智能手机市场：5G带动智能手机更换需求，出货量&容量同步提升
5G通信带来的换机潮助推手机出货量与单机搭载NAND Flash容量提升。5G通信增加了存储的复杂程度，每台移动设备生成和消耗的数据量都是当前设备的数倍，总结而言，5G移动设备的主要存储趋势包括：1）提高顺序读取/写入速度和带宽功能；2）大部分5G手机NAND容量为128G起，较64G手机提升一倍，且提供256GB、512GB甚至更大存储选择。2020年底，华为、苹果、OPPO、荣耀、VIVO等智能手机平均容量超过100GB，同时智能手机整体平均容量也在2020年首次突破100GB；3）采用存储容量更高且成本更低的TLC、QLC产品。另一方面，5G通信也加速了消费者对智能手机的更换需求，5G手机出货整体保持上升趋势：2021年1-9月，5G手机出货量1.83亿部，同比增长70.4%，占同期手机出货量的73.8%。并且据中国通信院数据，2020年国内市场5G手机上市新机型累计218款，占所有新机型47.2%。我们预计伴随着5G手机的渗透率稳步提升，NAND Flash整体市场有望受益于手机出货量与单机搭载NAND容量双重提升迎来快速发展。据Counterpoint预测，2025年移动设备的NAND闪存消耗量将是2021年的三倍，中国闪存市场数据预测2020-2022E NAND Flash总存储容量复合增速将达30%。
图表26：3Q19-3Q21中国5G手机出货量及占比
资料来源：中国信通院，中金公司研究部
图表27：2013-2022E全球单个3D NAND闪存颗粒容量及预测
资料来源：China Flash Market，中金公司研究部
图表28：2016-2022E全球NAND Flash总储存容量及预测
资料来源：智研咨询，China Flash Market，中金公司研究部
NOR Flash：新兴下游应用打开NOR Flash市场空间
随着功能手机数量下降，2006-2016年NOR Flash 市场规模处于下降周期。智能手机不断替代功能手机，而智能手机需要更大容量的存储芯片，NAND Flash在高容量下比NOR Flash更有成本优势，NOR Flash市场份额逐渐被NAND Flash替代。除了功能手机外，应用于PC的BIOS的存储空间较小，通常在1-32MB左右，单芯片价值较低，其他NOR Flash电子产品数量不足以补充其ASP低的缺点，因此NOR Flash市场空间不断下降。根据CINNO Research统计，NOR Flash市场规模从2006年的73.3亿美元下降至2016年的18.6亿美元。
众多新兴下游应用出现，NOR Flash市场迎来复苏。近年来，随着物联网、可穿戴设备、智能手机的TDDI和AMOLED、5G、汽车电子等为主的新兴应用领域发展迅速，NOR Flash市场规模也随下游应用的拓展打开增量空间。根据CINNO Research预测，NOR Flash市场规模有望从2020年的25亿美元增长至2026年的42亿美元，其年复合增长率为9%。根据Maia Research统计，2018年通讯、消费电子和车载电子是主要的NOR Flash下游应用，分别占30%，26%和18%。
图表29：2006-2026年全球NOR Flash市场规模
资料来源：CINNO Research，中金公司研究部
图表30：2018年全球NOR Flash应用占比
资料来源：Maia Research，中金公司研究部
物联网与可穿戴设备提升中小容量NOR Flash需求
在物联网领域，处理器芯片搭配NOR Flash成为主流方案。针对物联网设备而言，其主要需求为网络连接功能与计算能力，对存储容量的需求不高，若采用传统内存处理方案“处理器芯片+ DRAM+ NAND Flash”，需要用到两颗存储芯片，且DRAM的价格较高，因此整体方案的成本高昂。目前主流的物联网模块是采用处理芯片加一颗几兆到几百兆容量NOR Flash，该方案的成本相比传统方案更低。除了容量和成本因素，物联网应用也受到设计尺寸的限制，减小或去除DRAM是一种常用方法，而搭载NOR Flash方案仅需一颗存储芯片，同样能实现设计尺寸的减小。我们预计“处理器芯片+NOR Flash”方案将会在物联网领域得到广泛应用，NOR Flash市场规模有望提升。
图表31：物联网模块内存方案
资料来源：智研咨询，中金公司研究部
