(报告出品方/作者:西南证券,朱斌)
大陆首家实现 64 层 3D NAND 闪存量产的内资 IDM 企业,国家和地方产业基金大力支 持发展。长江存储(缩写“YMTC”,简称“长存”)致力于提供 3D NAND 闪存设计、制造和存 储器解决方案的一体化服务,产品广泛用于移动通信、消费数码、计算机、服务器等领域。公 司于 2016 年 7 月在武汉成立,发展至今已近四年。2017 年 10 月,长存成功设计并制造了中 国首款 3D NAND 闪存。2019 年 9 月,公司成功量产 64 层 TLC 3D NAND 闪存。2020 年 4 月,公司宣布 128 层 TLC/QLC 两款产品研发成功,其中 X2-6070 是业界首款 128 层 QLC 闪 存,I/O 速度、存储密度和单颗容量均为业界最高。公司受国家和地方产业资金的全力支持, 控股股东为紫光国器(隶属于紫光集团),持股 51.04%,大基金持股 24.09%,为第二大股东, 湖北省科技投资集团有限公司持股 12.99%,湖北国芯产业投资基金合伙企业持股 11.88%。
长江存储 3D NAND Flash+武汉新芯 Nor Flash,补齐闪存版图。长存全资子公司武汉新 芯(缩写“XMC”)可提供从 90nm 到 45nm 的高性能 Nor Flash 产品,是全球首家量产 45nm 8Gb Nor Flash 制造商,具备超过 10 年 Nor Flash 制造经验。武汉新芯成立于 2006 年,2008 年 开始提供 12 寸晶圆代工服务,2017 年开始聚焦 IDM 战略,开发高性价比 SPI Nor Flash 产品, 截止 2018 年年底已累计出货晶圆 78 万片。目前,武汉新芯已建成两座工厂,每座工厂的最大 产能超过 3 万片/月。2020 年,NOR Flash 全球市场规模约为 23 亿美金,NAND 全球市场规模 约为 566 亿美金,长江存储+武汉新芯补齐 Flash 产业版图,并从数十亿规模市场步入体量超 二十倍的 NAND 闪存市场,闪存帝国正在崛起。
其他子公司覆盖设计、封测、科技服务等存储产业链多环节,相互配合发展。长江存储旗 下全资子公司长存创芯、紫光存储和武汉长存科技分别负责存储芯片的设计、研发以及科技服 务的业务,协同提供技术支持。子公司紫光宏茂微电子业务涵盖 3D 闪存封测的研发、生产以 及销售业务,湖北三维半导体专注于半导体三维集成制造关键技术及产业化。贸易方面,长江 先进存储产业创新中心,业务涉及货物进出口与技术进出口等。各公司业务相互协调合作,共 同发展。
“自主研发”+“对外合作”构筑雄厚实力,推出自主设计架构“Xtacking®”。长存大力投入 研发,目前研发中心遍布武汉、上海、北京等多地,并与包括中科院微电子所、群联电子、江 波龙电子、威刚科技、联芸科技、慧荣科技、国科微等科研院校和产业公司开展合作。公司在 全球共有员工 6000 余人,其中包括研发工程师约 2200 人。长存 NAND 技术来源于 Spansion (已被 Cypress 收购),已获得整套技术的完整授权,拥有独立知识产权。获取授权后,长存 投入超过 1800 名工程师、超过 10 亿美元和近两年时间重新设计了新的架构 Xtacking®。2018 年 8 月 7 日,长存在 2018 FMS 峰会上发布 Xtacking®1.0 架构闪存技术,目前该架构已更新至 第二代。长存于 2018Q3 成功量产 32 层 3D NAND 产品,成为中国大陆首家具备 3D NAND 生 产能力的内资厂商。2019 年 9 月,公司基于 Xtacking®架构成功量产 64 层 TLC 3D NAND 闪 存。2020 年,公司宣布 128 层 TLC/QLC 两款产品研发成功。长存不断缩短和世界领先水平的 距离,将有望引领国产 NAND 产业崛起。
