中国存储器能否打破海外垄断？
本文来自“中金公司”，文|黄乐平。
全球市场概览:千亿美金市场，寡头竞争，IDM模式盛行
根据WSTS的统计，全球存储器行业营收2017年达到1319亿美元，占半导体行业收入的30.1%，过去五年(2012-2017)年复合增长率高达37%。
主要驱动力包括智能手机和数据中心服务器。在2018-2020年，行业年化收入增速将维持在8%上下，有放缓趋势。
从产品形态来看，存储器主要包括：
1) NAND(闪存，属于非易失性存储器)，2017年市场规模达540亿美元，主要用于大容量外部存储;
2) DRAM(动态随机存储器，属于易失性存储器)，2017年市场规模730亿美元，主要用于设备内存;
3) NOR(闪存，非易失性存储)，2017年市场规模23亿美元，主要用于存储固定代码。其他存储器类型还包括SRAM(易失性存储)和几种ROM(非易失性存储)，但市场普及度都比较低。
从竞争格局来看，通过多年行业整合，行业呈现寡头垄断态势。
根据IDC的统计，1Q18DRAM存储器行业实现营业收入232亿美元，三星、SK海力士、镁光三家分别拥有46%，27%，23%的市场份额，前三甲合计市占率超过95%。
1Q18NAND存储器行业规模136亿美元，三星，东芝/西部数据、SK海力士、镁光分别拥有42%，29%，13%及12%的市场份额。
NOR方面，旺宏目前市占率最大，我国的兆易创新(Gigadevice)有8%左右的市场份额。
产业链的前半段:
全球主要存储器厂商主要采取设计、制造、封测一体的IDM，原因在于存储器行业的技术竞争激烈且规模效应强，要依靠大产能来降成本，获取更多盈利。
且IDM模式能更好的实施设计与制造的沟通，在效率上优于Fabless+Foundry分工，尤其是在技术演进的过渡时期优势明显。
走“虚拟IDM的模式”也似乎可行，Fabless锁定代工产能，二者展开深度合作，例如兆易创新。
再看产业链的后半段:
目前，虽有存储厂商外包封测业务，但80%以上的封装测试仍由IDM进行。存储颗粒不能在整机中直接使用，模组的生产也是必要环节。
DRAM模组方面，Kingston占据了绝对统治地位;NAND方面，三星在闪存颗粒上的优势得以延续，市占率领先。
此外，闪存盘还离不开控制器的辅助，第三方厂商如群联、慧荣、Marvell都有着稳固的市场地位，我国的江波龙也有一定份额。
DRAM:三足鼎立，2017年受数据中心驱动增长强劲，目前下行周期降至
市场规模及应用细分
2017年全球DRAM市场规模730亿美元，过去五年(2012-2017)CAGR达22.7%。按bit需求来算，根据iHS的统计，2017DRAM存储容量需求达948亿GB，同比增长28.2%，过去5年(2012-2017)保持年化27.5%增长。
DRAM颗粒制造市场呈现寡头竞争的态势。按2017年营业收入统计，前三位中三星、SK海力士、镁光三家存储器公司合计占据了95%以上的市场份额。
按下游应用来分，目前，DRAM芯片在智能手机及服务器领域的用量需求最大，以bit计算，分别占到总需求的42%及28%。
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根据Gartner的数据，得益于数据中心数量及规模上升的强大驱动，2017年服务器DRAM的bit需求增长已经超过智能手机。2018年上半年服务器DRAM需求增长仍然强劲。
从产品种类来看，为了满足更高的工作频率及带宽需求，在各终端应用中，目前DDR4产品已经逐渐对DDR3实现替代成为主流。
根据IDC的数据，按出货量拆分，DDR4占比已达42%，与DDR3(占比47%)相当接近。
行业周期位置
存储行业与整个半导体行业一致，景气度随供求关系呈周期性变化。
我们看到，在整个智能手机驱动的半导体行业周期内，2016年DRAM市场达到相对低点，2017开始出现供不应求，行业内公司的发展几乎同步向好，虽然它们的财务状况不尽相同，产能增加情况也不尽相同。
