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(报告出品方/作者:中泰证券,王芳、杨旭、赵晗泥)
1、利基DRAM主要产品,全球市场超70亿美金
1.1DDR3隶属利基DRAM,十五年发展历经辉煌与没落
存储是半导体第二大细分品类,周期波动性最强,历史成长性最好。1)市场规模://年全球存储市场规模为//亿美金,占半导体规模的比例为28%/27%/26%,是全球第二大细分品类。2)周期波动:存储的周期性与全球半导体整体周期性走势一致,但波动性远大于其他细分品类。3)成长性:-年、-年、-年存储CAGR分别为9.5%、9.7%、14.9%,均为半导体成长性最优细分产品,且近5年增速显著高于近十年和近二十年增速,成长性显著提升。
DRAM是存储器第一大市场,周期波动性最强,历史成长性最优。1)市场规模://年全球DRAM市场规模为//亿美金,占存储的比例为61%/55%/59%,是存储第一大细分品类。2)周期波动:DRAMNANDNor及其他,DRAM周期波动性大于存储平均水平,是存储细分市场中周期性波动最大细分市场。3)成长性:从-21年、-21年、-21年存储器各细分品类CAGR看,DRAMNANDNor及其他,DRAM成长性大于存储平均水平,且近5年增速显著高于近十年增速,成长性显著提升。
DRAM属于半导体存储器,是易失性存储器的一种,主要用于电子设备的内存。半导体存储器分为非易失性存储器和易失性存储器,非易失性存储器在断电时仍然可以保存数据,包括NANDFlash、NORFlash等,易失性存储器在断电状态下数据会丢失,包括动态随机存储器(DRAM)和静态随机存储器(SRAM)。在易失性存储器中,DRAM和SRAM的应用场景各有不同。SRAM的读写速度在所有的存储器中最快,但同时制造成本高,常用于对容量要求较小的高速缓冲存储器,如CPU的一级、二级缓存等。DRAM利用电容储存电荷的多少存储数据,需要定时刷新电路克服电容的漏电问题,读写速度比SRAM慢,但快于所有的只读存储器(ROM),且集成度高、功耗低、体积小,制造成本低,常用于容量较大的主存储器,如计算机、智能手机、服务器的内存等。除半导体存储器外,按照存储介质的不同,存储器还包括光学存储器和磁性存储器。光学存储器根据激光等特性进行数据存储,常见的有DVD、CD等,磁性存储器利用磁性特征进行数据存储,常见的有磁盘、软盘等。
同步DRAM速度更快,替代异步DRAM。按照RAM和CPU是否同频,DRAM可分为同步DRAM(SynchronousDRAM,简称SDRAM)和异步DRAM(AsynchronousDRAM)。在异步DRAM中,CPU与RAM之间没有公共的时钟信号,当RAM不能及时提供数据时,CPU需等待内存数据,这严重影响性能。为解决该问题,同步DRAM应运而生,在RAM中加入时钟输入引脚,使得CPU与RAM之间有公共的时钟信号、实现同步,此时CPU无需等待数据,读写速度加快、数据的传输效率大幅提升。异步DRAM通常适用于低速存储系统,但不适用于现代高速存储系统,在-年期间,同步DRAM逐步取代了异步DRAM,逐步占领了内存市场。
同步DRAM不断迭代,新DDR逐步替换老DDR是行业规律。根据时钟边沿读取数据,同步DRAM分为SDR(SingleDataRate)和DDR(DoubleDataRate)技术,在年之后,SDRSDRAM(有时也简称为SDRAM)逐渐被存取速度更快的DDRSDRAM取代。DDRSDRAM已经发展至第五代,分别是:第一代DDRSDRAM,第二代DDR2SDRAM,第三代DDR3SDRAM,第四代DDR4SDRAM,第五代DDR5SDRAM。每一次迭代,基本都能实现芯片性能翻倍,当新一代性能更好的DDR出现时,老一代DDR会逐渐被替代。
代数越高,功耗越低,传输速率和理论容量越高,每一代较前一代性能翻倍。相较年发布的SDRSDRAM,后面每一代DDRSDRAM在功耗、容量和传输速率上都不断改进,顺应电子设备大容量、省电、低功耗的发展趋势。其中,容量提升是来自芯片集成度的提高,传输速率的提升主要是来自预取倍数的增加。1)功耗方面,从SDR支持的3.3V降低到DDR5的1.1V,功耗降低67%。2)容量方面,随着芯片制程的缩小,存储器的集成度提高,DDR5单颗密度将从8GB起步,理论密度最高可达64GB,是SDR单颗容量的8倍不止。3)传输速率方面,通过增加预取倍数、BankGroup、DDR等技术,DDR5可以轻松实现MT/s的高运行速率,最高运行速率可达MT/s,是SDR的40倍。
