【下篇】存储器的未来：无处不在的科技消费

“是说芯语”已陪伴您556天

前言

DRAM产业的强周期性，其实是因为从1990年至2012年长达二十二年来的间歇性大混战。三星的几次逆周期投资，包括行业的兼并整合，以及各种因素叠加之下，DRAM整个产业从来没有过好好赚钱的时间。

这二十二年，总有人掉队，同时总有人为了防止自己掉队，做出防御，最终还是被击溃。直至形成稳定的寡头垄断格局，DRAM的规模开始快速提升，在短短5年内实现了翻倍，从400亿美金达到了1000亿美金。

而对于存储空间的需求，将会成为我们日常生活中无处不在的科技消费。在这里，有人可能会说，我可以把数据存放在云端，就可以减少我个人的存储消费。但是，站在投资角度，以总量的视角来看，云服务提供商所提供的存储空间，最终也需要转化为真实的存储器件上，只是不需要消费者自己去买U盘或者硬盘了而已。

DRAM行业的强周期性，源自于从未停歇的产业混战

对于我们80s末的一代人来说，对电子产品的最初印象，不是大哥大，反而是BB机——传说中的摩托罗拉精英王。在90年代末，台式电脑还未普及，能有一台奔腾II电脑绝对是小伙伴们最为渴望的事情。

1999年春天，经过各种游说，我终于获得了一台联想天鹤电脑。配置“极高”：CPU主频450MHz，采用最新的Intel PentiumIII 处理器，64MB内存，6.4G硬盘。这绝对是当时的高端配置，我很发愁6.4G的硬盘该怎么用…那时候，放学回家玩《帝国时代II》和《红色警戒》，成为了我每天最期待的事情。

直到有位好朋友将自己的奔腾II 400MHz的电脑加了64MB内存。这肉眼可见的速度提升，让我对家里的“高级电脑”产生了质疑。原本安装一个800MB的游戏需要40分钟，加了64MB内存“仅”要20分钟。

当时一条64MB的内存条--售价400元人民币，这并不是一个小数字。2000年千禧之年，我们一群小学生一边谈论着千年虫如何厉害，一边给我出谋划策寻摸着弄个64MB的内存…

在那个年代，64MB的内存条，和将CPU超频150MHz一样酷炫。直到退役，天鹤的内存还维持在128MB的水准上。

现在回想起来，那时候对于我们来说极为“昂贵”的内存，在各个巨头之间却经历着残酷的产业严冬。

在上一篇文章中国存储器：“无心插柳”的战略突围中，结尾处有一张图，标注了从1991年-2016年全球DRAM市场的市场规模。这个规模从1991年的不到100亿美金，飙升到了1995年的400亿美金。

而在此后的二十年中，DRAM行业呈现出明显的周期性特点。在最差的2001年，DRAM的市场规模重新回到了100亿美金附近，十年间几乎无增长。DRAM行业的周期性，在我关注这个行业之后，一直是一个基础认识。

图1：1991-2016年全球DRAM市场规模

资料来源：ITRS，《集成电路产业全书》

然而，重新审视DRAM行业变迁的过程中，却有了不一样的理解。

DRAM产业在经历了70-80年代快速发展后，于90年代快速加入混战。日美半导体协议，加上韩国的大力投资，让日本半导体行业遇到了前所未有的冲击。在韩国政府以及韩国财阀的豪赌下，韩国DRAM产业在1994年实现了对日本和美国的全面反超。

在这里，要重点说明一个问题：

韩国的反超，是DRAM的反超，而非半导体产业的反超。美国依然是全球的No.1，地位不可撼动。即使是当年如日中天的日本，也并未在整个半导体产业层面超越美国。

这归因于：美国在半导体全新的处理器领域有着绝对领先以及垄断。

三星的DRAM发展历程，就是购买生产技术，完成技术导入，最后进行技术吸收。三星从64K DRAM开始，一直买到了1M DRAM。韩国现代也通过为TI代工组装64K和256K DRAM，搞到了64K 乃至1M DRAM的设计与加工技术。

韩国企业在代工、组装过程中，通过购买技术进行消化，迅速完成了基础的技术积累。加上DRAM存储器的设计特点，韩国企业集中在半导体领域一个狭窄的领域中，充分利用他们的“后发优势”：

