集成电路系列报告二：3DNAND国产替代渐行渐近.pdf

本 报 告 的 信 息 均 来 自 已 公 开 信 息 ， 关 于 信 息 的 准 确 性 与 完 整 性 ， 建 议 投 资 者 谨 慎 判 断 ， 据 此 入 市 ， 风 险 自 担 。请 务 必 阅 读 末 页 声 明 。电 子 行 业推 荐 （ 维 持 ） 集 成 电 路 系 列 报 告 二风 险 评 级 ： 中 风 险 3D NAND 国 产 替 代 渐 行 渐 近2020 年 2 月 25 日魏 红 梅SAC执 业 证 书 编 号 ：S0340513040002电 话 ： 0769-22119410邮 箱 ： whm2dgzq研 究 助 理 ： 邵 梓 朗SAC执 业 证 书 编 号 ：S0340119090032电 话 ： 0769-22119410邮 箱 ：shaozilangdgzq集 成 电 路 行 业 指 数 走 势资 料 来 源 ： 东 莞 证 券 研 究 所 ， Wind相 关 报 告 集 成 电 路 产 业 专 题 ： 斗 转 星 移 ，四 大 趋 势 看 产 业 变 革 方 向 投 资 要 点 ： 闪 速 存 储 器 已 经 成 为 主 流 存 储 器 之 一 ， NAND Flash占 据 主 要 位 置 。 闪 速存 储 器 是 一 种 电 子 式 可 清 除 程 序 化 只 读 存 储 器 ， 其 支 持 多 次 的 擦 除 及 写入 。 主 要 应 用 于 一 般 性 数 据 存 储 ， 在 计 算 机 及 电 子 产 品 中 被 广 泛 使 用 。根 据 市 场 销 售 规 模 ， 闪 速 存 储 器 销 售 占 比 约 为 45%， 成 为 继 DRAM外 第 二大 储 存 器 产 品 ， 是 主 流 存 储 器 之 一 。 闪 速 存 储 器 中 ， NAND Flash产 品 销售 额 在 存 储 器 中 占 比 约 为 42%， 成 为 闪 速 存 储 器 中 占 比 最 大 的 细 分 产 品 。NAND Flash作 为 高 数 据 存 储 密 度 闪 存 器 ， 被 广 泛 应 用 于 各 种 数 字 终 端 设备 。 其 中 ， 手 机 和 固 态 硬 盘 （ SSD） 是 NAND闪 存 应 用 份 额 占 比 最 高 的 两个 领 域 ， 分 别 约 为 48%和 43%。 3D NAND具 有 性 能 及 成 本 优 势 。 由 于 集 成 电 路 发 展 受 到 摩 尔 定 律 约 束 ，而 NAND Flash作 为 集 成 电 路 的 一 种 在 2D层 面 发 展 受 到 了 制 约 。 虽 然 制 程提 升 使 得 Planar NAND在 1x/1y /1z nm上 得 到 一 定 发 展 ， 但 未 能 有 效 突破 发 展 瓶 颈 且 面 临 一 系 列 挑 战 。 而 3D NAND技 术 使 得 NAND Flash进 入 到一 个 全 新 发 展 阶 段 ， 突 破 原 有 需 要 不 断 对 晶 体 进 行 微 缩 而 达 到 扩 容 的 瓶颈 ， 通 过 对 晶 体 进 行 堆 叠 而 实 现 单 体 容 量 提 升 。 此 外 ， 3D技 术 还 能 降 低单 位 容 量 成 本 。 3D NAND技 术 使 得 NAND Flash发 展 空 间 得 到 提 高 。 国 际 原 厂 引 领 3D NAND技 术 发 展 ， 国 产 替 代 需 求 在 扩 大 。 在 NAND Flash市 场 中 ， 三 星 、 东 芝 存 储 、 镁 光 、 SK海 力 士 、 西 部 数 据 、 英 特 尔 这 六 家原 厂 长 期 垄 断 着 全 球 99 以 上 的 份 额 。 此 外 ， 国 际 原 厂 持 续 引 领 着 3DNAND技 术 研 发 ， 形 成 了 较 为 厚 实 的 技 术 壁 垒 。 目 前 ， 我 国 智 能 手 机 出 货量 占 全 球 市 场 份 额 超 过 20%， 随 着 国 内 品 牌 在 性 能 等 方 面 升 级 ， 将 提 高品 牌 知 名 度 ， 销 售 量 将 有 望 提 升 。 在 服 务 器 领 域 ， 我 国 厂 商 在 市 占 率 具有 一 定 优 势 的 情 况 下 ， 叠 加 国 内 IDC产 业 加 速 发 展 ， 出 货 量 有 望 提 升 。