但一旦产能释放，市场正日益走向供需平衡，整个行业“一荣俱荣，一损俱损”的情况将不复存在，公司间竞争加剧，营业利润率承压下行。但市占率领先的厂商受影响相对较小。
目前智能手机出货量放缓后，AI、5G等新应用还未能对DRAM需求形成规模性刺激。从宏观角度来看，ASP同比增速我们认为DRAM自2018年三季度起将正式进入下行周期，高端DDR4产品ASP开始松动，出现软着陆。
根据Yole的预测，乐观情况下，2018年DRAM存储器市场规模将接近1000亿美元，2019年增速明显放缓，市场规模将趋于稳定。
供需关系与价格
在经历2015年的供需失衡的惨淡后，2016年DRAM价格企稳，重新回到上升周期。
特别是到了2017年，北美数据中心的需求持续强劲，以及DRAM供给端产能与制程受限下(各厂商高容量模组占比仍然有限，1Xnm刚开始导入或处于产能爬坡阶段)，并不能满足整体服务器内存市场需求，服务器用DRAM供不应求的情形在下半年比较显著，带动DRAM持续价格上扬，与3Q16价格相比已经翻倍，PC端情况类似，手机DRAM价格也有40%以上增长。进入2018年后，产能逐渐释放，对于ASP来讲影响将会是负面的。
目前DDR3产品的价格已经开始松动，DDR4价格预计在产能开出后也将受供求关系影响进入下行周期。
回到Wafer投片情况来看，根据DRAMeXchange的数据，2017年三星出货量仍居第一位，4Q17投片量360-400K，SK海力士以280K左右的投片量位居第二，镁光位居第三。到今年年底，三星将扩产至460-480K左右，海力士有扩产计划，而镁光产量基本持平。
产能逐渐释放，势必在2019年将对供需关系产生影响，进而影响价格。
如前文所述，服务器端DRAM需求量近两年来增长迅猛，在未来3-5年内，服务器DRAM占比将可能达到40%。根据DrameXchange预测，4Q17服务器32GBDRAM占比已达61%，在4Q18将上升至74%左右，带动DDR4需求。
此外，这一轮DRAM的景气，和中国手机客户DRAM需求增多也有关联。但向前看，智能手机出货量增长放缓至低个位数，数据中心数量及规模增长也很难维持在高位。
结合IDC的数据，到2019年后，产能释放，供应充足率将转为正值，市场供过于求，届时DRAM存储器将面临价格压力。
虽然AI、5G等新应用必然带来DRAM的新一轮上升周期。但以目前的可见度来看，这个时间点要到2020年甚至更晚才会出现。
NAND:SSD需求逐渐取代手机，2017景气不再，价格下滑，市场增速放缓
市场规模及应用细分
2017年全球NAND市场规模540亿美元，过去五年(2012-2017)CAGR达18.5%。按bit计算，根据iHS的统计，2017DRAM存储容量需求达1727亿GB，同比增长34.3%，过去三年(2014-2017)保持年化42.8%高速增长。
相较DRAM，NAND颗粒制造的竞争格局更加多元化。除三星电子拥有39%的市占率遥遥领先外，东芝+西部数据合计市占率为32%、SK海力士、镁光的市场份额均位于10-20%的区间，实力不相上下。
NAND闪存方面，由于AI、高性能计算等新应用带动数据中心工作量与日俱增，计算用大容量SSD很大程度上推动了NAND需求的扩大。
从2016年起，SSD的bit需求增长已经领先于智能手机与平板电脑。从绝对需求量(按bit)来看，2017年SSD占比已经达到45%，与手机的48%占比不相上下，充分说明SSD将成为整个NAND的主流应用的趋势。
从产品种类来看，MLC/TLC型NAND可在一个单元内存储多个bit数据，虽然可靠性略差、寿命较短，但凭借良好的性价比和容量，普及度远超SLC。
随着平面结构微缩极限的到来，NAND存储器不得不转向3D结构发展，3DNAND出货量占比不断提升，目前已经占到全球的26%左右。中国的长江存储(YMTC)也进入了3DNAND阵营。