不同于传统 3D NAND 架构,Xtacking®技术属于自主创新,是突破技术封锁和专利的利 器。在传统 NAND 架构中,I/O 及记忆单元操作的外围电路和存储单元在同一片晶圆上制造。在长存 Xtacking®架构中,I/O 及记忆单元操作的外围电路被生产在一片晶圆上,而存储单元在 另一片晶圆上被独立加工,当两片晶圆各自加工完成后,Xtacking®技术只需一个处理步骤即可 通过数十亿根金属垂直互联通道(VIA,Vertical Interconnect Access)将二者键合接通电路, 并封装到同一个芯片中。因长存的方案需要两片晶圆且增加了后端制造工艺,因此成本较传统 NAND 有所提升,根据长存官方口径,仅增加了有限的成本。
Xtacking优势突出,具有更高的存储密度和研发效率,同时可缩减生产周期。在传统 3D NAND 结构中,外围电路占芯片面积的比例约为 20-30%,若层数增加到 128 层及以上时,该 比例将提升到 50%以上,大大降低了单位硅片的芯片数量。长存的 Xtacking®架构将外围电路置于存储单元之上,可实现更高的存储密度。该架构的存储单元和外围电路分开独立加工,可 实现并行和模块化的产品设计和制造.根据长存官方信息,开发时间可缩短三个月,生产周期 缩短 20%,可大幅度缩短产品的上市时间,进而利于长存以更快的速度追赶国际先进水平。同 时,模块化也提供了外围电路创新和 NAND 产品定制化的可能性。
现阶段长存重点针对消费类 SSD 和手机嵌入式市场。2019 年手机嵌入式存储和 SSD 的 位元需求量分别占总需求的 38%和 49.6%,其中消费级 SSD 需求占 SSD 总需求的 79%,消费 级 SSD 和手机嵌入式存储是 NAND 闪存应用的主要领域。长江存储在 2020 年初表示,根据 芯片容量的适配度,目前企业的开发重点聚焦消费类 SSD 和手机嵌入式产品市场。目前 64 层 3D NAND 初期的终端应用包括 SSD 和 USB 驱动器,之后将切入主流应用市场包括智能手机、 PC,再逐步切入到数据中心和服务器市场。目前公司已开始与智能手机制造商合作开发,也成 为 2020 年政府大规模数据中心建设唯一闪存供应商。
现阶段长存重点针对消费类 SSD 和手机嵌入式市场。2019 年手机嵌入式存储和 SSD 的 位元需求量分别占总需求的 38%和 49.6%,其中消费级 SSD 需求占 SSD 总需求的 79%,消费 级 SSD 和手机嵌入式存储是 NAND 闪存应用的主要领域。长江存储在 2020 年初表示,根据 芯片容量的适配度,目前企业的开发重点聚焦消费类 SSD 和手机嵌入式产品市场。目前 64 层 3D NAND 初期的终端应用包括 SSD 和 USB 驱动器,之后将切入主流应用市场包括智能手机、 PC,再逐步切入到数据中心和服务器市场。目前公司已开始与智能手机制造商合作开发,也成 为 2020 年政府大规模数据中心建设唯一闪存供应商。
2.1 NAND 是存储器第二大细分市场,从 2D 到 3D 是大势所趋
NAND 占存储器市场规模的比例高达 42%,为第二大细分市场。2020 年,全球半导体市 场规模 4402 亿美元,存储器市场规模为 1172 亿美元,NAND 闪存市场规模为 494 亿美元, 存储器占全球半导体市场规模的比例为 27%,NAND 占全球存储器市场的比例为 42%,是存 储器分支中市场规模第二大的产品。
NAND 属于非易失性存储芯片,储存容量大,应用广泛。存储芯片根据断电后数据是否 丢失,可分为非易失性存储芯片和易失性存储芯片,前者包括 Flash(NOR 和 NAND),后者 包括 RAM(DRAM 和 SARM)。NOR Flash 存储容量较小,但读取速度快,主要用于存储代 码。NAND 以块的子单元进行重写和擦除,可以实现更快的擦除和重写,且存储容量大,广泛 用于 SSD(固态硬盘)、手机、平板、服务器、USB 驱动器和存储卡等。