手 机 和 数 据 中 心 服 务 器 作 为 NAND Flash产 品 主 要 应 用 方 向 之 二 ， 其 出 货量 将 对 NAND Flash产 生 影 响 。 所 以 ， 我 国 相 关 厂 商 对 NAND Flash需 求 有不 断 扩 张 的 趋 势 ， 基 于 产 能 保 障 等 方 面 考 虑 形 成 国 产 替 代 需 求 。 长 江 存 储 有 望 打 破 市 场 垄 断 。 长 江 存 储 是 我 国 3D NAND技 术 上 的 龙 头 企业 ， 其 基 于 Xtacking构 架 的 64层 产 品 已 经 量 产 。 虽 然 国 际 领 先 原 厂 已 经量 产 96层 3D NAND产 品 并 向 下 一 代 产 品 进 行 研 发 ， 而 长 江 存 储 仅 有 64层产 品 ， 但 我 国 与 国 外 领 先 原 厂 的 距 离 已 经 在 逐 步 缩 小 。 此 外 ， 长 江 存 储已 推 出 Xtacking2.0且 直 指 128层 3D NAND技 术 ， 这 将 有 助 于 加 快 对 先 进技 术 的 追 赶 。 供 求 关 系 持 续 改 善 ， 价 格 有 望 持 续 向 好 。 5G在 全 球 范 围 内 均 掀 起 热 潮 ，无 论 是 网 络 建 设 ， 还 是 下 游 应 用 都 成 为 市 场 焦 点 。 在 此 背 景 下 ， 5G手 机换 机 潮 和 IDC建 设 升 级 所 形 成 的 需 求 端 具 有 较 高 的 确 定 性 。 需 求 增 长 将改 善 供 求 关 系 ， 在 NAND Flash价 格 企 稳 回 升 后 有 望 持 续 向 好 。 投 资 建 议 ： 维 持 推 荐 评 级 。 虽 然 六 大 巨 头 占 领 着 NAND Flash市 场 99%以上 市 场 份 额 ， 但 长 江 存 储 作 为 后 来 者 有 望 打 破 垄 断 的 局 面 。 设 备 和 材 料是 一 切 生 产 的 基 础 ， 在 国 产 替 代 需 求 不 断 上 升 的 情 况 下 ， 对 长 江 存 储 供应 商 将 产 生 利 好 ， 可 关 注 半 导 体 设 备 及 材 料 相 关 企 业 :北 方 华 创 、 精 测电 子 、 雅 克 科 技 、 晶 瑞 股 份 。深度研究证券研究报告行业研究集 成 电 路 系 列 报 告 二2请 务 必 阅 读 末 页 声 明 。 风 险 提 示 ： 5G建 设 不 及 预 期 ； IDC推 广 不 及 预 期 ； 手 机 出 货 量 不 及 预 期 ；疫 情 控 制 不 及 预 期 ； 国 家 政 策 改 变 等 。eXdYrUtVnWlWjZcVwVmMqRaQdNaQoMpPmOmMeRpPnPeRnPsM9PnMmMxNmMpMvPqMoN集 成 电 路 系 列 报 告 二3请 务 必 阅 读 末 页 声 明 。目 录1. Flash Memory.51.1 NAND Flash.52. 3D NAND： 冉 冉 升 起 之 星 .72.1 3D NAND 发 展 基 于 堆 叠 技 术 的 提 升 . 102.2 国 外 原 厂 领 衔 3D NAND 技 术 发 展 .113. 国 内 需 求 持 续 扩 大 ， 政 策 和 资 金 积 极 导 入 助 力 国 产 替 代 .143.1 我 国 是 手 机 和 服 务 器 重 要 生 产 基 地 .143.2 政 策 和 资 金 持 续 导 入 集 成 电 路 产 业 发 展 .163.3 3D NAND 技 术 持 续 追 赶 .174. NAND Flash 供 给 关 系 改 善 ， 产 品 价 格 企 稳 回 升 .194.1 NAND Flash 需 求 将 迎 来 新 一 轮 增 长 .194.1.1 5G 换 机 潮 拉 动 手 机 出 货 量 .194.1.2 数 据 流 量 爆 发 时 代 已 来 临 .214.2 国 际 龙 头 垄 断 市 场 ， 国 内 厂 商 突 破 仍 需 时 间 .224.3 NAND Flash 价 格 扭 转 ， 有 望 持 续 向 好 .255. 投 资 建 议 . 266. 风 险 提 示 . 