技术实现路径:内部时钟频率提升不大,每一代主要通过翻倍预取来实现数据的传输速度的提升。DDR中有两个时钟频率,一个是内部时钟频率(也称为核心频率),是内存收到指令到将数据的传输到I/O接口上所需要的反应速度,这主要由存储单元内部的电容、晶体管、放大器等微观结构决定,提升难度大,所以从SDR到DDR5,内部时钟频率虽有提升但提升幅度不大;另一个是外部时钟频率(也称为I/O时钟频率),外部时钟频率在核心时钟频率的基础上,通过翻倍预取提高速度。
1)SDRSDRAM:在一个时钟周期里只在上升沿传输数据,所以SDR也叫SingleDataRateSDRAM,此时数据的传输速率的提升主要是靠提升内部时钟频率。
2)DDR1SDRAM:内部时钟频率提升难度大,因此通过在时钟周期的上升沿和下降沿各输出一次数据,相当于在一个时钟周期需要预取2倍数据,即每当读取一笔数据的时候,都会一共读取2笔的数据。因此在内部时钟频率不变的情况下,DDR1的数据的传输速率实现翻倍。
3)DDR2SDRAM:预取4倍数据,数据的传输速率达到内部时钟频率的4倍,较DDR1提升2倍。
4)DDR3SDRAM:预取8倍数据,此时数据的传输速率达到内部时钟频率的8倍,较DDR2提升2倍。
5)DDR4SDRAM:标准型DDR的总线位宽是64bit,若进行16倍预取,总共有Byte的数据,超过了目前主流处理器的Cachelinesize(用于处理器缓存的基本数据单元)64Byte的数据通道,由于Cacheline的限制,DDR4没有将预取加倍,而是使用BankGroup技术,通过两个不同BankGroup的8倍预取来拼凑出一个16倍的预取,当DRAM获得了两笔数据的读命令,并且这两笔数据的内容分布在不同的BankGroup中时,由于每个BankGroup可以独立完成读取操作,两个BankGroup几乎可以同时准备好这两笔8倍数据。然后这两笔8倍数据被拼接成16倍的数据,数据的传输速度达到内部时钟频率的16倍,较DDR3提升2倍。
6)DDR5SDRAM:在BankGroup技术的基础上,使用通道拆分技术增加预取倍数,将64位的总线分成2个独立的32位通道,此时每个通道都只提供32bit数据,将预取增加到16倍,仍然保证了Cacheline的大小还是64Byte。通道拆分带来的16倍预取,叠加BankGroup增加的2倍,数据的传输速率达到内部时钟频率的32倍,较DDR4又提升2倍。
按照应用场景,DRAM分成标准DDR、LPDDR、GDDR三类。JEDEC(固态技术协会,微电子产业的领导标准机构)定义并开发了以下三类SDRAM标准,以帮助设计人员满足其目标应用的功率、性能和尺寸要求。1)标准型DDR:DoubleDataRateSDRAM,针对服务器、云计算、网络、笔记本电脑、台式机和消费类应用程序,允许更宽的通道宽度、更高的密度和不同的外形尺寸。2)LPDDR:LowPowerDoubleDataRateSDRAM,针对尺寸和功率非常敏感的移动和汽车领域,有低功耗的特点,提供更窄的通道宽度。3)GDDR:GraphicsDoubleDataRateSDRAM,适用于具有高带宽需求的计算领域,例如图形相关应用程序、数据中心和AI等,与GPU配套使用。另外,DRAM按照市场流行程度可分为主流DRAM和利基型DRAM。
DDR3是利基产品,目前主流是DDR4,DDR5跑马进场。产品不断迭代,按照市场流行程度可分为主流产品和利基产品,利基产品一般是从主流规格中退役的产品。目前市场主流DRAM是容量8GB+的DDR4/DDR5,容量在4GB及以下的DDR4、DDR3等现阶段属于利基DRAM。DDR3主要应用于液晶电视、数字机顶盒、播放机等消费型电子与网络通讯等领域,需求较为稳定,很多都是客制化晶片,不属于大众规格产品,价格主要受供给影响。(报告来源:未来智库)
1.2全球市场超70亿美金,市场萎缩但生命力持久
DDR3市场规模超70亿美金,市场逐渐萎缩,但生命力持久、中短期仍占据一定行业地位。
1)市场规模:自年JEDEC发布DDR3标准至今,DDR3(包括标准DDR3、LPDDR3)已发展15年,年在DRAM市场占比20%,预计年占比8%,年有望维持8%的占比。预计年、年市场规模将分别达到74亿美金、75亿美金。