NAND 从 2D 到 3D 是大势所趋,可突破存储容量限制瓶颈。2D 在平面上对晶体管尺寸 进行微缩,从而获得更高的存储密度,但晶体管尺寸微缩遇到物理极限,现已面临瓶颈,达到 发展极限。为了在维持性能的情况下实现容量提升,3D NAND 成为发展主流。3D NAND 把 解决思路从单纯提高制程工艺转变为堆叠多层,成功解决了平面 NAND 在增加容量的同时性 能降低的问题,实现容量、速度、能效及可靠性等全方位提升。2019 年,3D NAND 的渗透率为 72.6%,已远超 2D NAND,且未来仍将持续提高,预计 2025 年 3D NAND 将占闪存总市场 的 97.5%。
垂直沟道 3D 结构搭配 MLC 和 TLC 颗粒类型,为主要产品类型。3D NAND 一般使用 MLC(每单元存储 2 比特数据)或者 TLC(每单元存储 3 比特数据)闪存颗粒。随着每单元 存储 bit 数增加,闪存颗粒的容量逐渐增大,但是擦写速度和寿命都会减少,价格也随之降低。长江存储 64 层产品采用 TLC 闪存颗粒,具有性价比优势。3D NAND 结构可以分为简单堆叠、 VC 垂直沟道和 VG 垂直栅极三种,目前市面上 3D NAND 主要为垂直沟道形式。美光和英特 尔采用浮动栅极结构,在栅极和沟道之间加入电绝缘浮栅。长江存储芯片基于垂直沟道结构并 采用“电荷陷阱存储单元”,以氮化硅绝缘层作为捕获层,有效减少了电荷泄露,允许在较低电 压下写入和擦除,增加了使用寿命,可靠性好、成本较低,相比浮动栅极结构技术难度较小。
在高层扩展方式上,串堆叠是主流策略。3D NAND 存在单层和串堆叠两种层数扩展方式。单层方法指在单片裸片上增加层数,三星从 64 层迁移到 128 层正是采用该方式; 另一种是串 型堆叠,即以在一个平台顶部堆叠另一个平台的方式增加总层数,如厂商将两个单独的 32 层 存储器进行叠加从而实现 64 层芯片。从成本和技术角度来看,串型堆叠制造单个芯片所需的 步骤数是原先的两倍,进而增加了成本和周期时间。随着层数增加,单层方法的技术难度剧增。目前在 128 层的制造上,双层堆叠是主流策略。长江存储 64 层采用单层的扩展方式,采用单 层扩展增加层数,为未来通过双层堆叠以获得 128 层打下基础。
2019 年 64/72 层 3D NAND 产出比重 64.9%,为全球产出的主要部分,92/96L 3D NAND 产出比重占总体的 21.3%。根据 DRAMeXchange 估计,随着 110+层闪存芯片的推出,92/96 层 会被快速取代,产出占有率在 2020 年略微提升后逐步下降,预计 2023 年市场总产出的 72.5% 会被 110+占据。
3D NAND Flash 层数增加,工艺制程难度加大。3D NAND Flash 具有容量更高、性能更 好、单位 Bit 成本更低、功耗更低的优势。美光的 3D NAND 闪存存储容量可以达到 2D NAND 的 3 倍。3D NAND 闪存难点在于制造工艺需要高度的准确性,主要因每一层存储器件阵列都需要完美对准。
2.2 多应用驱动 NAND 市场增长,已步入新一轮上升周期
从下游应用领域看,手机和 SSD 是 NAND 前两大应用市场,合计占有 87%市场份额。NAND 广泛用于智能手机、平板电脑、SSD、OTT、数码相机等众多领域,其中手机和 SSD 构 成了下游的最主要需求。在 2019 年 NAND Flash 的需求构成中,SSD 占比 49.6%,手机占比 38%。
从历年变化趋势看,SSD 增长明显。2013 年,SSD 占 NAND 的市场比例为 13%,到 2017 年已超越手机成为第一大下游应用市场。一方面,超大型数据中心的建设带动大量企业级 SSD 需求;另一方面,消费级 SSD 合约价连续走低,也刺激了其对 HDD 在消费领域的替代。到 2019 年,SSD 占 NAND 市场比例已增长到 49.6%,到 2022 年将有望达到 52.4%。随着 5G 带 来智能手机步入技术创新和出货量上行周期,手机将有望持续占据第二大应用市场地位。