27插 图 目 录图 1： 全 球 存 储 器 产 品 结 构 (按 销 售 额 ).5图 2： 各 存 储 单 元 存 储 情 况 .6图 3： NAND闪 存 应 用 份 额 .7图 4： NAND Flash芯 片 加 工 过 程 .8图 5： NAND Flash容 量 结 构 .8图 6： 平 面 与 非 闪 存 工 艺 发 展 趋 势 图 .9图 7： 2D NAND与 3D NAND.9图 8： 三 星 Planar NAND发 展 至 3D NAND (V-NAND)示 意 图 .9图 9： 3D NAND技 术 发 展 路 径 .10图 10： 3D闪 存 存 储 容 量 趋 势 .11图 11： 领 先 原 厂 技 术 进 程 .12图 12： 原 厂 3D 技 术 推 进 速 度 .13图 13： 三 星 第 六 代 V-NAND（ 3D NAND） 技 术 .13图 14： 全 球 及 我 国 智 能 手 机 出 货 量 情 况 .15图 15： 按 营 收 口 径 国 内 服 务 器 厂 商 全 球 市 占 率 .15图 16： 长 江 存 储 发 展 历 程 .17图 17： 长 江 存 储 Xtacking架 构 .18图 18： 全 球 运 营 商 推 出 5G移 动 网 络 商 用 计 划 情 况 （ 截 至 2019 年 10月 初 ） .19图 19： 2021年 全 球 云 数 据 中 心 流 量 流 向 预 测 .21图 20： 2021年 全 球 数 据 流 量 处 理 情 况 预 测 .21图 21： 全 球 数 据 中 心 流 量 预 测 .22图 22： 云 数 据 中 心 流 量 预 测 .22图 23： 全 球 NAND Flash 竞 争 格 局 .23图 24： 2015-2018年 全 球 NAND原 厂 资 本 投 资 （ 单 位 ： 十 亿 美 元 ） . 24图 25： NAND Flash 价 格 走 势 .25集 成 电 路 系 列 报 告 二4请 务 必 阅 读 末 页 声 明 。表 格 目 录表 1： 各 类 闪 存 器 的 特 点 及 应 用 .6表 2： SLC、 MLC、 TLC、 QLC NAND Flash 的 性 能 特 点 对 比 .6表 3： 3D NAND 64层 部 分 产 品 技 术 对 比 （ 数 据 为 芯 片 设 计 结 果 ） .11表 4： 3D NAND 92/96 层 部 分 产 品 技 术 发 展 路 线 .12表 5： 2019年 全 球 前 五 大 智 能 手 机 厂 商 .14表 6： 我 国 国 家 层 面 集 成 电 路 产 业 部 分 政 策 .16表 7： 国 内 部 分 5G手 机 售 价 情 况 .20表 8： 全 球 智 能 手 机 出 货 量 预 测 .20表 9： 2019Q4 NAND Flash 原 厂 营 收 排 名 .23表 10： NAND Flash 原 厂 晶 圆 产 能 情 况 .24表 11： 2020 年 IC产 品 销 售 增 长 率 排 名 .25表 12： 可 关 注 公 司 盈 利 预 测 (截 至 2020/2/25).28集 成 电 路 系 列 报 告 二5请 务 必 阅 读 末 页 声 明 。1. Flash Memory数 据 存 储 离 不 开 存 储 器 ， 存 储 器 分 为 易 失 性 存 储 器 和 非 易 失 性 存 储 器 。 在 电 子 产 品 中 ，所 有 信 息 都 是 通 过 组 合 “ 0” 或 “ 1” 的 方 式 进 行 表 达 ， 而 存 储 器 则 是 存 储 这 些 电 信 号 的地 方 。 通 过 判 断 存 储 器 断 电 后 数 据 是 否 依 旧 被 保 存 来 区 分 这 两 种 存 储 器 。 易 失 去 性 存 储器 （ Volatile Memory, VM） 在 断 电 后 数 据 随 即 丢 失 ， 静 态 随 机 存 取 存 储 器 (SRAM） 和 动态 随 机 存 取 存 储 器 (DRAM)是 VM 中 两 种 具 备 代 表 性 的 产 品 。 非 易 失 性 存 储 器（ Non-volatile Memory, NVM） 在 断 电 后 数 据 依 然 依 旧 保 存 在 存 储 器 内 ， 闪 速 存 储 器(Flash Memory)则 是 NVM的 代 表 产 品 之 一 。