存储 IC——现代信息技术的基石

存储器可以说是大数据时代的基石。存储器就类似于钢铁之于现代工业，是名副其实的电子行业“原材料”。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。

从大类上看，存储器可以分为光学存储器、半导体存储器、磁性存储器。半导体存储器是目前最主要的存储器类别， 以断电后存储数据是否丢失为标准， 半导体存储芯片可分两类：一类是非易失性存储器，这一类存储器断电后数据能够存储，主要以 NAND Flash 为代表，常见于 SSD（固态硬盘)；另一类是易失性存储器，这一类存储器断电后数据不能储存，主要以 DRAM 为代表，常用于电脑、手机内存。除了 NAND Flash 和 DRAM，还包含其他门类，例如 Nor Flash、 SRAM、 RRAM、 MRAM、 FRAM 等 。

▲存储器的分类 

存储器行业属于强周期性行业，从历史表现上看，存储器行业总是处于交替出现的涨跌循环之中。存储器行业的波动剧烈，其产业周期强于电子市场及电子元器件市场整体的周期性，暴涨暴跌的情况可谓常态。

从产值构成来看， DRAM、 NAND Flash、 NOR Flash 是存储器产业的核心部分。这缘于一方面性能不断提升的手机操作系统及日益丰富的应用软件极大地依赖于手机嵌入式闪存的容量；另一方面，万物互联等新技术的涌现推动数据量的急速膨胀。

▲主要存储器产品

受益于上述两因素， 2018 年全球半导体营收去年达 4779.36 亿美元，主要贡献来自于存储芯片。存储芯片占半导体总营收的比重从 2017 年的 31%上升至了 2018 年的 34.8%，占比最大。 CAGR 明显高于集成电路整体市场 CAGR，从存储芯片内部结构看， DRAM 占比 57.1%， NAND Flash 占比 39.49%， NOR Flash占比 3.41%。

1、DRAM

在半导体科技极为发达的***，内存和显存被统称为记忆体，即动态随机存取记忆体(DRAM)， DRAM是最常见的存储器，只能将数据保持很短的时间。为了保持数据，使用电容存储，所以必须隔一段时间刷新一次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。

DRAM 是相对于 SRAM 而产生的， SRAM（静态随机存储器)是随机访问存储器的一种, 这种存储器只要保持通电，里面储存的数据就可以恒常保持。 SARM 的优势是访问速度快、功耗非常低，缺陷是单位存储密度不足，成本较高, 因而不适合用于更高储存密度低成本的应用，如 PC 内存。 DRAM 除了兼具SRAM 特点外还拥有非常高的密度，单位体积的容量较高，因此成本较低，几乎适用于任何带有计算平台的个人消费类或工业设备，从笔记本电脑和台式电脑到智能手机和许多其他类型的电子产品等。

▲SRAM和DRAM 内部结构图

随着 CPU 性能的不断提高，终端产品内存也需要逐步升级，高性能的内存搭配高性能的 CPU 才能最大的发挥它的价值与优势， DRAM 发展到现在已历经了五代，从第一代 SDRAM，到如今的第五代 DDR4SDRAM。 DRAM 沿着传输速率更大，总线计时器更多，预读取量更大，数据传送速率更快，供电电压更小的方向发展。

▲SRAM、 DRAM、 SDRAM、 DDR3、 DDR4 参数对比

▲DRAM 传输速度跟随 CPU 性能提升不断提高

从行业上看，早期计算机应用占了整个 DRAM 产业高达 90%份额， 2016 年开始伴随大容量智能手机崛起，手机逐渐取代 PC 成为 DRAM 产业的主流，同时云服务器 DRAM 需求涌现的带动是功不可没的推手，包括 Facebook、 Google、 Amazon、腾讯、阿里巴巴等不断扩充网路存储系统，对于云存储、云计算的 需求提升，都带动服务器 DRAM 需求起飞，目前 DRAM 行业一直被美韩三大存储器公司垄断,三星、海力士、美光占据了全球市场的 95%以上。

▲主要 DRAM 存储器公司

DRAM 节点尺寸目前是由器件上最小的半间距来定义的，美光 DRAM 基于字线，三星和 SK 海力士则基于主动晶体管，美光科技、 三星和 SK 海力士作为 DRAM 市场的主导厂商，这三家公司拥有各自的工艺节点。由于解决了这些技术节点问题，美韩三大厂商凭借领先的工艺水平拉开了与其它存储器厂商的差距。