SSD 市场由消费级 SSD 主导,由企业级 SSD 推动增长。全球 SSD 出货量呈现出逐年扩 张的趋势,2020 年全球 SSD 总出货量 3.3 亿台,同比增长 20.8%,预计 2021 年全球 SSD 出货 量将达到约 3.89 亿台,2019 年至 2021 年 CAGR 为 24.5%。企业级 SSD 主要用于数据中心服 务器,消费级 SSD 应用于 PC、相机、游戏机等终端领域。2020 年消费级 SSD 占总 SSD 市场 规模的 80%,是 SSD 市场规模的主要构成;企业级 SSD 比重逐年增长,由 2020 年的 13%到 2026 年预计提升至 20%。相对于消费级领域对于原材料成本控制的看重,企业级应用端更看 重存储产品的完整性,企业级 SSD 凭借自身高性能、高效率和安全可靠的特点,取得了快速 发展,是 SSD 增长的主要动力。
大厂数据中心布局加紧,全球服务器迎来“大年”。以 Facebook、谷歌、亚马逊、微软为首 的全球云厂商季度资本支出自 20Q1 起不断增加,受疫情影响不断增加资本支出。21Q1 亚马 逊、微软、谷歌三大厂商云计算业务收入总和为 264 亿美元,同比增长 41%,云厂商资本开支 有望继续上升。在经历 19 年的下跌之后,国内主要云厂商(百度+腾讯+阿里)资本开支在 1Q20 处开始增长。全球云市场高速增长,以及国内的新基建使得数据中心投资火热,拉动服务器需 求,利好企业级 SSD 增长。
19-21 年企业级 SSD 需求 CAGR 为 15.8%。2019 年企业级 SSD 出货量 3110 万台,占全 球 NAND Flash 产值的 25%,预计 2021 年企业级 SSD 出货量增长至 4170 万台,19-21 年 CAGR 为 15.8%。企业级 SSD 容量逐年扩大,2019 年企业级 SSD 平均容量达到 2.3TB,2020 年将增 长至 2.7TB。大数据时代数据的产生和运算速度都在急速上升,所有的信息都需要存储空间, 政府和企业的大规模数据中心,云服务器和社交软件产生的流量信息等会使企业级 SSD 的需 求动力保持增长。
SSD 价格降低,刺激 SSD 在消费级领域实现替代。消费级 SSD 的应用领域包括 PC、USB、 相机、智能家电等。消费级产品对于性能的要求没有企业级产品高,存在一定的容错度,价格 是提高渗透率的关键因素。随着消费级 SSD 合约价连续七季走低,SSD 的购买成本已经和高 端 HDD 相差无几,激发了消费级厂商用 SSD 替换 HDD 的热情。
固态硬盘正在笔电、存储系统等中替代硬盘。固态硬盘(SSD)以 NAND 闪存为存储介 质,能够提供更快的速度、更小的尺寸、更坚固的结构和更低的功耗。SSD 价格的下跌刺激了 从传统硬盘到 SSD 的转化进程,SSD 已经在工业系统、PC、服务器等多领域开展技术替代,2020 年 PC 端消费级 SSD 搭载率将近 72%。
传输更快的 PCIe 接口正在取代 SATA 接口。固态硬盘接口主要有分为 SATA 接口和 PCIe 通道接口,在颗粒相同的情况下 PCIe 可以实现更高的性能。SATA3.0 带宽为 6GB/s,极限传 输速度 600MB/s,PCIe 通道可把传输通道带宽提升到 10GB/s,极限传输速度超过 SATA3.0, 达到 678.80MB/s。在 2016 年全球 PC OEM 市场中,SATA 为主要介面,占总体的 85%,2020 年 PCIe SSD 占比增长至 85%,逐渐替代 SATA 成为主要介面。
两大新款游戏机改用 SSD,单台消耗闪存芯片量为笔记本两倍。Sony 的 PS5 和微软的 Xbox Series X 在 2020 年圣诞档出售,这两款游戏机的内部存储系统均用以 NAND Flash 为材 料的 SSD 替代传统 HDD,每台游戏机预计搭载存储容量 1TB,约等于每台笔记本电脑 NAND Flash 容量的两倍,游戏机领域有望成为 SSD 的新兴需求之一。
2.2.2 5G 有望带来智能手机出货量回升,叠加容量翻倍贡献 NAND 增长动力
