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全球存储芯片市场于波动中保持上升趋势，市场规模从 2005 年的 546 亿美元增至 2020 年的 1229 亿美元，复合增速达 5.6%，IC Insights 预计 2021 年全球存储芯片市场规模将同比增长 22%，2023 年将超过 2000 亿美元。
一、存储芯片：现代信息存储媒介
DRAM 和 NAND Flash 为最重要的两类存储芯片。按照市场规模计算，DRAM 约占存储器市场 53%， NAND Flash 约占 45%，二者份额合计达 98%，为存储器市场主要构成产品。
1.2 发展趋势：DRAM 聚焦制程迭代，NAND 聚焦 3D 堆叠
1.2.1 DRAM：向高性能和低功耗发展，3D 堆叠、先进工艺、EUV 等是未来趋势
（3）GDDR（Graphics DDR，绘图用双信道同步动态随机存取内存）为专门适配高端绘图显卡而特 别设计的高性能 DDR 储存器。GDDR 与一般 DDR 不能共用，时钟频率更高，发热量更小，一般用于电 竞终端和工作站。
高性能和低功耗是性能升级的两大主要趋势。一般来说，绘图用 DRAM 数据传输速度高于计算机用 DRAM，计算机用 DRAM 高于手机用 DRAM。近年来，各类 DRAM 更新迭代快速，高性能和低功耗是 两大主要趋势，目前 DDR、LPDDR、GDDR 已发展至第 5~6 代，较前一代传输速率大幅提升，功耗大幅 度降低。手机 DRAM 方面，目前业内已量产 LDDR5；计算机用 DRAM 方面，目前已演进至 DDR5；绘 图用 DRAM 方面，最新一代的 GDDR6 已商用数年。
从 2D 架构转向 3D 架构演变可能是未来 DRAM 的技术趋势之一。2D DRAM 内存单元数组与内存逻辑电路分占两侧，3D DRAM 则是将内存单元数组堆栈在内存逻辑电路的上方，因此裸晶尺寸会变得比较小，每片晶圆的裸晶产出量会更多，意味着 3D DRAM 在成本上具备优势。
3D NAND 于 2014 年开始商业化量产，主流厂商基本实现产品转换。2007 年，东芝最早推出 BiCS 类型的 3D NAND。2013 年三星推出第一代 V-NAND 类型的 3D NAND。2014 年，SanDisk 和东芝宣布推 出 3D NAND 生产设备，三星率先发售 32 层 MLC 3D V-NAND，至此 3D NAND 市场开始快速扩张。
3D NAND 存储单元向 TLC、QLC 等高密度存储演进。NAND Flash 根据存储单元密度可分为 SLC、 MLC、TLC、QLC 等，对应 1 个存储单元分别可存放 1、2、3 和 4bit 的数据。存储单元密度越大，寿命 越短、速度越慢，但容量越大、成本越低。目前 NAND Flash 以 TLC 为主，QLC 比重在逐步提高。
3D 堆叠大幅提升容量，相同单元密度下寿命较 2D 结构延长。3D NAND 是一项革命性的新技术，首 先重新构建了存储单元的结构，并将存储单元堆叠起来。3D NAND 带来的变化有：（1）总体容量大幅提 升；（2）单位面积容量提高。对于特定容量的芯片，3D NAND 所需制程比 2D NAND 要低得多（更大线 宽），因而可以有效抑制干扰，保存更多的电量，稳定性增强，例如同为 TLC 的 3D NAND 寿命较 2D NAND 延长。
工艺制程演进相对缓慢，3D 堆叠层数增长迅速。从 2014 年到 2020 年，各家厂商 3D NAND 堆叠层 数从 32 层增长至 128 层，大致 3 年层数翻一倍，而工艺制程在 2D NAND 时期就达到 19nm，转换成 3D NAND 工艺制程倒退至 20-40nm，而后又逐步往更高制程演进，制程演进相对逻辑芯片较慢。从各厂商 的技术蓝图来看，NAND Flash 堆叠层数预计在 2022 年将达到 2XX 层，而工艺制程则可能停留在 20- 19nm 左右。
堆叠层数仍有较大提升空间。按照 SK 海力士的预测，3D NAND 在发展到层数超过 600 层的阶段时 才会遇到瓶颈，目前市场上主流产品低于 200 层，未来技术升级空间较大。