TWS耳机需求量持续增长，NOR Flash数量和容量需求均有所提升。数量方面：根据Countepoint数据，2020年全球TWS耳机销量超预期增长，达到2.3亿部，同比增长78%；2021年TWS耳机销售预计高达3.1亿部，同比增长33%。2021苹果Airpods占比预计从31%降到27%，安卓TWS耳机将迎来更多增长。安卓TWS耳机接力苹果Airpods，总需求量将持续快速增长，而NOR Flash作为TWS耳机内搭载的存储芯片，需求量也将迎来持续增长。容量方面：随着TWS耳机功能升级和性能提升，智研咨询认为NOR Flash 的容量需求有望进一步增大，由最早的 8Mb-16Mb，提高至32Mb-128Mb甚至到256Mb。目前苹果Airpods用的是128-256Mb的NOR Flash，安卓TWS耳机主要用的是4-64Mb的NOR Flash。此外，目前安卓TWS耳机低端的需求增长趋势已放缓，而高端型号的需求在逐步上升，我们预计未来单个TWS平均搭载的NOR Flash容量将保持上升。
图表32：2020和2021年全球TWS耳机市场份额及预测
资料来源：Counterpoint，中金公司研究部
智能手机AMOLED和TDDI带动小容量NOR Flash需求增加
AMOLED与TDDI有望增加小容量NOR Flash需求。1）AMOLED为主动矩阵有机发光二极体，是新一代显示技术，主要应用于智能手机与电视的显示屏。智能手机AMOLED屏幕为了解决亮度均匀性和残像问题（Mura现象），需要外挂一颗8Mb或16Mb的NOR Flash芯片存储外部光学补偿（Demura）所需代码。随着屏幕分辨率的增加，补偿数据量会增大，我们预计NOR Flash容量需求将会因此提升。2）TDDI是触控与显示驱动器集成，此前智能手机的触控和显示功能由两块芯片独立控制，而TDDI最大的特点是把这两个芯片整合进单一芯片中。TDDI芯片具备结构简单和节省成本的优势，但其中触控功能需要较大的编码容量，需要外挂一颗4-16Mb的NOR Flash进行存储。我们预计AMOLED和TDDI在智能手机领域的兴起将促进小容量NOR Flash的需求增长。
图表33：AMOLED示意图
资料来源：TECH Design，中金公司研究部
图表34：TDDI示意图
资料来源：G2G公司官网，中金公司研究部
5G基站与汽车电子提升大容量和高质量NOR Flash需求
5G基站需要配置多个大容量和高质量的NOR Flash。NOR Flash拥有高可靠性，读取数据快、低功耗、数据时间保持长的优势，广泛应用于5G基站中，与FPGA和SoC搭配，实现设备的快速启动。同时，NOR Flash的低功耗有利于缓解基站设施户外恶劣高温环境的散热问题，且部分NOR Flash已添加安全功能，可保证网络持续安全可用以及IP的安全性。每个5G基站大约需配置4-6颗512Mb的NOR Flash，且其质量需达到工业级温度要求（-40-105摄氏度）。
随ADAS车载系统渗透率提升和高端化演进，NOR Flash有望在汽车领域实现量价齐升。高级驾驶辅助系统（ADAS）是汽车电子安全系统和自动驾驶汽车的基础，可以监测物体并提醒驾驶员出现的危险情况，实现自动减慢车速的场景。NOR Flash拥有即时启动特性，可以解决ADAS系统上电缓慢的弊端，主要用于ADAS摄像头和仪表盘中储存BIOS/程序码。容量方面：单个ADAS系统需要一颗或多颗32-128Mb容量的NOR Flash，更高端ADAS系统则需要1Gb的容量。质量方面：车规级NOR Flash需要通过严苛的AEC-Q100认证，而汽车领域要求相对最低的部件对温度要求也需要达到为-40-85摄氏度，最严苛的要求则需满足-40~150摄氏度。
图表35：5G基站示意图
资料来源：Electronic Design，中金公司研究部
图表36：汽车ADAS系统示意图
资料来源：Cypress官网，中金公司研究部
行业特征&公司分析：高技术及资金投入壁垒，制造工艺&产能或为核心竞争力
行业集中度高，高资本及研发投入构筑行业壁垒
