右，但其重要性仍不可忽视。DDR4为为目前主流目前主流产产品品，DDR5即将面即将面世世。2020年10月海力士宣布推出全球首款DDR5产品，计划在2022年实现量产。目前主要支持DDR5的平台为Intel的12代酷睿Alder Lake以及AMD的Zen4架构EPYC，预计预计DDR5对对DDR4芯片的替代可能要芯片的替代可能要在在2023年下年下半半年才年才实实现现。全球全球PC出出货货量量统计统计标标准型准型DDR参数参数对对比比资料来源：IDC，Techspot，方正证券研究所整理DR30资料来源：iFixit，eWiseTech，方正证券研究所整理DRAM 需求需求侧侧分析：移分析：移动动端端 智能手机与平板智能手机与平板电脑电脑拆解拆解LPDDR相比常相比常规规DDR体体积积更小，更小，牺牺牲牲少量性能同少量性能同时时大大幅幅削减能削减能耗耗。多用于手机、平板电脑、智能手表等移动端设备，以及汽车ADAS及智能驾驶系统等场景。移移动动端受端受产产品体品体积积与重量限与重量限制制，电电池池容量容量设计设计有有限限，因因此此移移动动端端DRAM需需要要同同时时平平衡衡功功耗耗与与性性能能。据美光官方信息，LPDDR5相较LPDDR4功耗下降20%，使手机续航时间延长约10%。移移动动端端DRAM容容量量及反及反应应速速度度不断不断升升级级已成定已成定势势。智能手机随更新换代往往需要搭载并同时运行更多软件。智能手机需要满足游戏娱乐、高清视频播放等多种高性能需求。主流厂商手机内存容量一般为4/6/8Gb，部分高端机型容量可达10/12Gb。三三 星星 :8/12GbLPDDR5三三 星星 :NorFlash村田村田:射射频频功功 率放大器率放大器海思海思:WiFi芯片芯片意法半意法半导导体体 电电源芯片源芯片凌云凌云逻辑逻辑 音音频频芯片芯片华为华为Mate40Pro拆解拆解苹果苹果iPad6拆解拆解Apple：Wi-Fi/Bluetooth模模组组闪闪迪迪 ：32GBdimemoriaflash恩智浦：恩智浦：ControllerNFC博博 通通 ：Controllertouchscreen美光：美光：3GBdiSDRAMLPDDR4资料来源：iFixit，eWiseTech，方正证券研究所31资料来源：IDC，数科世界，方正证券研究所整理DRAM 需求需求侧侧分析：移分析：移动动端端手手机机和和平平板板电电脑脑是是移移动动端端DRAM最最重重要要的的市市场场。移动端DRAM自2012年超过PC端以来始终是DRAM最大市 场，目前占DRAM总出货量40%左右。根据IDC数据显示，2020年手机出货量约13亿台，平板电脑约为1.6 亿台，两者为移动端DRAM的主要市场。LPDDR3、LPDDR4为为主主流流，最最高高级级别别为为LPDDR5。LPDDR3现在被运用在中低端的智能机上，是最大的 市场，但随着中低端手机出货慢慢减弱，LPDDR4成成为为主主流流。自2020年2月多个搭载LPDDR5的品牌旗舰机发布以来，LPDDR5已经成为最先进5G手机的标准配置，但由于成本高，还无法成为主流配置。容容量量增增长长趋趋缓缓，主主要要增增量量来来自自中中低低端端。高高端端手手机机内存多为8G-16G，配置略有过剩，除非有新的功能或者技 术出现进一步带动DRAM容量的增长。移移动动端端DRAM容量增容量增长长短期内短期内主主要来要来自自于中于中低低端端机机。全球手机出全球手机出货货量量统计统计1301.71437.21470.61465.51404.913711292.21356.81383.9-10%-5%0%5%10%15%12001250130013501400145015002014