存储控制芯片 | 鋆昊资本行业聚焦

发布时间:2021-03-10来源:阅读量:1183

导语:半导体行业分为集成电路、光电器件、分立器件、传感器等子行业,集成电路又分为逻辑芯片、模拟芯片和存储等细分行业。其中,存储器是半导体产业中最大的细分领域,几乎所有常见电子设备都需要使用各种形式的存储器。本文将对存储控制芯片行业进行梳理。


1存储器行业概况


根据WSTS的数据,2018年全球半导体市场规模约4,780亿美元,存储器市场规模约1,650亿美元,占全球半导体市场34.5%的份额。


存储器发展至今,存在多种多样的形态,其中半导体存储器按照停电后数据是否可继续保存在器件内,可分为掉电易失和掉电非易失存储器件两大类。易失存储器即日常所称的内存,用于电子设备运行时调用系统和软件的暂时性存储程序以及数据的地方。非易失性存储器经历多年技术进步,当前以闪存(Flash)为主流产品,多用作电子设备的外部存储器,如存储卡、U盘、移动硬盘等。


从市场份额来看,众多半导体存储器中DRAM 存储器和NAND闪存存储器是当前最重要、市场规模最大两类主流产品。DRAM应用于电子产品系统硬件的运行内存(即掉电易失性存储),市场规模约占存储器的42%;NAND Flash则是闪存类产品(即掉电非易失性存储)的主要类别,市场规模约占存储器53%,其余小部分闪存以Nor Flash为存储介质,市场规模约占存储器3%。


2NAND Flash存储器及存储控制芯片行业概况


NAND Flash最早由东芝于1989年提出其结构,将存储单元以矩阵形式组织,连接方式为串联。其结构能够提供高单元密度,可达到高存储密度,且数据写入和擦除速度快,但因其串联结构而无法直接进行位读取,从而无法直接进行程序运行,故NAND Flash存储器需要外加一个控制芯片,承担存储器指挥、运算以及协调的作用,具体包括:1)合理调配数据在各个NAND Flash芯片上的负荷,让所有的闪存颗粒都能够在一定负荷下正常工作,协调和维护不同区块颗粒的协作;2)承担数据中转,连接闪存芯片和外部接口;3)负责存储器内部各项指令的完成,诸如纠错、存储空间优化、磨损均衡等。存储器控制芯片即指应用于NAND Flash存储器的用于控制存储器运行的芯片。


从应用形态来看,NAND Flash的下游产品包括USB(U盘)、存储卡(如SD卡)、SSD(Solid State Drives固态硬盘),以及嵌入式存储 (eMMC 、eMCP 、UFS )等。USB是常见的移动存储设备;存储卡则多用于电子设备的外设存储,如数码相机、行车记录仪、玩具等;SSD是固态硬盘,一般应用于个人计算机、服务器等领域;嵌入式存储主要应用于手机、平板电脑、游戏机、车载电子等智能设备。


当前嵌入式存储约占NAND Flash产品约44%的市场份额,SSD约占44%的市场份额,USB及闪存卡市场份额约10%,其应用仍在持续萎缩中。SSD和嵌入式存储是存储器控制芯片最重要的应用领域。


(一)需求端


1.SSD


SSD是新兴的大容量存储设备,相较于传统机械硬盘(HDD硬盘) ,SSD数据存储读写速度远高于HDD、功耗更低、噪声小、重量轻,且因内部不存在机械部件,具备防震抗摔性,数据安全性更高。


SSD近年来持续快速增长,根据Techno Systems Research,2019年全球SSD出货量预计达2.33亿台,较2018年增长38%;预计2020年全球SSD出货量将达到2.79亿台,到2023年达到3.32亿台,2019-2023年4年复合增长率保持9%。


SSD的快速增长得益于两方面:


1)消费级应用中对传统HDD的取代。近年来随着轻薄型笔记本电脑的推出以及传统笔记本电脑不断轻薄化,具有体积、重量、功耗优势的SSD不断取代2.5寸HDD,同时由于技术进步等原因,SSD价格持续下跌,进一步推升SSD 渗透率。据统计,2017年SSD对HDD每GB的价格约为7:1,而到2019年定价比率已经快速下降到4倍左右,目前500GB容量的SSD价格仅略高于HDD。在这一因素推动下,SSD渗透率从2015年15%提升至2018年39%,预计2021年渗透率有望超过50%。