5G 换机驱动 NAND 智能手机出货量回升。全球智能手机市场从 2016 年以来逐渐萎缩, 2019 年全球智能手机出货量同比下降 2.3%,总量约 13.7 亿台,2020 年受到疫情影响,出货 量继续萎缩,据估计 2020 年全球共出货约 12.8 亿台,同比下降 6.6%。2020 年为 5G 手机元 年,此后几年智能手机持续处于 5G 手机换机潮中,叠加疫情后经济复苏因素,IDC 预测 2021 年全球智能手机出货量增速将达到 7.7%,增长至 13.8 亿台,2022 年延续增长趋势,出货量达 到 14.3 亿台,增速为 3.8%,2020-2025 年实现 CAGR 3.7%。5G 手机更大的存储和吞吐量需求 拉动存储市场。
单机“大容量”是趋势,新款 5G 手机存储容量大幅增长。华为 Mate 40 Pro 5G、iPhone 12 Pro、三星 Galaxy S21 Ultra 5G 以及小米 11 Ultra 的存储容量均可达到 512GB 的上限,OPPO Reno 6 Pro+的容量也达到 256GB。单机存储容量的扩大将会继续,预计 2020-2026 年智能手机 平均存储容量可实现约 20%的 CAGR。目前 5G 中低端机常用存储产品为 UFS2.1 闪存、5G 高 端机中 UFS3.1 闪存成为标配。华为 Mate 40 Pro 更是采用了自研的 SFS1.0 闪存,据第三方机 构实测结果,读写速度远超 UFS3.1。据长江存储首席执行官杨士宁曾在 2020 年北京微电子国 际研讨会上公开表示,长江存储 3D NAND 已进入华为 Mate 40 供应链,SFS1.0 使用的闪存颗 粒可能来自长江存储。
5G 时代 UFS3.1 将逐渐占据手机嵌入式市场,拉动高层 NAND Flash 需求。UFS2.1 双通 道的读写速度为 822MB/S 和 242MB/S,性能和 UFS3.1 存在较大差距,UFS3.1 更适用于 5G 时代,主流品牌旗舰 5G 手机几乎都使用了 UFS3.1 闪存。经过 AndroBench 测试,目前最高级 别的 UFS3.1 的持续读写速度分别达到 1953MB/s 和 754MB/s,和 UFS2.1 相比大幅提升。高层 数 3D NAND Flash 更适配 UFS3.0 及以上产品,高层 NAND Flash 需求将加速增长。
2.2.3 全球 NAND 产业已处于上行周期
需求端:5G+企业云建设将推动 NAND 闪存市场规模增长。在 5G 以及企业云建设带动 下全球 NAND Flash 市场规模将会在 2021 年延续增长。受益于疫情带来的远程办公需求,全 球闪存产值在 2020 年强势反弹,产值约为 560 亿美元,同比上升约 30%。NAND Flash 芯片 已经应用于手机、PC、相机、服务器、机顶盒、消费电子、U 盘等众多领域。2021 年,随着 疫情后的经济复苏,形成 5G 智能手机换机潮,全球智能手机出货量的提升带动存储芯片的增 长。5G 手机存储容量大幅提升,2021 年各大品牌 5G 旗舰机型存储量上限几乎都达到了 512GB。推动存储芯片需求的进一步增长。
企业级云服务的大规模建设将会使闪存的需求迎来新一轮的增长。预计 2022 年 NAND Flash 产值将会达到约 770 亿美元,实现 10%的同比增长。2019 年全球 NAND Flash 容量共为 3050 亿 GB,预计 2021 年容量增加至 6300 亿 GB,2016-2021 年 CAGR 为 40.8%。
全球 NAND 市场规模触底反弹。2019 年全球 NAND 市场规模和单价在经历下跌后,在 2020 年回升。2021 数据中心的新开发需求和 5G 手机、游戏主机和笔记本电脑等消费端需求, 继续拉动 SSD 和手机嵌入式市场增长,全球 NAND Flash 需求大量涌现。2020 年全球大厂供 应商供给均相对保守,位元出货量成长率总体呈下降趋势,三星、英特尔、美光和海力士的出 货量年成长率均低于 3 成。在全球供需影响下,全球 NAND 市场规模上涨,价格止跌回升。
2.3 “三高”行业,海外大厂垄断市场
NAND 行业进入门槛高,存在技术、产业整合、客户认可、资金和规模、人才五大壁垒。NAND Flash 生产对性能和产品指标要求高,且需要与先进封装技术和工艺制程相互协同,具 有一定的技术壁垒和产品整合。行业前期投入研发费用高昂,对投入资金、高端人才和企业规 模均提出了更高要求。由于产品验证周期长,各厂之间的合作关系稳定,新厂商进入难度大。