闪 速 存 储 器 已 经 成 为 主 流 存 储 器 之 一 。 闪 速 存 储 器 是 一 种 电 子 式 可 清 除 程 序 化 只 读 存 储器 ， 其 支 持 多 次 的 擦 除 及 写 入 。 主 要 应 用 于 一 般 性 数 据 存 储 ， 在 计 算 机 及 电 子 产 品 中 被广 泛 使 用 。 根 据 市 场 销 售 规 模 ， 闪 速 存 储 器 销 售 占 比 约 为 45%， 成 为 继 DRAM外 第 二 大 储存 器 产 品 ， 是 主 流 存 储 器 之 一 。图 1： 全 球 存 储 器 产 品 结 构 (按 销 售 额 )资 料 来 源 ： SEMI， 东 莞 证 券 研 究 所1.1 NAND Flash闪 速 存 储 器 种 类 众 多 ， NAND Flash占 据 主 要 位 置 。 闪 速 存 储 器 虽 然 有 众 多 类 型 ， 但 主 要为 NOR Flash和 NAND Flash。 两 者 之 间 的 区 别 在 于 存 储 单 元 连 接 方 式 不 同 ， 导 致 两 者 读取 方 式 不 同 。 NORFlash 以 “ 字 ” 为 单 位 ， 具 有 芯 片 内 执 行 的 能 力 。 但 在 块 读 /写 上 则 有不 足 ， 所 以 主 要 用 于 小 容 量 代 码 闪 存 领 域 。 而 NAND Flash在 块 读 /写 上 具 备 优 势 ， 所 以其 主 要 用 在 大 容 量 存 储 领 域 。 根 据 销 售 额 ， NANDFlash产 品 销 售 额 在 存 储 器 中 占 比 约 为42%， 成 为 闪 速 存 储 器 中 占 比 最 大 的 细 分 产 品 。集 成 电 路 系 列 报 告 二6请 务 必 阅 读 末 页 声 明 。不 同 存 储 单 元 性 能 有 所 差 异 。 NANDFlash有 三 种 类 型 的 储 存 单 元 ， 数 据 是 以 位 的 方 式 储存 在 存 储 单 元 内 。 储 存 单 元 有 单 层 单 元 （ SLC） 、 多 层 单 元 （ MLC） 、 三 层 单 元 （ TLC）和 四 比 特 单 元 （ QLC） ， 单 元 存 储 量 依 次 上 升 ， 但 单 元 擦 /写 寿 命 则 依 次 下 降 。 而 存 储 量上 升 致 使 寿 命 下 降 的 原 因 是 存 储 器 工 作 时 需 要 使 用 更 多 的 电 压 值 来 实 现 更 多 数 据 的 写入 ， 电 压 控 制 的 难 度 将 会 增 大 ， 从 而 降 低 硬 件 使 用 寿 命 。 随 着 TLC技 术 的 成 熟 ， 叠 加 3DNAND技 术 加 持 ， 使 得 部 分 TLC 产 品 擦 写 使 用 寿 命 已 经 与 MLC产 品 相 当 ， 这 将 对 TLC产 品的 推 广 将 起 到 重 要 的 促 进 作 用 。 而 QLC 则 是 在 追 求 更 低 单 位 成 本 下 所 开 发 的 存 储 单 元 ，但 其 擦 /写 寿 命 仍 有 待 提 升 。图 2： 各 存 储 单 元 存 储 情 况表 1： 各 类 闪 存 器 的 特 点 及 应 用类 型 特 点 主 要 应 用NOR Flash 芯 片 内 执 行 、 可 靠 性 高 、 随 机 读 取速 度 快 ， 但 块 读 /写 速 度 慢 ， 可 单 字节 编 程 但 不 能 单 字 节 擦 除 ， 可 直 接使 用 ， 无 须 驱 动 适 合 存 储 内 容 较 少 的 执 行 代 码 的 应用 ， 如 用 作 PC 的 BIOS 固 件 存 储 器等NAND Flash 块 擦 /写 速 度 快 ， 失 效 块 不 影 响 有 效块 的 性 能 ， 成 本 低 ； 但 随 机 读 取 速度 慢 且 不 能 按 字 节 随 机 编 程 ， 使 用时 需 要 驱 动 适 合 存 储 高 数 据 存 储 密 度 的 纯 数 据和 文 件 的 应 用 ， 如 用 作 固 态 盘 的 存储 介 质 等AND Flash 尺 寸 小 、 功 耗 低 ， 内 部 有 RAM 缓冲 区 ， 写 入 性 能 较 好 适 合 存 储 容 量 较 大 的 数 据 和 文 件 的应 用 ， 如 制 成 多 媒 体 卡 、 PC-ATA卡 