行业周期位置
与DRAM无异，NAND存储器市场仍然呈现周期性波动。
2016年上半年存储器价格暴跌后市场到达底部，下半年需求开始回暖，产能逐渐扩张。
2017年开始，由于技术向64层3DNAND迁移，产能放量较缓，市场供货紧俏。而到了2018年，产能开出，NAND供过于求，行业进入新的下行周期。
根据Yole预测，在NAND存储器ASP下降的同时，对需求同样构成一定刺激，2018年NAND存储器市场规模将达到640亿美元左右，同比增长14.8%，2019年起市场规模增速放缓，趋于稳定。
在AI等新应用对行业形成有效驱动前，增速与17年难以相比。
各厂商NAND产品营业利润率表现与整个行业一致，呈周期性波动，且目前已经对行业下行趋势有所反应。但整体看来，市占率高的厂商的营业利润率历史表现相对稳定，如三星、东芝。
此外我们发现，进入下行周期后，龙头厂商在利润率上的变化最为迅速，我们认为这也是其凭借大规模、低成本优势，在下行周期内靠低价来打压竞争对手的体现。
供需关系与价格
自2018年以来，受各大厂商3DNAND产能释放影响，大容量NAND价格一路跳水，跌幅达50%左右，近乎回到两年前水平。
供给过剩是价格下跌的一方面因素，而另一方面，是因3DNAND技术的成熟导致TLC型颗粒稳定性上升，大容量芯片成本明显降低导致。
相比之下，SLC、小容量产品价格跌幅不明显，原因在于SLC的应用场景较特殊，受众小，客户需求相对稳定。
市场目前对于NAND市场供过于求表示出强烈的担忧，但我们认为虽然行业将进入下行周期，但这种担忧可能略微过度。
从投片情况来看，2018年全年新扩充的产能有限。
根据IDC的数据，到2019年NAND供给只处于略微失衡的状态，在3Q18缺口最大，供应充足率为3.2%左右。
此外，低价对行业来说不一定全是利空:低价存储器本身对市场需求也能构成一定刺激，这也同样验证了近期在价格下跌周期内，存储厂商收入因需求扩大未见萎缩的逻辑。
三星、东芝/西部数据的QLC闪存于2018年下半年已经陆续出样，乐观来看，年底可能会有QLC硬盘商业化，但大规模量产上市应该还需到2019年甚至更晚。
等QLC普及后，对大容量3DNAND存储价格仍有一定冲击。NAND价格随着技术迭代，越来越便宜是整体趋势，但需求扩大也会在一定程度上对价格下跌形成抵消。
我们认为，到2020年前后，NAND市场规模将会趋于稳定。
NOR:近五年来市场整体萎缩，技术升级有望注入新活力
市场规模及竞争格局
2017年NORFlash市场规模达23亿美元，同比增长24.8%。过去五年来看，整体NORFlash市场呈萎缩趋势，原因在于:1)智能手机逐步替换功能手机，对NOR的需求减少;2)部分高容量产品转而由SLCNand取代。
但Nor市场规模从2016年开始相对稳定，终止下跌趋势，我们认为主要是由于下游新增应用需求，来自:1)智能手机中TDDI以及AMOLED;2)物联网;3)汽车电子。
竞争格局上来看，2017年旺宏在NOR市场的份额位居第一，达26%左右。
Cypress位列其次，我国的兆易创新在2017年市占率达8.2%，排名第五位。而从供给端来看，因为利润率不及其他业务原因，Cypress和镁光都在相继缩减产能。
Cypress逐步退出中低容量市场，未来专注于汽车、工业控制等应用的高容量产品，而镁光选择淡出利基型闪存市场，未来更专注于DRAM和NAND生产。积极扩大产能的兆易创新，在未来有望市占率达20%，跻身世界前三。
未来发展趋势
智能手机中TDDI以及AMOLED渗透率的增加，为NOR带来新的市场需求。TDDI是将智能手机的触控与显示驱动集成在一起，整合进单一芯片中。
由于TDDI芯片较为复杂，需要更多的容量来存储分位编码，需要新增一颗NORFlash芯片，因此对NOR的需求有所增加。
根据我们的预估，2018年TDDI渗透率将达到25%，以对应4-16MB的NORFlash测算，带来7,700万美元的市场容量。