专注于大规模制造，而非以高密集R&D形式为基础的半导体产业。

从这个角度上，韩国在半导体领域的赶超，关于“超越”的部分，确实被夸大了。底层技术的超越是一个难度极高的正反馈和自我推进系统，而当时的韩国并未能够在真正的创新领域有所建树。

在这一点上，中国的半导体产业现在加速追赶，如火如荼，但也需要注意不要陷入“引进-追赶-落后”的陷阱。

说明韩国的DRAM发展状况，是为了表明一个产业竞争事实：DRAM产业的竞争，更多来自于资本和政府行为，而非单纯的技术推进。这和台积电所在的晶圆代工领域完全不同，台积电做的生意几乎可以概括为：

以先进制程推动算力的提升，同时有资格攫取行业几乎所有利润。

通过先进制程捕捉最有实力的客户，成为这个行业的赚钱逻辑。当一个行业以技术水平最为主要参考的时候，这个行业更容易呈现出稳定增长的状态，直到进入技术瓶颈期。

图2: 2001-2021E全球晶圆代工市场规模（单位：十亿美金）

资料来源：公开资料整理 

对于DRAM产业，90年代是美韩对于日本的围剿，这场战役最终以韩国大获全胜而告终。

韩国以三星为首的财阀通过大规模的投资，辅以美国对日本半导体产业的限制，最终实现了对日本DRAM产业的全面压制。

但是2000年-2001年的互联网泡沫破灭，加上韩国财阀们的再次逆周期投资，日本的DRAM产业受到了二次伤害，一种几近崩溃的伤害。在2001年，日本电气NEC撤出DRAM行业。但是由于深厚的产业底蕴，日本的DRAM产业并未彻底被击溃，还有新兴的尔必达，为日本DRAM产业保留了一颗火种。尔必达诞生于1999年，整合了日本电气NEC、日立、三菱DRAM业务，背后是日本政府的产业意志。 

图3：日本电气NEC退出DRAM行业，随后DRAM现货价格开始止跌.

资料来源：电子设计应用编译，超低价DRAM及其低成本技术

2001年互联网金融泡沫破灭后，DRAM产业经历了长达6年的复苏以及增长。DRAM产业的市场规模也从120亿美金增加到超过300亿美金。然而，2008年金融危机，彻底摧毁了日本DRAM产业。

从2007年开始，韩国财阀三星再次玩起了逆周期投资。在这种企业家意志叠加政府意志的产业竞争中，日本半导体厂商再次被击溃。2008年的DRAM供应过剩程度，比2007年更加严重，于是大多数存储器厂商在2007年价格暴跌后开始控制2008年的产量。

然而，这里不包括三星。

2008年，全球PC出货量同比增长11%，对于DRAM的需求同比增长59%。然而，2007年供给端增长超过80%。在已经产生库存的情况下，三星的逆周期投资让供给大幅提升，远远超出59%的需求量。

雪上加霜的是, 松下笔记本电池工厂在2007年9月30日发生大火。这场火灾直接导致了电池备货不足，使得PC的实际生产量进一步萎缩，更是直接让当年的市场减少了10%的笔记本电脑供应量。 

于是在2008年，产业内的共识是：

除了三星、海力士，谁都有可能永远退出这个行业。

2008年4月下旬开始，DRAM行业开始了最后一次大混战。尔必达（日本）和奇梦达（德国）发表声明，展开合作。同时加入尔必达-奇梦达阵营的还有中国台湾的力晶半导体。另一阵营，海力士和中国台湾的茂德科技合作，美光和中国台湾的南亚科技合作。此后，在2010年奇梦达彻底退出。经过产业整合，2010年后市场上仅剩韩国三星、海力士、尔必达、美光科技四大巨头。几家中国台湾的DRAM厂商基本上依附于除三星外的三大巨头。

显然，在政府意志方面，日本远远不如韩国。2012年，日本尔必达陷入困境，申请破产。美光趁机收掉了尔必达。至此，DRAM市场上三星、海力士、美光形成了三足鼎立的格局。

2019年，DRAM市场份额中，三星占比46%，SK海力士占比29%，美光占比20%，三巨头联手垄断了95%的份额。

非常“巧合”的是，DRAM的价格也从2012年的1.6美金ASP（Average Spot Price）提升到了2013年的2.5美金。2014年1月，DRAM的ASP为2.8美金。在经历了2015年-2016年的短暂下降后，在2018年的3月份恢复至3.5美金。2019年，DRAM的ASP整体维持在3.2美金左右。