主流厂商基本实现从 2D NAND 到 3D NAND 的产品转换，三星电子领先 1-2 年。从 2014 年 3D NAND 量产开始，到 2018 年主要 NAND 厂商基本完成从 2D 到 3D 的产品转换。2018 年 NAND Flash 厂 商三星电子、东芝/西部数据、美光、英特尔等原厂的 3D NAND 生产比重己超过 80%，美光甚至达到 90%。目前，各家厂家已实现 128 层（铠侠和西部数据是 112 层）的量产，176 层正成为主流，2XX 层以 上的研发和量产正在推进，其中三星研发进度最为领先，比其他厂商领先 1-2 年。
1.3 新兴技术：市场应用有限，尚无法构成实质性替代
新兴存储技术应用有限，预计市场份额将长期处于低水平。根据 Yole，目前市场上除 DRAM、 NAND Flash、NOR Flash 其他存储技术的市场份额合计仅 2%，预计到 2026 年新兴的存储技术，包括 PCM、MRAM、RERAM 等，份额仍将不到全市场的 3%。
SRAM、EPROM、EEPROM 基本被替代或应用于较为局限的场景。
（1）SRAM 成本高昂，用于 CPU 高速缓存。相比于 DRAM，SRAM 快速且功耗低，但是成本高昂， 且由于内部结构复杂，SRAM 占用面积大，因此成本高，不适合用于高密度存储低。一般用小容量的 SRAM 作为高速 CPU 和低速 DRAM 之间的缓存（cache）。
（2）EPROM 已被替代。EPROM 中存储的信息在掉电时也能保持，可通过强紫外线照射对信息进行 擦除，是一种可重写的存储器芯片。EPROM 在 Flash 推出后被取代。
新型存储发展方向均是将 DRAM 的读写速度与 Flash 的非易失性结合起来，目前尚无方案可替代 DRAM 和 NAND Flash。目前较为流行的新型存储有四种：PCM、FRAM、MRAM、ReRAM：
（1）PCRAM（相变随机存储器）。具有工艺尺寸小、存储密度高、读写速度快、功耗低、可拓展性 强等优点，但由于 PCM 必须逐层构建，且每一层都必须采用关键的光刻和蚀刻步骤，导致成本与层数等比例增加，因此其不具备规模效益。目前布局的厂商有 Intel、美光、三星等。
二、供需分析：高成长与强周期并存
存储芯片市场规模维持长期增长，在半导体市场的占比波动上行。全球存储芯片市场于波动中保持上升趋势，市场规模从 2005 年的 546 亿美元增至 2020 年的 1229 亿美元，复合增速达 5.6%，IC Insights 预计 2021 年全球存储芯片市场规模将同比增长 22%，2023 年将超过 2000 亿美元。存储芯片在整个半导体中的占比 2002 年在 10%出头，到上一轮景气度高点 2018 年，达到 33.1%，整体处于波动上行的状态。2019 年和 2020 年，由于存储器周期下行，该比例有所下降，根据 WSTS，2020 年该比例约为 27%。
从应用结构变化趋势看，服务器和智能手机成为近 10 年存储需求增长的主要驱动力。（1）智能手机：2010 年智能手机爆发，对存储芯片的需求随之爆发，DRAM 下游应用中智能手机占比开始快速上升，手机 DRAM 市场规模从 2005 年的 21 亿美元增长至 2020 年的 239 亿美元，复合增速 17.8%，手机 NAND 市场规模从 2005 年的 70 亿美元增长至 2020 年的 189 亿美元，复合增速 6.8%。（2）计算（服务器及 PC）：计算市场稳定增长，计算用 DRAM 销售额持续增长，销售额从 2005 年的 233 亿美元增长至 2020 年的 300 亿美元，复合增速 1.7%，增速较低是因为 PC 市场自 2010 年以来有所衰退。而 NAND Flash 下游应 用中计算占比开始快速上升，销售额从 2005 年的 84 亿美元增长至 2020 年的 304 亿美元，复合增速 8.9%。
2.1.1 服务器：云服务资本开支高增，服务器平台升级
服务器出货量稳健增长。根据 IDC 统计，2016-2020 年，由于云计算浪潮、AI、企业数字化转型、物 联网等的推动，全球服务器出货量从 956 万台增长至 1224 万台，复合增速达 6.4%。
云服务厂商资本开支维持高增速，服务器出货增长动能强劲。在短期驱动力（宅经济）和长期驱动 力（AI、云计算）的作用下，全球云服务厂商加速采购服务器，20Q1-21Q2 服务器采购经历了先补库存 后去库存，21Q3 以来服务器需求恢复。短期来看，服务器需求企稳，而全球云服务厂商的资本支出维持40%上下的高增长，我们判断服务器需求有较强支撑。长期来看，5G、云计算浪潮、AI、企业数字化转 型、物联网等快速发展，将促使企业增购服务器。IDC 预计 2021-2025 年维持稳定增长，2021 年出货量 达到 1299 万台，到 2025 年达到 1676 万台，复合增速为 6.5%。