同样，AMOLED面板的渗透也是另一大动因。由于AMOLED面板技术门槛较高，目前仍受到亮度均匀性和残像等技术制约，良率无法迅速提升，因此需要进行光学补偿。
光学补偿相关编码较为复杂，无法整合进驱动芯片中，因此需要新增一颗NORFlash芯片来进行存储，iHS预计2018年AMOLED渗透率为30.0%，以对应8-32MB的NORFlash测算，带来1.3亿美元的市场容量。
中国的机会与挑战:本土需求强劲，技术资本开支巨大影响前期利润
虽然中国是全球最大的存储器消费市场之一，但由于过去产业基础薄弱。发展存储器需要在专利技术，人才，资本等多个方面补齐短板。
目前一般采取的方法是通过拥有技术的半导体企业与有资金的地方政府和半导体大基金合作的形式进行推进。
中国主要的存储器项目包括(1)紫光集团与武汉，南京及成都合作展开的NAND与DRAM项目。(2)兆易创新与合肥合作的DRAM项目。(3)联电与福建省合作的存储器项目。
技术差距
DRAM:为了获得更快的速度与更低的能耗，DRAM随摩尔定律的发展一步一步缩小自身尺寸，若采用EUV光刻，制程可微缩至10nm量级。目前，行业前三甲三星、SK海力士及镁光都处于完成1Xnm制程转换或在转换过程中的阶段。具体情况为:
► 三星技术明显领先，目前已有较高的1Xnm制程收入占比，并积极推进1Ynm制程转入进度。平泽厂计划于2019年开始量产10nmLPDDR5芯片。
► 镁光方面，原瑞晶部分已于今年二季度实现到1Xnm的全部转换，并计划于明年转向1Znm，而原华亚科部分仍在向1Xnm制程的转换当中。
► SK海力士已于2017年开始向M14厂一期产线及无锡厂开始导入1Xnm制程，但由于技术壁垒较高，2018上半年良率不达预期，LPDDR4产能仍然有限。
我国的福建晋华目前仅专注于利基型DRAM的制造，技术相对落后，首先导入的产品为25nmDRAM存储器，制程上大概落后三星3代左右。
合肥长鑫将从19nm(1X)制程切入市场，我们预计2020年可开始大规模量产产品。到2019年底，公司产能将达到2万片/月。大概落后三星2-3年。
NAND:由于平面微缩极限的到来，NAND存储器转向3D结构发展。
堆叠层数增多不仅增大容量，更因为绝缘材料及空间结构变化解放了TLC技术的可靠性和寿命问题，使QLC成为可能。这一演进，大大降低了单位GB成本。
3DNAND方面，目前64层产品已经在各大境外厂商中普及，全球3DNAND的出货量占比已经达到1/4有余。今年7月三星96层TLCV-NAND开始量产，在竞争中领先将于今年更晚时间量产96层3DNAND的东芝/西数和镁光。
我国长江存储(YMTC)自主研发的32层3D-NAND产品将于年底量产出货，其今年刚发布了Xtacking技术，将帮助NAND存储器实现与DDR4内存I/O速度，及更大的堆叠密度，并将用于明年量产的64层3D-NAND产品中。
大体来看，技术相媲美的上落后全球大厂3年左右的时间。
资金投入
存储器是典型的资本密集型行业。如我们先前所述，为了获得制程的领先及规模带来的低成本优势，各厂商不得不采用IDM模式或虚拟IDM模式来经营，并且在适当时点上不遗余力投资。
随着先进制程成本的增加，有扩产计划的厂商资本开支明显加大。目前市占率较高的三星、镁光、SK海力士及东芝在存储器上的年资本支出均超过50亿美金。
我国的紫光集团(南京+成都+武汉)、合肥睿力及福建晋华的总投资分别达到780亿美元，72亿美元及53亿美元，数额巨大。
事实上中国巨额的投入也间接促进了韩、美两国大厂资本开支的上升。三星2017年在DRAM和NAND上投入的资本开支就达到200亿美金，因此，我国厂商的数字分摊到每年，还难以和龙头厂商相比。
虽然在量产初期，如此巨大的资本开支也会给中国企业带来不小的折旧压力，下行周期中技术、管理略逊的中国企业可能必须经历几年内亏损，但若想实现存储器的国产替代，这种投入十分必要。