全球 NAND 市场格局集中,市场份额被头部厂商瓜分。NAND Flash 市场格局重组,市场 集中度增强,1996 年全球 NAND 大厂现已多半退出市场,新进厂商通过技术突破占领市场份 额。如今全球 NAND 市场被 6 家厂商垄断,2018 年全球前 6 大厂商占据了 90%~95%的市场 份额,其中三星 2018 年全球市场份额约为 35%-40%,位居榜首;东芝和西部数据分别占据 15% 的市场份额;海力士和美光以 10%的市场占有率紧随其后;2018 年 Intel 的 NAND 占全球市 场份额的 5%。2020 年,市场格局无明显变化。在 3D NAND 领域,三星最早开始 3D NAND 的生产,随后海力士、铠侠、美光相继进军该领域。
3D NAND 新旧世代产品更新迅速,目前 NAND 内存技术已在 90+层实现量产,新一轮技 术之争推进到了 128 层。2019 年 8 月,三星最先推出新款 100+层产品 V-NAND;美光在 10 月推出第四代 3D NAND 样片,该产品基于 RG 架构,层数达到 128 层。11 月,SK 海力士出 样 128 层 3D NAND 产品,预计 2020 年投入市场。20 年 1 月底,西部数据与铠侠共同完成第 五代 3D NAND 技术 BiCS5 的联合研发,2020 年下半年有望大规模生产。
三星工艺制程最先进,引领行业发展,长存持续加快追赶步伐。存储芯片公司之间的竞争 力主要依靠技术水平的突破,所以各大厂商均十分重视新技术工艺的推进。作为最早推出 3D NAND 的厂商,三星发布了基于单层增加方式扩展的 128 层 3D NAND,预计 2020/2021 年将 达到 256 层,2022/2023 年将达到 512 层。在各厂上看 100+层的背景下,长江存储计划跨越 96 层,在 2021 年生产基于 Xtacking®2.0 的 128 层 3D NAND,加快技术追赶脚步。
新一代产品在存储容量和性能上均显著提升。SK 海力士推出的 128L 1TB TLC 采用了单 芯片四层架构设计,并将 3D CTF(电荷捕获闪存)设计和 PUC(Peri. Under Cell)技术加以结合, 在实现容量增加 40%的情况下,制造步骤减少 5%。三星新一代 100+层闪存产品采用“通道孔 蚀刻”技术,相比于 96 层产品,存储单元可增加 40%,经过电路优化后,产品可实现低于 450s 的写入速度和低于 45s 的读取速度,性能提高 10%以上,且耗能降低 15%。
铠侠与西数联合研发的新一代产品 BiCS5 增加了横向密度和存储层,在 BiCS4 基础上芯 片存储容量提升至少 40%,I/O 性能加快近 50%。铠侠在新开发的半圆形存储单元设计中用浮 栅电荷存储层代替电荷陷阱型电荷存储层,通过将圆形单元的栅电极分割为半圆形以减小单 元尺寸,以较少的单元堆叠层数实现更高的位密度。
2.4 大陆自给率低,长存投产带领大陆踏上 3D NAND 自制征程
NAND 闪存长期依赖进口,国产化需求旺盛。中国市场 NAND Flash 需求占全球 31%, 国产化率不足 1%。2017 年中国集成电路产品销售额结构中,存储芯片占比 30%,排名第一, IC Insight 预测 2020 年全球 NAND Flash 可实现 19%的增长,预计中国存储需求量也将实现进 一步增长。中国闪存市场规模约占全球的 31%,闪存芯片自给率不足 1%。2018 年中国进口了 3120 亿美元的芯片,其中存储芯片高达 1150 亿美元。
国家出台投资减税等政策,鼓励国内集成电路发展。集成电路自产化率的提升对我国科技 取得进一步突破有着至关重要的作用。为了加速实现芯片自主生产,摆脱受制于人的情况,国 家先后出台相关投资减税政策,推动行业发展。投资方面,国家推进大基金一二期的建设,为 国产企业提供资金支持;税收方面,国家延续优惠政策,对符合条件的企业分别适用“两免三 减半”(第一二年免征,三至五年减半征收)和“五免五减半”(第一至五年免征,第六至十年 减半征)的优惠。