2)市场逐渐萎缩:年DDR4/DDR4+占比超过80%,目前处于DDR4替代DDR3的切换期。DDR3市场在逐渐萎缩,其市场规模在年达到最大值亿美金,到年缩小到亿美金,市场规模年复合增长率为-20%。
3)被替代速度放缓,中短期仍占据一定行业地位。从DDR3标准的推出,到年DDR3市场规模超过DDR2,历经三年时间;从年JEDEC推出DDR4标准,到年DDR4市场规模超过DDR3,耗时6年。DDR3被DDR4完全替代的速度相对放缓。我们认为原因有二:
①主流DDR3时代导入的产品量远大于主流DDR2时导入的产品量,仅从全球PC年出货量看,根据IDC的数据,年(DDR3新发布,DDR2是主流)出货2.7亿台,年(DDR4发布,DD3是主流)出货3.5亿台,增长近30%,因为各代DDR之间不兼容,如果升级DDR,需要将CPU、主板等一并更换,替换成本高,替换成DDR4的动力减弱。
②DDR3目前主要需求落在大量的低容量低端消费电子领域。该领域产品不追求高性能,短时间内无升级需求,如WiFi路由器、家电等消费性电子产品的首选仍是DDR3,另外在汽车、工业领域,DDR3也有其较为稳定的市场,同时从DDR3切换到DDR4仰赖主控芯片厂的芯片迭代、终端市场的共同推进。DDR3的需求是来自于技术迭代过程中的滞后性,硬件迭代速度慢,我们预计这种滞后性在中短期内仍将存在。
2、中国台湾占据半壁江山,长尾市场较为稳定
2.1主流以韩美为主力,利基市场台系占据半壁江山
DRAM:全球三大原厂寡头垄断,竞争格局稳定,大陆还看长鑫。1)三足鼎立:DRAM竞争格局历经洗牌,现阶段韩国三星、韩国海力士、美国美光三大寡头垄断市场,呈现“三足鼎立”之势。2)格局稳定:年三星、海力士、美光市占率依次为43%、28%、23%,合计占比超90%,自年美光收购尔必达后,三大厂商市场率合计始终位于90%以上,年达到99%,-年因大陆厂商扩产等,三大原厂合计市占率略微下降到94%。
DRAM:大陆第二大市场但自给率极低,长鑫引领发展。1)第二大市场:根据年数据,中国是全球第二大DRAM市场,占据34%的市场,仅次于美国的39%。2)自给率极低:长鑫量产前,本土自给率几乎为0。3)长鑫引领大陆DRAM发展:长鑫是大陆首家DRAMIDM厂商,年在合肥成立,规划三期,产能共36万片/月。年19nm8GbDDR4投产,年预计将试产17nm。从制程发展看,长鑫较三大原厂及南亚仍落后,但已超过华邦。
DDR3:海外+台系CR4高达90%,大陆厂商占比亟待提高。1)三大原厂+中国台湾厂商:根据我们的测算,三星在DRAM市场、细分DDR3市场都是绝对龙头,在DRAM、DDR3市场份额分别达43%、40%,美光在DRAM、细分DDR3市场也是行业领先者,市场份额分别达23%、22%,海力士在DRAM、细分DDR3占比分别为28%、4%,因其逐渐退出DDR3市场,预计其在DDR3市场占比持续萎缩,中国台湾厂商南亚、华邦在DRAM市场份额较小但发力利基市场,南亚在DDR3市场份额达22%,华邦在DDR3市占份额达5%。2)大陆厂商:IDM厂商长鑫发布多种DRAM产品,兆易创新年量产19nm4GbDDR4,目前17nm4GbDDR3在研,北京君正(ISSI)营业收入主要是DDR3,东芯股份目前DRAM产品包括LPDDPR1、LPDDR2、DDR3。
DDR3:韩系龙头逐渐退出,台系厂商产能未就位,DDR3格局优化。三星是DDR3第一大供应商,另外占据主要份额的有海力士、美光、华邦、力晶、南亚。根据中国台湾媒体消息,三星、海力士减产DDR3,计划将产能移转至CIS或者DDR4、DDR5,三星下半年将完全停止2GbDDR3供货,2Gb以下低容量DDR3亦陆续进入EOL停产cft阶段(注:三星已对客户发出产品变更通知(PCN),4/28结束2GbDDR3生产周期,4/29是最后下单(LastTimeBuy)截止日,6/30是最后出货日期)。根据集邦咨询的消息,美光的DDR3到年都暂无结束产品周期的规划,但是DDR3产能预计转移至以生产利基产品为主的美国厂,但美国厂同时生产车用、消费类等产品,在车用存储需求增长的情况下,产能可能向毛利更高的车规产品倾斜,压缩消费类产品的供给。中国台湾厂商南亚、华邦等虽有产能扩增计划,不过实际贡献要等到-年。
料号数量:三大原厂DDR4料号数量遥遥领先,中国台湾厂商利基产品料号数量瞩目,大陆仍有差距。我们统计8家厂商
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