2.1.2 智能手机：5G 快速渗透，单机存储容量提升
智能手机进入存量升级时代，存储芯片单机搭载容量维持高增长。智能手机经历过 2008-2016 年的 爆发式增长，出货量于 2016 年达到峰值，近年来出货量有所下降。随着 5G 换机的推进，智能手机出货量有望恢复小幅增长，整体智能手机市场属于存量市场。其搭载的 DRAM 平均单机容量从 2010 年的 0.5GB 增长至 2020 年 4.3GB，复合增速达 24%，NAND Flash 平均单机容量从 2014 年的 21GB 增长至 2020 年的 108GB，复合增速达 31%。
预计 2025 年全球 5G 渗透率接近 70%，5G 换机拉动存储容量提升。随着全球更多地区开始 5G 商用 部署、各品牌陆续推出 5G 机型，5G 智能手机渗透快速提升。根据 IDC 预测，2021 年 5G 智能手机出货 量将占全球销量的 40%以上，并在 2025 年增长至 69%。国内 5G 渗透率全球领先，2021 年 12 月已达 81%。5G 手机升级带来存储容量升级，根据美光，高清视频、高像素拍摄、5G 传输和云游戏需求不断增 长，智能手机从 4G 切换至 5G，旗舰机 DRAM 配置将从 6GB+提升至 8GB+，NAND 配置将从 128/256GB 提升至 256/512GB，智能手机单机存储芯片搭载容量持续提升。
2.1.3 PC 及平板：存量升级，存储容量稳定提升
2021 年全球 PC 出货量接近历史峰值水平，未来出货量将维持稳定。在疫情远程办公和教育的推动 下，2020 年全球 PC 市场扭转颓势，同比增长 13.5%。疫情并非长期性事件，PC 需求量持续高速增长存 在较大不确定性。IDC 预计 2021 年全球 PC 出货量至 3.45 亿台，同比增长 13.5%，接近 2011 年的历史峰 值，预计出货量到 2025 年维持在 3.5 亿台水平。若考虑进平板电脑，则 2021 年全球 PC+平板出货量达 5.2 亿台，至 2025 年小幅下降至 5.1 亿台。因此，从出货量看，未来 PC+平板为存量市场，其存储芯片需 求主要来自单机搭载容量的提升。
未来 PC DRAM 和 NAND Flash 平均容量将保持高速增长。随着数据存储需求的不断增长，PC 存储 配置逐年升级，根据 PC Matic Research，PC DRAM 容量自 2000 年以来持续增长，到 2020 年单机接近 10GB，NAND Flash 容量变化趋势与之类似。根据 Yole 预测，2020 年 PC 平均 DRAM 容量约为 10GB， 2026 年 PC 平均 DRAM 容量将近 18GB，复合增速约为 10%。而 2020 年 PC 平均 NAND Flash 搭载量约 为 450GB，2026 年 PC 平均 NAND Flash 搭载量将高于 1000GB，复合增速约为 15%。
2.1.4 汽车：自动驾驶高速渗透，单车存储需求高增
汽车智能化驱动数据存储需求，车载存储市场有望提速增长。2020 年全球车载存储市场规模约 46 亿美元， 在整体存储市场占比不足 5%，但成长速度较高，2016-2020 年复合增速为 11.4%，预计随着汽车智能化水平的 提升，车载存储市场提速增长，主要体现在 DRAM（尤其是新能源车用的 LPDDR）、NAND 等需求高速增长， 2021 年车载存储市场将达到 56.6 亿美元，2025 年增长至 119.4 亿美元，2021-2025 年复合增速为 21.0%。从结 构看，车载存储市场以 DRAM 和 NAND 为主，占比分别为 57%和 23%，其他小类的存储芯片如 NOR Flash、 SRAM 和 EPROM/EEPROM 也在车内有广泛应用。
2.2 供给端：产能稳定扩张，工艺制程迭代持续推进
存储芯片位元（bit）供给增长来自两方面：（1）工艺制程迭代带来单片晶圆中位元增长。（2）晶圆 产能的扩张。
（1）工艺迭代：
龙头厂商将主要精力投向制程迭代，以满足高速增长的位元（GB）需求。DRAM 方面，根据 SK 海 力士预计，DRAM 工艺制程从 1Znm 到 1αnm，单片晶圆可切出的晶粒数量增长 25%，在晶圆产能不增长 的情况下，仍将驱动 DRAM 位元供给增长。目前，三星电子、美光、SK 海力士等 DRAM 产品生产正在 引入 EUV 光刻，工艺制程正在从 1Znm 往 1αnm 转换，以满足 DRAM 位元增长的需求。NAND 方面，3D 堆叠工艺持续演进，176 层渐渐成为 3D NAND 主流，目前头部厂商正在推进 2XX 层 3D NAND 的研发和 量产，预计显著提升单片晶圆的位元产出量。