NAND 国产化的发展离不开大基金的支持。国家未来推动芯片国产化进程,摆脱对发达 国家的技术依赖,于 2014 年国务院颁布《国家集成电路产业发展推进纲要》,由国开金融、 中国移动等企业共同组建了国家集成电路产业(大基金),一期大基金初期实际募资金额 1387.2亿元,截至 2018 年 9 月共投资了 77 个项目以及 55 家集成电路企业。
存储芯片方面,一期大基金在长江存储注资超过百亿,是大基金单笔出资最大的项目。长 江存储致力于国产 3D NAND 的研发,2019 年长江存储 64 层 3D NAND 发布,虽然与国际大 厂先比依然落后,但是对于存储芯片国产化具有划时代意义,公司计划 2020 年直接跳跃进入 128 层 3D NAND 的研发生产,追赶国内先进水平。国家集成电路产业投资基金二期股份有限 公司于 2019 年 10 月注册成立,共募集资金 2041.5 亿元。华芯投资方面表示长江存储二期预 计由紫光集团和大基金二期共同出资建设。
中国存储器厂商多方布局,扩展国内存储器版图。国内存储器业务布局对 DRAM、NOR 和 NAND 全面覆盖,其中 DRAM 厂商主要包括晋华、长鑫存储、紫光集团及旗下紫光国芯半 导体,中芯国际、武汉新芯、ISSI 和兆易创新业务涉及 NOR 产品,研发生产 3D NAND 的厂 商有长江存储以及其子公司武汉新芯,此外三星和英特尔也在中国布局了其 3D NAND 的生产 业务。
长江存储引领国内 NAND Flash 行业发展。国产存储器厂商中,长江存储专注于 3D NAND 的研发制造。公司设计制造了中国首款 3D NAND 闪存,并于 2019 年成功量产 64 层 TLC 3D NAND 闪存。技术方面,长江存储自主研发 Xtacking®技术,全面提升存储密度和性 能,实现对技术封锁的突破。其全资子公司武汉新芯(XMC)业务覆盖 3D NAND 制造,配合 长存推动国内 NAND Flash 行业发展。
存储产业多以 IDM 为主,存储晶圆标准化程度高,客制化功能移向产业链后端。和逻辑 芯片产业链不同,存储在分工方式和产业各环节侧重时有所不同。1)因布线设计与晶圆制造 技术结合更为紧密,主要晶圆厂均采用 IDM 模式经营,而逻辑自 1990 年开始受低成本和提升 效率等因素驱动,产业链已由 IDM 模式切换成分工模式。2)在晶圆到产品的应用过程中,存 储器核心功能是数据存储,晶圆标准化程度高,核心功能通过 IC 设计和晶圆制造实现,应用 场景产生的客制化功能实现移向产业链后端,主要在主控芯片设计、固件开发及 SiP 封装等环 节实现,因此存储 IDM 完成制造后仍需开发大量应用技术以实现从标准化晶圆到具体存储产 品的转化。而逻辑芯片目标功能多样,在设计+代工环节已完成产品开大的核心周期。
长存属于 IDM 厂商,主要完成包括 NAND 的设计和制造两个环节。长存大规模投产将拉 动包括设备、封测、材料、设计等环节发展。
长存自身封测产能无法满足需求,部分封测外包,利好国内具备 NAND 封测能力供应商。在封测环节,以三大原厂为例,除建立自有封装产线外,也通过外包的形式进行产品的封装和 测试。存储器封测厂商包括中国台湾力成、华东、南茂科技、新加坡 UTAC、韩国 Hana Micro、 Semiteq、Signetics、STS、中国大陆厂商深科技、华天科技、长电科技、通富微电等。我们认 为大陆具备 NAND 封测能力的企业将有望受益长存大规模量产。
3.1 设备是 3D NAND 闪存资本开支大头,其中刻蚀设备占比最大
长存 30 万片/月产能规划,为国产设备提供广阔空间。长江存储目前产能规划三期共计 30 万片/月,预计将于 2025 年建成。根据我们测算,在设备价值量最大的三个环节,刻蚀、光刻、 PVD+CVD 预计 21 年的设备需求分别为 420、48、720 台。