图4：2014年-2018年DRAM价格走势

从2012年，三巨头的寡头格局建立起来后，DRAM的价格至今都维持在3美金左右的相对高位。虽然比当年的16美金低很多，但是形成了良好的竞争格局，非常有利于共谋。

 

DRAM的价格完全取决于韩国和美国的态度，特别是美国。美光可以稳定地赚取巨大的利润。这也直接导致，从2012年后，DRAM的全球市场规模最多有小幅的缩减，最终在2017年增长77%，2018年增长10%+，在2018年以及2019年市场规模快速逼近1000亿美金。

 

这一切得益于稳定的市场格局，而并非由DRAM的技术所推动。

 

从上面的内容，我们可以清晰的发现：

 

DRAM产业的强周期性，其实是因为从1990年至2012年长达二十二年来的间歇性大混战。三星的几次逆周期投资，包括行业的兼并整合，以及各种因素叠加之下，DRAM整个产业从来没有过好好赚钱的机会。这二十二年，总有人掉队，同时总有人为了防止自己掉队，做出防御，最终还是被击溃。

 

直至形成稳定的寡头垄断格局，DRAM的规模开始快速提升，在短短5年内实现了翻倍，从400亿美金达到了1000亿美金。

图5：DRAM产业的周期图.

资料来源：电子设计应用编译，超低价DRAM及其低成本技术

存储技术的未来：无处不在的科技消费

这里简单介绍一下存储器的相关基本知识。存储器从断电后数据是否依旧可以被保存的角度，分为易失性存储器（Volatile Memory, VM）和非易失性存储器（Non-VM，NVM）。

图6：存储器的分类

对于SRAM，第一颗1K bit的6T-SRAM由Intel在1976年研发成功。而SRAM和DRAM的区别就在于：使用时是否需要被刷新。SRAM不需要刷新，电路能够保存以前的数据。而DRAM如果不能每隔一段时间刷新充电一次，数据就会消失。

 

SRAM价格高、速度快、功耗相对低，但是容量小，CPU中的Cache通常采用SRAM。目前在10nm技术节点，台积电、Intel都在生产128Mbit 的SRAM产品。

 

对于SRAM的重视，最主要是因为人工智能（AI）的发展，对SRAM的读写速度有了更高的要求，新型SRAM器件是各个巨头越来越重视的产品。

 

至于现在的同步DRAM（又称为SDRAM），又分为单倍数据速率的SDRAM和双倍速率的SDRAM，习惯上成双倍数据速率为DDR，这就是我们平常见到的DDR4，甚至之后的DDR5。

图7：DDR的性能指标简介

在非易失性存储器中，我们平时用的固态硬盘就属于3D Nand，手机中的存储空间就是ROM。

 

至此，目前主流的存储基本介绍完毕。

 

对于存储技术的演进，目前在传统的主流存储技术上，考虑到成本（性价比）以及稳定性、兼容性等众多因素，存储芯片的制程推进远慢与逻辑芯片。

 

从制程角度来看，10纳米级别的DRAM已经经历了1X、1Y、1Z、1α、1β五代产品，分别对应19-18nm、17-16nm、16-14nm。1α则为14nm以下，1β为13nm以下。这和摩尔定律并不对应。

 

同时，与三星不同，美光在13nm以下世代前，都不会使用EUV，而是使用限制的DUV。

 

这意味着，从制造角度来说，DRAM进入了一个相对厂的瓶颈期。同时，前面文章说到了DRAM在设计领域的基本特点，结合设计和制造，中国完全可能在相对短的时间内（几年）快速缩短和韩国以及美国的差距。

图8：主要闪存制造商制程的推进路线（DRAM也可参考）

而对于我们投资来说，上面有关于“瓶颈期”结论很重要，我们之后会继续来验证并修正这个结论。

 

最后，对于前面没有介绍的图6的4种随机存取技术，从PCRAM和MRAM到RRAM，众多全新的存储技术涌向晶圆厂。这种全新的存储技术，并非凭空出现，而是由云计算、人工智能、边缘计算等一系列应用所推动的。这些技术正在不断的扩展着当今主流存储技术的能力。

 

信息技术的进步已将数据的生成速率和数量推到了一定的程度，其中内存和存储是计算机系统优化的重点。传输数据、延迟时间和带宽对于这些系统的综合性能和能效至关重要。创建能够突破这些限制的结构对未来的存储具重要的意义。

 