重资产、高投入构筑核心壁垒，竞争格局高度集中。对于占据存储器最大规模的DRAM而言，其供应主要由三星、SK海力士与美光三家公司垄断，2020年三大巨头市占率合计接近95%，而发展初期生产厂商由20世纪80年代内存生产厂家有四五十家到目前全球生产厂商不到十家，行业集中度不断提升。在此过程中，三星确立了龙头地位，其利用存储器行业的强周期特征，依靠政府资助，在价格下跌、产能过剩时逆周期扩张，以规模效应降低成本，使得众多厂商退出市场。在NAND Flash市场，2020年韩国三星、铠侠、西部数据、美光、海力士与英特尔六家厂商占据98%的份额。相对而言，Nor Flash市场相对分散，2020年主要由华邦、旺宏、兆易创新、赛普拉斯四大厂商占据3/4的份额，美光与三星已在逐步退出Nor Flash市场，以普冉、武汉新芯等为代表的国内新兴厂商开始占据一定市场份额。我们认为以DRAM、NAND Flash为代表的存储行业形成高度垄断的原因，主要系该行业所需的资本支出较大，需要投入到工艺的研发与制造上，已形成一定规模的企业可通过强大的规模效应降低成本，压低售价，促使其他小企业/新进入者难以盈利。因此对于存储行业而言，新进入者想要占据一定的市场规模，除了具备相应的设计、工艺、研发水平以及精益的制造水平，还需要具备强大的资金支持与相应的现金流保障，这一核心壁垒使得行业集中度高度集中，强者恒强的效应显著。
图表37：DRAM、NAND Flash和NOR Flash的市场规模与主要厂商市场份额
资料来源：China Flash Market，CINNO Research，TrendForce，前瞻产业研究院，中金公司研究部
设计与制造工艺紧密结合，IDM模式有助于产业链协同
存储芯片公司在生产模式上分为三类，IDM、虚拟IDM与Fabless-Foundry。IDM模式指企业业务包含芯片设计、制造与封测全流程，内部资源整合，从IC设计到IC制造所需的时间较短，但需要自建产线，资金投入要求较高。虚拟IDM模式是指设计厂商拥有自己的工艺平台，晶圆制造厂能配合设计厂商导入特有的制造工艺和专用设备，但产线本身并非由设计厂商投入与生产。Fabless-Foundry是指芯片设计公司专注于IC设计，不具备制造能力，晶圆生产、芯片封装测试均通过委外方式实现，属于轻资产模式，但生产工艺受晶圆厂的技术限制。
存储龙头均为IDM模式，设计与工艺紧密结合助力产品开发
目前全球存储器行业龙头厂商均采用IDM模式，主要系技术竞争激烈且规模效应强，依靠大产能可有效降低成本，提高盈利能力。我们分析IDM模式可从收入与成本端两个维度有效提高存储行业厂商的盈利水平：
收入端：IDM模式有利于结合制造工艺/封测技术，提高高端产品的研发效率。对于存储芯片而言，设计与制造工艺的结合非常紧密，制造工艺的研发、封装技术的更新和设计是同步的，IDM厂商能更好的进行设计与制造的沟通与协同，可使设计的产品在制造工艺/封装技术处于领先，并且在效率上优于Fabless+ Foundry分工，尤其在技术演进的过渡时期优势更为明显。因此IDM厂商在推出高端性能/高容量产品的时效上更高，可通过提高高端产品竞争力与营收占比，进而提升平均产品的售价与盈利水平。
成本端：IDM模式可根据需求与公司策略进行更为灵活的扩产计划，规模化生产有效降低制造成本。存储芯片产品的标准化属性强，且下游需求对于产品的价格敏感，当新一代存储产品开发完成后，IDM厂商可以结合下游需求灵活调整产能，以及实施相应的扩产计划。相对而言，Fabless厂商会受限于Foundry厂能供给的产能情况，当下游需求向好时，晶圆制造/封测的整体产能紧俏，Fabless厂商面临自身产品产能不足的风险。此外，IDM厂商覆盖较长的产业链环节，能有效提高利润留存率。IDM模式的公司体量大，规模化批量生产可进一步降低单位成本，提高毛利率。
三星、SK海力士、美光三大存储行业龙头均采用IDM模式生产，整体毛利率随行业的周期性变化。在存储器上行周期时，IDM厂商可达到50-65%毛利率，周期下行时，产品需求少，产能利用率较低，折旧压力高，毛利率下跌。
图表38：各经营模式公司存储产品的毛利率对比
资料来源：公司官网，公司年报，中金公司研究部（注：SK海力士、美光与普冉90%以上的业务均为存储产品，此处毛利率采用的是总体毛利率；兆易创新与北京君正中存在一定比例的其他业务，此处毛利率为存储产品的毛利率）
图表39：各经营模式公司营收及增速对比
资料来源：公司官网，公司年报，中金公司研究部
Fabless厂商无需重资产投入产线，为中小规模厂商的起步方式
国内现有存储厂商大多仍采用Fabless模式，这是由资金规模与发展阶段所决定的。芯片制造环节为重资产模式，对前期资本积累要求较高，大多体量不足的公司在起步阶段均采用Fabless模式，与晶圆代工厂商保持密切合作以尽量保持良好产能供给。存储芯片中NOR Flash多采用45nm及以上的成熟制程，相较DRAM、NAND而言对于工艺与封装技术要求更为普适，IDM模式的优势相对弱化，我国兆易创新、普冉股份采用Fabless的模式仍能在该细分市场取得一定份额。我们认为通过国内厂商通过NOR Flash细分领域的不断深耕有助于实现初期的体量扩大，有望为此后拓展产品线、投入更高的资产做准备。