我国半导体设备在经历依赖国外技术、自主研发两个阶段后,现已步入国产化替代阶段。2008 年以前,我国半导体技术主要依赖国外技术,此阶段国内多家领先企业先后成立,包括 2000 年中芯国际、2001 年七星电子(现北方华创)、2004 年华为海思、2004 年中微半导体,而 2006 年启动“02 专项”则是为我国半导体发展指明了大方向。2008 年-2015 年,我国进入半 导体自主研发阶段。2015 年后我国进入国产替代阶段,其中中芯国际于 2015 年和 2019 年分 别实现 28nm 和 14nm 产品的量产,2016 年中国集成电路设计公司的总量超过 1300 家、较 2015 年增加 117%,2019 年长江存储和长鑫存储实现了 Nand Flash 和 DRAM 的量产。
大陆企业已在多环节均有布局,但国产化率仍较低。晶圆生产和测试所用设备种类广,大 陆企业已布局多数设备。1)蚀刻设备(占 23%,国产化率<20%):北方华创(硅蚀刻和金属 蚀刻)、中微半导体(等离子体刻蚀)、屹唐半导体(离子体蚀刻)。2)光刻设备(占 20%,国 产化率<10%):上海微电子、芯碁微装。3)PVD/CVD 设备(占 20%,国产化率<10%):北方 华创(PVD、CVD),沈阳拓荆(CVD)。4)量测设备(占 12%,国产化率<10%):精测电子、 华峰测控、长川科技、上海睿励。5)清洗设备(占 6%,国产化率<10%):盛美半导体(清洗 设备)、纯科技(清洗设备)。6)热处理设备(占 4%,国产化率<20%):北方华创(氧化、扩 散以及退火三环节均有设备)。7)离子注入设备(占 3%,国产化率<10%):万业企业、中电 科电子装备。8)CMP 设备(占 3%,国产化率<10%):华海清科。
低自给率叠加广阔发展空间,国产设备商迎来快速发展机遇。半导体设备中,体量最大的三 个环节为刻蚀及清洗设备(159 亿美元)、光刻设备(117 亿美元)、沉积设备(120 亿美元), 而各环节国产化率均较低,分别为<20%/<10%/<10%,国产替代空间巨大。而从中外设备龙头公 司体量来对比,国内龙头与国外龙头相差数十倍:营业收入上大陆企业目前基本在 10 亿美元以 内,而国外龙头已达到百亿美元级别;国内龙头均处于盈利初期,净利润不过 1 亿美元,而海外 龙头净利润在几十亿美元;市值上,国内龙头达到百亿美元级别,而海外已有市值过千亿美元的 龙头。
3.2 半导体材料领域国产化率低,内资厂商积极布局抓住市场机遇
长存大规模量产将拉动材料环节增长。半导体制造需要多种类型材料,2019 年半导体材 料市场空间约 320 亿美元,其中硅片市场规模为 120 亿美元,占比最高为 38%,特殊气体市 场规模约为 43 亿美元,占比 13%,位列第二,其他重要材料包括光掩模、光刻胶、抛光材料、 靶材等。全球硅片产业主要有日本信越化学、日本 SUMCO、德国 Siltronic、中国台湾环球晶圆、 韩国 SK Siltron 厂商垄断,市占率依次为 28%、24%、14%、16%、10%,大陆厂商硅产业集团 市占率约为 2.18%。
半导体材料领域国产化率低,内资厂商积极布局抓住市场机遇。以价值构成最大的硅片为 例,当前我国的国产化率非常低。全球市占率前 3 的硅片厂商分别为日本的信越化学、SUMCO 和中国台湾的环球晶圆,CR3 高达 68%,中国大陆规模最大的和晶科技市占率仅为 2.54%。国内电子特气市场中,海外 4 大气体巨头控制了 88%的市场份额,电子气体国产替代需求十分 迫切,华特气体作为国内电子特气领军企业之一,其产品已经入中芯、华虹、长江存储等国内 知名企业和台积电、英特尔、美光科技、德州仪器、SK 海力士等全球领先的半导体企业,已 实现对国内 8 寸以上集成电路制造厂商超过 80%的覆盖率。整体上,国内厂商正在奋力追赶, 从材料种类来看,目前内资厂商已经实现整个半导体材料的全品类布局,并产生各自领域的规 模上市企业。
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