（2）产能扩张：
2021-2022 年 DRAM 和 NAND Flash 产能稳定增长。我们统计了 DRAM 和 NAND Flash 主要厂商的 产能及预测，DRAM 厂商选取三星电子、美光、SK 海力士、南亚科技、长鑫存储等 5 家，NAND Flash 厂商选取三星电子、美光、SK 海力士、Flash Alliance（东芝+西部数据）、英特尔、旺宏、长江存储等 7 家。整体来看，2020 年、2021 年、2022 年 DRAM 产能分别同比增长 4.5%、9.9%、7.0%至 531、584、 625 万片/年，NAND Flash 产能分别同比增长 1.7%、6.7%、5.9%至 688、734、777 万片/年，加上部分无 法归属于 DRAM 或 NAND Flash 以及 NOR Flash、SRAM 等小类存储的产能，2020 年、2021 年、2022 年 存储芯片整体产能分别同比增长 0.0%、7.6%、5.6%至 1258、1354、1429 万片/年，产能稳定增长。
存储新增产能投放集中在 2021-2022 年。分厂商看，三星电子的西安二期扩产，主要为 NAND Flash， 于 2021 年中投产，而平泽 P2 和 P3 的新增产能（DRAM、NAND Flash 及晶圆代工）分别于 2021 年中和 2022 年投产。铠侠/西部数据的 K2 和 Fab7 产能（NAND Flash）将于 2022 年春投产。SK 海力士和美光的 DRAM 扩产则分别于 2021 年 Q1 和年中投产，而国内的长鑫存储和长江存储近两年及未来两年持续有产 能开出，但爬坡需要一定的时间，实际产能相较于全球产能影响有限。整体来看，存储大厂新增产能释 放主要在 2021-2022 年，2021 年产能投放较多，预计 2022 年仍有产能投放，但增速放缓。
往 2023 年以后看，暂无确定的新增产能落地。往 2023 年以后看，三星电子暂无扩产计划；美光计 划在日本广岛投资约 70 亿美元扩产 DRAM，新工厂将于 2024 年开始投入运营；SK 海力士将在未来十年 于韩国首尔投资 1060 亿美元用于扩产 DRAM，新工厂于 21Q4 动工，将于 2025 年完成所有工程项目，之 后启动量产。从各厂商的扩产规划看，目前 2023 年及以后存储芯片确定的新增产能较少。
工艺迭代难以完全满足位元增长需求，预计 2023 年以后存储产能增长达到 5~10%。根据 SUMCO 预 测，2021-2025 年 DRAM 位元需求复合增速达 20%，其中 10%的增速可由 DRAM 工艺迭代满足，剩余不 足 10%的增速仍需凭借产能扩张（即 DRAM 晶圆供给的复合增速仍需达到 10%）。而 2021-2025 年 3D NAND 位元需求复合增速达 31%，其中 30%的增速可由 3D NAND 工艺迭代满足，由于近两年 3D NAND 位元供给增长较多，预计 2021-2023 年 3D NAND 所需晶圆的供给增速为 1%（当前扩产速度超过所需， 因此导致供给过剩），2023-2025 年恢复至 8%的复合增速。因此，我们预计 2023 年以后 DRAM 和 3D NAND 产能增长仍可达到 5~10%。
2.3 周期性：短期价格周期波动，长期单位成本下降
三星电子为存储芯片龙头，产品毛利率波动小于美光和 SK 海力士。一方面，三星电子为集团型公 司，存储芯片仅贡献 20%~30%营收。另一方面，三星电子在市场中占据主导权，多次扩产时机早于美光 和 SK 海力士，因此在每轮价格下跌前获得更高的收益。这份主导权来自于三星电子的技术优势、资金规 模和早期多次逆周期扩产带来的份额优势。
中短周期看，价格呈现周期波动。
1、DRAM 的价格周期性：每轮周期约 3~4 年。
从价格周期看，DRAM 从 2012 年至今经历三轮周期。存储芯片，包括 DRAM 和 NAND，具有较强 的周期性，这主要是需求与供给的错配导致。从时间维度看，DRAM 的价格大致以 3-4 年为一个周期。