虚拟IDM模式兼顾设计&工艺的结合与资本投入，或为良好的过渡模式
IDM模式需要高昂的资本投入，从Fabless进入IDM模式跨度较大，虚拟IDM是良好的过渡模式。虚拟IDM可以通过股权及战略合作的方式实现设计、制造与封测的产业链整合，其可在产线中安装自有设备、并提供相关人员支持，拥有特定的工艺或封测厂资源。在资金投入方面虚拟IDM模式远小于IDM模式，同时也降低Fabless公司转入时的风险。目前兆易创新公司与合肥长鑫的合作即是虚拟IDM的探索，可助力公司设计与工艺制造的紧密结合，同时兼顾现有的资本投入。
总结而言，我们认为存储芯片（以DRAM、Nand为主）需要工艺与设计的紧密结合提高产品研发效率，IDM是最佳经营模式；短期内，Fabless模式可帮助规模较小的公司灵活切入高成长赛道，并且针对Nor Flash市场，由于制程相对成熟、工艺更为普适，Fabless厂商可通过该细分市场实现体量扩大；虚拟IDM模式则是兼顾了资本投入与设计&工艺的结合，是Fabless转为IDM的良好过渡模式。
先进工艺技术/新型存储为行业带来新变局
随制程不断演进，先进EUV设备或为最终解决方案
主流DRAM厂商采用EUV技术实现进一步制程突破。目前主流厂商三星、海力士主要采用投入高昂的EUV（Extreme ultra-violet，极紫光）光刻机攻克下一代DRAM产品，三星目前已宣布开始量产EUV制程技术的DRAM，三星表示与上一代产品相比，每片晶圆的产能提高20%，每个芯片的功耗也能改善约20%。但对于DRAM另一巨头美光而言，其目前暂未引入EUV来提高制程，而是通过开创纳米制造工艺，将计算光刻和多重图案化相结合，以规避固有的光刻限制并提供了世界上第一个1DRAM节点，[1]根据韩媒《Korea Business》报道，美光的1制程DRAM与韩国三星的1z制程均相当于14纳米制程，而美光宣布推出量产时间较三星更早，但由于核心制程技术的不同，目前难以直接将两者的技术相比较。长期而言，随着制程进一步微缩，步入10nm以内的节点，EUV设备或为最终解决方案。
图表40：美光的1 DRAM产品较前一代产品节省了15%功耗
资料来源：Micron，中金公司研究部
图表41：EUV是美光DRAM的未来潜在选择
资料来源：Micron，中金公司研究部
3D NAND技术已成主流，对先进制程工艺的要求趋缓
为适应小体积、大容量等市场需求，NAND FLASH制造技术向3D技术发展。为确保能持续提供高容量、低成本的NAND Flash芯片的制程缩小，目前主要的解决方向为3D NAND存储单元技术与硅穿孔（TSV）技术。据2018年Tech Insights整理，除了三星、海力士、美光、东芝具备量产3D NAND外，我国长江存储是第五家有能力量产3D NAND的厂商。
图表42：3D NAND的结构示意图
资料来源：半导体行业观察，中金公司研究部
图表43：硅穿孔（TSV）技术节省了MCU的封装打线
资料来源：Toshiba（东芝），中金公司研究部
风险
下游需求不及预期：下游应用涉及智能手机、服务器、车用市场等多领域，若下游需求不如预期旺盛，则可能无法驱动厂商提高产能，面临出货量下降、存货堆积与资金链断裂的风险。
国内厂商设计/工艺进展不及预期：新产品的设计和量产需要依赖持续的资金和时间投入，若公司无法维持设计水平和工艺水平的先进性，则会面临市场竞争力下降的风险。
中美贸易摩擦加剧：若中美贸易摩擦风险加剧，则可能对国内存储产业的供应链安全及销售产生一定的影响。
[1]注：韩媒《Korea Business》
文章来源
本文摘自：2021年12月19日已经发布的《半导体存储器：产业转移塑新格局，技术&应用变革创新机遇》
彭 虎 SAC 执业证书编号：S0080521020001 SFC CE Ref：BRE806
石晓彬 SAC 执业证书编号：S0080521030001
唐宗其 SAC 执业证书编号：S0080521050014 SFC CE Ref：BRQ161
本文转载自《中金点睛》
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