等EEPROM Flash 整 合 了 EPROM 和 NOR Flash 的 特性 ， 比 NOR Flash 具 有 快 速 随 机 读取 、 快 速 读 /写 的 优 势 ， 比 EPROM具 有 明 显 的 成 本 优 势 适 合 存 储 小 最 数 据 和 代 码 ， 广 泛 地用 于 替 代 EPROM,如 用 作 单 片 机程 序 代 码 的 存 储 等资 料 来 源 ： 集 成 电 路 产 业 全 书 、 东 莞 证 券 研 究 所表 2： SLC、 MLC、 TLC、 QLC NAND Flash 的 性 能 特 点 对 比类 型 单 元 存 储 量 单 元 擦 /写 寿 命SLC 1bit/cell 10 万 次MLC 2bit/cell 3000-10000 次TLC 3bit/cell 500 次QLC 4bit/cell 150 次资 料 来 源 ： 集 成 电 路 产 业 全 书 、 互 联 公 开 资 料 、 东 莞 证 券 研 究 所集 成 电 路 系 列 报 告 二7请 务 必 阅 读 末 页 声 明 。资 料 来 源 ： 互 联 网 公 开 资 料 ， 东 莞 证 券 研 究 所手 机 和 SSD是 NAND Flash 主 要 消 耗 方 。 NAND Flash 作 为 高 数 据 存 储 密 度 闪 存 器 ， 被 广泛 应 用 于 各 种 数 字 终 端 设 备 。 其 中 ， 手 机 和 固 态 硬 盘 （ SSD） 是 NAND闪 存 应 用 份 额 占 比最 高 的 两 个 领 域 ， 分 别 约 为 48%和 43%。 所 以 ， 手 机 和 固 态 硬 盘 的 出 货 情 况 将 对 NANDFlash的 需 求 产 生 较 大 的 影 响 。图 3： NAND闪 存 应 用 份 额资 料 来 源 ： DRAMeXchange， 东 莞 证 券 研 究 所2. 3D NAND： 冉 冉 升 起 之 星NAND Flash 是 集 成 电 路 的 一 种 。 NAND Flash 属 于 半 导 体 产 品 ， 是 集 成 电 路 的 一 种 。 所以 ， NAND Flash的 生 产 和 其 他 半 导 体 产 品 一 样 ， 都 基 于 对 硅 材 料 进 行 加 工 ， 经 过 设 计 、封 装 、 测 试 等 步 骤 ， 最 终 成 为 芯 片 产 品 。 在 晶 圆 加 工 环 节 ， 通 过 半 导 体 加 工 工 艺 ， 每 片晶 圆 上 有 数 百 颗 NAND Flash 芯 片 。 这 些 由 无 数 个 晶 体 管 电 路 组 成 的 芯 片 称 为 Die， 每 个Die都 是 一 个 独 立 的 功 能 芯 片 。集 成 电 路 系 列 报 告 二8请 务 必 阅 读 末 页 声 明 。图 4： NAND Flash芯 片 加 工 过 程资 料 来 源 ： 互 联 网 公 开 资 料 ， 东 莞 证 券 研 究 所NAND Flash 容 量 结 构 从 大 到 小 可 依 次 分 为 Device、 Die、 Plane、 Block 和 Page。 一 个Device 有 若 干 个 Die， 每 个 Die 有 若 干 个 Plane， 每 个 Plane有 若 干 个 Block， 每 个 Block有 若 干 个 Page。 而 一 个 Page中 包 含 着 多 个 Cell， Cell是 Page中 的 最 小 操 作 擦 写 读 单元 ， 对 应 一 个 浮 栅 晶 体 管 ， 这 些 晶 体 管 的 存 储 量 决 定 于 存 储 单 元 的 类 型 。图 5： NAND Flash容 量 结 构资 料 来 源 ： 互 联 网 公 开 资 料 ， 东 莞 证 券 研 究 所摩 尔 定 律 限 制 2D 发 展 ， 3D 成 破 解 瓶 颈 利 器 。 由 于 NANDFlash是 集 成 电 路 的 一 种 ， 所 以其 发 展 遵 循 摩 尔 定 律 ， 即 当 价 格 不 变 时 ， 集 成 电 路 上 可 容 纳 的 元 器 件 的 数 目 ， 约 每 隔18-24 个 月 便 会 增 加 一 倍 ， 性 能 也 将 提 升 一 倍 。 由 于 NAND 工 艺 的 不 断 发 展 ， 制 程 已 经 进入 到 1x/1y