2、 NAND Flash

NAND Flash 是 Flash 存储器中最重要的一种，其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。 NAND Flash 存储器具有容量较大，改写速度快等优点，适用于大量数据的存储。

Flash 的内部由金属氧化层、半导体、场效晶体管(MOSFET)构成，里面有个悬浮门(Floating Gate)，是真正存储数据的单元。数据在 Flash 内存单元中是以电荷(electrical charge) 形式存储的。存储电荷的多少，取决于图中的控制门（Control gate）所被施加的电压，它控制的是向存储单元中冲入电荷还是使其释放电荷。而数据的表示，以所存储的电荷的电压是否超过一个特定的阈值 Vth 来表示。对于 NAND Flash 的写入（编程)，就是控制 Control Gate 去充电（对 Control Gate 加压），使得悬浮门存储的电荷够多，超过阈值Vth，就表示 0。对于 NAND Flash 的擦除(Erase)，就是对悬浮门放电，低于阀值 Vth，就表示 1。

▲Flash 的内部存储结构

▲NAND Flash 架构图

NAND FLASH 内部依靠存储颗粒实现存储，里面存放数据的最小单位叫 cell。每个储存单元内储存 1 个信息位（bit），称为单阶储存单元（SLC）， SLC 闪存的优点是传输速度更快，功率消耗更低和储存单元的寿命更长，成本也就更高。每个储存单元内储存 2 个 bit，称为多阶储存单元（MLC），与 SLC 相比，MLC 成本较低，其传输速度较慢，功率消耗较高和储存单元的寿命较低。每个储存单元内储存 3 个 bit 称为三阶储存单元（TLC），存储的数据密度相对 MLC 和 SLC 更大，所以价格也就更便宜，但使用寿命和性能也就更低。由于存储数据量的不用，导致 SSD 从可擦写次数、读取时间、编程时间、擦写时间存在差异。

▲闪存芯片存储原理

▲SLC、 MLC、 TLC 性能对比

从工艺上看， NAND Flash 可以分为 2D 工艺和 3D 工艺，传统的 2D 工艺类似于“一张纸”，但“一张纸”的容量是有瓶颈的，三星、英特尔、美光、东芝四家闪存大厂为了满足大容量终端需求，均开始研发多层闪存（3D NAND Flash），英特尔和美光引入市场的 3D Xpoint 是自 NAND Flash 推出以来，最具突破性的一项存储技术，它通过单层存储器堆叠突破了 2D NAND 存储芯片容量的极限，大幅提升了存储器容量，因此技术 3D NAND 具备了四个优势：一是比 2D NAND Flash 快 1000 倍；二是成本只有 DRAM 的一半；三是使用寿命是 2D NAND 的 1000 倍；四是密度是传统存储的 10 倍。

除了传统存储巨头三星电子、 SK 海力士、美光科技，东芝和西部数据也是 NAND FLASH 领域不可忽视的重要力量。

▲主要 NAND FLASH 公司

应用领域看， NAND-FLASH 广泛应用于固态硬盘(SSD), 固态硬盘按照存放数据最小单位 bit 来划分主要可以分为 SLC-SSD、 MLC-SSD 和 TLC-SSD 三类。 SLC-SSD 具有高速写入，低出错率，长耐久度特性，主要针对军工、企业级存储。 MLC-SSD 和 TLC-SSD 固态硬盘的应用主要针对消费级存储，有着 2倍、 3 倍容量于 SLC-SSD， 同时具备低成本优势，适合 USB 闪盘，手机等。

▲NAND FLASH 主要应用领域

整体上来看， DRAM 和 NAND FLASH 占据了存储芯片市场 96%以上的份额， NOR Flash 由于存储容量小，应用领域偏重于代码存储，在消费级存储应用上已出现被 NAND 闪存替代的趋势，目前仅应用于功能性手机，机顶盒、网络设备、工业生产线控制上。

由于存储行业终端用户的 IT 需求往往是综合计算、网络、存储三方面，广泛分布于所有对数据存储有需求的各行各业，涵盖了国民经济的大部分领域，市场规模和发展潜力巨大。

公司层面，由于未来以 DRAM 和 NAND FLASH 为主导的存储器行业趋势仍将延续，海外存储器巨头三星电子、 SK 海力士、美光科技、西部数据、东芝凭借三个先发优势：国家资本支持，数量庞大的技术专利，对下游终端行业多年的渗透，控制了中高端存储器市场，未来仍将继续角逐存储器行业。