2)企业级SSD受云端服务驱动而兴起。企业级SSD主要供应云端服务器市场,下游包括Facebook、亚马逊、百度、阿里巴巴、Google等云计算龙头企业。SSD的技术进步解决了NAND芯片的一些固有技术缺陷(例如写入时间长、读/写周期有限),叠加大数据分析带来具有实时、独特、结构化和非结构化数据访问和分析要求,企业用户倾向于采用响应更快速的内存/存储层次结构,带动SSD渗透率不断提升。


根据Techno Systems Research统计,2015年至2019年间,企业级SSD硬盘市场收入从47亿美元增至104.7亿美元,复合增长率为17%。2019年全球出货约2,800万台,复合增长率达30%;2020年出货量或将达到3,500万台。目前企业级SSD平均容量需求已达到1.5TB,正快速向8TB迈进,未来在数据中心、服务器领域的应用将使企业级SSD 保持高速增长。


2.嵌入式存储


移动设备,包括智能手机和平板电脑的存储方案当前主要有两种,一种是CPU 和DRAM 组成PoP(Package on Package堆叠封装) ,搭配eMMC做固态存储,存储容量大、信号完整性较好;另一种是将eMMC和mDDR一起进行MCP封装 成eMCP,其体积较小,多用作小容量存储。目前市场上还有一种存储芯片UFS,与eMMC 的主要区别在于UFS 基于串行数据传输技术,而eMMC 基于并行技术,因传输方式不同,UFS的读写速度要高于eMMC。以上类别产品的存储颗粒均为NAND Flash。


嵌入式存储因自带控制芯片,可以减少主芯片运算负担、管理更大容量存储空间,以及产品研发速度快、功耗低、体积小等优势,因此在智能手机及平板电脑中被广泛应用,伴随着过去几年智能移动设备的崛起,嵌入式成为NAND Flash下游主要应用领域之一。除了手机和平板之外,日渐丰富的智能穿戴设备以及其他智能设备也进一步催生了对嵌入式存储器的需求。


近年来智能手机的渗透率已见顶,从2017年开始智能手机出货量连年下滑,2019年出货量为13.7亿台,同比减少2.4%。当前智能手机对嵌入式存储的需求驱动主要来自单机存储容量的提升。随着拍照、摄像分辨率的提升、大型手游的推出和传统APP 所需容量越来越大,智能手机的ROM需求也越来越大。国产龙头品牌的主流机型闪存配置已由2015年的16-32GB提升至2019年的128-256GB,美光预测2021年手机平均闪存容量将达到142GB,旗舰型号或将达到1TB。存储容量的增长将利好NAND Flash存储颗粒,即单机存储颗粒的需求量增长。但由于一台手机(或一个存储器)往往只需要一颗控制芯片,导致存储控制芯片的需求量更多受存储器出货数量影响。未来几年内5G技术带来的换机潮有望刺激智能手机出货量回升,从而利好存储控制芯片的需求。


此外智能穿戴设备亦在快速崛起,根据Gartner统计,2018年全球智能穿戴设备出货量为1.72亿台,2014-2018年4年复合增长率达55%。但相对智能手机,智能穿戴设备体量还较小,短期内难以形成对存储器的显著需求增量。


(二)供给端


NAND闪存存储器产业链包括芯片设计、制造、封装测试和模组制造等几个主要环节。从参与方来看,主要分为NAND Flash颗粒制造厂、主控芯片设计厂、封装工厂与品牌销售方。


封装企业与其他半导体封测企业有较大的重合,国内企业有如日月光(台湾)、长电科技、华天科技、通富微电等。我国在半导体封测领域处于国际上的第一梯队,因此在NAND Flash存储的封装领域表现也较为优异。


NAND Flash颗粒生产制造厂中,主要厂家有三星、东芝(现品牌名为铠侠)、西数、美光等,其中三星处于领先地位,市占率为34%,东芝与西数的合资工厂产能共用,若将其收入合并计算,其市占率与三星相当;前五大厂家市占率达到90%,呈寡头供应格局。国产厂商长江存储处于起步状态,正在市场与技术上奋起直追。