智能终端的越来越强大，以及人们对于数据的需求，让存储更加重要。当我们玩游戏玩到关键时刻，突然的延迟和卡顿可能葬送我们的胜利，甚至对于大型的网游，可能会让我们的“氪金”丧失意义。

 

对于移动终端，我们可能需要在线看视频直播，甚至在移动终端例如手机、iPad等进行工作。海量的数据不仅仅需要存储在我们的移动终端上，还需要能够通过网络快速的访问。

图9：智能手机、PC对DRAM平均搭载量的变化

 

在直播秒杀的时候，我想没人愿意多等那1秒钟。

 

2019年6月4日，苹果发布了全新的Mac Pro，用户最高可选配1.5TB DDR4 ECC内存 (有 12 个可供用户自行配置的 DIMM 插槽。同时，最高可以选配8TB的固态硬盘。

 

对，你没有看错，是1.5TB（1024GB=1TB）的DDR4内存…顶配版售价将近50w人民币。而苹果售卖的DRAM和固态硬盘，价格也要远高于其他厂商的产品。

 

未来，可能出现的全新的人工智能以及可穿戴的应用，也将会极大的提升人们对于存储的需求。这两年最直接案例就是苹果的Airpods，瞬间的火爆让Nor的需求大幅提升。

 

为了从根本上提高复杂数据处理的性能，满足未来的智能要求，人们也需要一种针对高性能计算的“智能”存储系统其中应包括操作系统，编程模型和内存管理技术，以及原型系统体系结构。

 

通过靠近数据存储的位置使用分布式计算元件和加速器，可能会取得重大进展。最佳硬件平台可以包含互连的内存和横截面带宽较大的存储设备的大型结构。通过集成逻辑运算单元（处理器）和加速器，以及传统的高性能计算元素，同时构建一种能够快速访问所有或部分共享存储空间的硬件系统，将会是未来提高整个设备运算能力的突破点。

 

半导体技术的发展带来的全新应用，正在改变着我们的生活，比如新的智能手机、可穿戴医疗设备、工厂自动化、人工智能等。这一切尖端技术的实现，依靠的不仅仅是CPU或者SoC，也包括在后台工作的存储芯片。

 

我们的单张手机照片，已经达到几兆甚至十几兆，当我们拍了一张精美的照片，我们需要保存。我们需要随时以来微信工作，而打开我们的微信存储空间，我们会发现这个超级应用已经有20GB、30GB，而我个人的微信已经占到了50GB。我们购买手机的时候，对于5G手机而言，8GB+128GB基本上已经是起点。

 

对于存储空间的需求，将会成为我们日常生活中无处不在的真实科技消费。在这里，有人可能会说，我可以把数据存放在云端，就可以减少我个人的存储消费。但是，站在投资角度，以总量的视角来看，云服务提供商所提供的存储空间，最终也需要转化为真实的存储器件上，只是不需要消费者自己去买U盘或者硬盘了而已。

 

而且不要忘了，为此，你需要付费。所以站在总量的角度，当我们需要存储越来越多的数据、拍越来越多的照片、保存越来越多的视频，存储的需求将会逐步转化为一种必需的技术消费品。

 

我们在最后一篇，结合前两篇，最终表达三个观点：

（1）存储器的价格再出现巨大暴跌的可能性很低，周期性源于持续的混乱竞争，以及技术的相对朴素。即使中国加入竞争，未来价格可能出现波动，无论从产业角度还是国际环境的角度，DRAM再出现大幅暴跌的可能性较低；

（2）存储技术进入了一个瓶颈期，中国的存储产业正在加速追赶，可能超出我们的想象；

（3）存储消费，未来将逐步成为一种必需的技术消费。

关于（1），受篇幅所限不展开，结论供大家讨论。

 

至此，关于存储器的介绍告一段落。下周因为工作安排，公众号会做一些新的内容，可能会涉及半导体产业估值的话题，或者是一些半导体材料领域的内容。敬请期待。

参考文献：

`1`大石基之,南庭.超低价DRAM及其低成本技术`J`.电子设计应用,2008(02):23-25+28-34+36.

`2`刘明.半导体存储器技术`J`.科技导报,2019,37(03):62-65.

`3`浅谈新型存储器`J`.电子工业专用设备,2018,47(03):10-12.

`4`单祥茹.应用材料公司用“新剧本”推动后摩尔时代新型存储器实现量产`J`.中国电子商情(基础电子),2019(08):21-23.

本文授权转自：橙子不糊涂，作者：橙子不糊涂