（1）第一轮周期：12Q3~16Q2 年。12Q3 至 14Q2：周期上行，主要驱动力为智能手机爆发，对 DRAM 的需求增长；14Q3 至 16Q2，周期下行，以 4Gb（512Mb×8）1600MHz 的 DRAM 颗粒为例，其单 价从 4.43 美元跌至 1.44 美元，区间跌幅 67%，主要因为各厂商扩产落地导致供大于求。
（2）第二轮周期：16Q3~19Q4。16Q3 至 18Q2，周期上行，主要因为主要厂商如美光、三星、SK 海力士将主要产能转移生产 3D NAND Flash，DRAM 没有扩产计划，同时需求增长导致 DRAM 颗粒产能 不足并缺货，价格上行，4Gb（512Mb×8） 1600MHz 的 DRAM 颗粒价格区间涨幅 187%；18Q3 至 19Q4， 周期下行，中美贸易摩擦导致全球下游需求萎靡，服务器、PC、笔电等需求不佳，Dram 供过于求，4Gb （512Mb×8） 1600MHz 的 DRAM 颗粒价格区间跌幅 67%。
2、NAND Flash 的价格周期性：每轮周期约 3~4 年。
类似 DRAM，NAND Flash 价格具有周期波动特性。2012 年至今，NAND 一共经历三轮周期，一轮 周期大致为 3~4 年。
1）第一轮周期：12Q3~15Q4。2013 年之前的上行周期驱动力来自智能手机的需求爆发。2013 年 PC 销售量衰减，导致需求持续疲软，同时各大存储厂新增产能开出，价格战激烈，存储芯片整体供大于求， NAND Flash 价格大幅降低，以 64Gb（8Gb×8）的 NAND Flash 为例，2013Q2-2016Q4，颗粒单价从 6.10 美元跌至 2.32 美元，区间跌幅为 62%。
2）第二轮周期：16Q1~19Q4。16Q1~17Q2，周期上行，非苹果智能手机品牌为提升产品竞争力加速 提升 eMMC／UFS 的容量，SSD 固态硬盘需求也迎来爆发，NAND Flash 需求不断攀升，而大部分厂商处 于从 2D 转向 3D 的过程中，良率爬升普遍较缓，供给下滑严重，供需不平衡造成 NAND Flash 价格持续 上扬。周期上行期间，64Gb（8Gb×8）的 NAND Flash 单价区间涨幅为 105%。17Q3~19Q4，周期下行， 厂商 3D NAND 良率提升、大幅扩产，而需求面仅有智能手机需求动能延续，其他部分如服务器、PC 及 平板需求疲软，NAND Flash 市场价格大幅走弱至 2019 年年底。周期下行期间，64Gb（8Gb×8）的NAND Flash 单价区间跌幅为 50%。
2）第三轮周期：20Q1 至今。本轮周期主要驱动力为 5G 周期终端设备对数据存储的需求和后疫情时 期 PC、笔电、手机和服务器等需求的恢复。本轮周期开始，即 20Q1~20Q4，NAND Flash 价格处于震荡 状态，主要因为新冠疫情叠加中美贸易摩擦对需求形成一定压制，疫情缓解后宅经济拉动 PC、平板等需 求，存储需求释放。21Q~Q2，PC、服务器、手机等消费电子逐步进入备货高峰，NAND Flash 价格上行， 21Q3 开始，随着智能手机等消费电子需求步入低迷，存储厂商持续去库存，NAND Flash 价格有所回调， 价格回调持续至 22Q1，Trendforce 预计 22Q1 仍有 5~10%降幅，Q2 受西部数据/铠侠工厂原材料污染影响， 价格上涨 5~10%。20Q1 至今区间涨幅 40%。
长周期看，单个位元成本呈现下降趋势。根据三星电子，DRAM 技术演进路径主要为缩小工艺制程，随着工艺制程升级，单位 Gb 成本持续下降。而 NAND Flash 2013 年前技术演进路径为工艺制程，随着工艺制程升级，单位 Gb 成本持续下降，2014 年随着 3D NAND 量产，堆叠层数从 32 层持续增长至当前的 192 层，单位 Gb 成本加速下降；同时，伴随存储单元密度提升，从 SLC→MLC→QLC→TLC，进一步促进了单位 Gb 成本的下降。
NAND Flash 长期成本下降趋势快于 DRAM。根据 McCallum 统计，对比 DRAM 和 NAND Flash 的 成本下降趋势，NAND Flash 单位位元长期价格下降趋势快于 DRAM，且预计随着堆叠层数增加，成本加速下降。这是由于 NAND Flash 在突破 3D 堆叠后，技术更新迭代较快，具备显著的规模经济，而 DRAM 技术发展历史较长，技术更加成熟，迭代相对缓慢。
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