模组及品牌方面,NAND Flash颗粒原厂基本都有自己的品牌销售。其中国产厂商长江存储是紫光集团的子公司,紫光集团另一子公司紫光存储负责最终存储形态的产品销售,主要包括SSD产品。此外市场上还有金士顿、威刚科技等模组品牌厂 。从SSD终端市场来看,三星和西数占据主要市场,市场份额分别为29.6%和17.1%;金士顿、东芝和海力士分列其后,市场份额分别为11.5%、9.1%和9%,前五大厂商占据76%的市场份额;美光和英特尔亦有7.1%和6.4%的市场份额。


存储主控芯片方面,早年主要由NAND Flash颗粒原厂如三星、东芝覆盖生产,后随着半导体产业的分工迁移,逐步发展起一批独立的存储控制芯片厂商,主要有美系企业Marvell,以及台系企业群联(Phision)、慧荣(SMI),SSD中台系的主控芯片产品目前是市场上的主流。


NAND Flash生产门槛极高,一座工厂的投资动辄数十亿美元,市场垄断格局稳定。但存储控制芯片的生产制造可交由台积电等代工厂完成,芯片设计方面亦有成熟的ARM内核、DDR物理层等IP授权可用,研发难度大大降低,因此2015年来国内陆续涌现出多家存储主控芯片创业企业,如江波龙、国科微、忆芯、华澜微、得一微等。另外台系厂商在大陆亦有设立子公司,如群联在合肥成立了兆芯科技,杭州联芸科技脱胎于台企智微科技的中国区研发中心(海康威视于2017年收购其41.63%的股份)。


(三)存储主控芯片竞争格局


目前整个存储控制芯片市场规模约在30亿美元左右,其中SSD主控芯片市场规模约12亿美元(根据Marvell 2018年年报,按全球SSD出货量2亿颗,每颗6美元计算),嵌入式存储控制芯片市场规模约13亿美元(按照台湾慧荣2017年嵌入式存储控制芯片营收约4亿美元占30%的市场份额计算),其他为移动存储主控芯片等其他应用。


其中,三星全部为自研主控;Intel企业级产品自研主控,消费级产品部分外购主控;海力士、东芝号称自有主控;美光、西部数据外购。整体而言,第三方存储主控市场规模约10-15亿美元。其中:


移动存储控制器芯片——低端市场


如SD卡/PD卡/TF卡/U盘等消费级存储的控制器芯片门槛较低,参与方众多。SD卡领域全球有10余家参与方;USB存储领域全球有20余家参与方。


嵌入式存储和SSD固态硬盘控制器芯片——中高端市场


国外厂商占据高端市场:市场上的高端主控芯片订单主要集中在美国的Marvell和Microchip(收购PMC而得),面向的主要是工业领域和企业级市场。台湾的慧荣科技(SMI)、群联电子(Phison)在消费电子占据主导地位,同时不断进入高端市场;


国产厂商试水中高端市场,存在短板:国产SSD控制器厂商有三四十家,但技术水平参差不齐,参与方包括:海思、得一微、国科微、华澜微、联芸、忆芯、紫光得瑞、江苏华存、合肥兆芯、大普微、英韧、山东华芯、衡宇科技、芯邦科技、中勍科技、宏芯宇、翰顺联电子、扬贺扬、康佳半导体、一方信息、大心电子等。大部分国产SSD主控核心的IP是从国外授权/购买使用许可的,没有自己可以修改的源代码。总体来说,国产SSD主控芯片在技术积累上还存在短板,IP大多外购,技术升级发展方面被制约。


但在保护信息安全的背景下,存储器的国产化替代具有重要意义。由于来自海外的进口硬盘,在异常时期很容易被海外操控,形成信息泄露、信息被彻底删除,更可能造成电子战的先进武器装备失灵、传递虚假信息。目前长江存储已经发布128层存储颗粒,因此存储控制器的国产替代将进一步推动存储产业的全面国产化,为国产厂商带来机会。


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