电子行业专题报告-新型存储：算力之光

行 业 研 究 2023.09.18 1 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 电 子 行 业 专 题 报 告 新型存储：算力之光 分析师 郑震湘 登记编号：S1220523080004 佘凌星 登记编号：S1220523070005 行 业 评 级 : 推 荐 公 司 信 息 上市公司总家数 493 总股本(亿股) 4,902.07 销售收入(亿元) 29,166.11 利润总额(亿元) 2,717.82 行业平均 PE 87.83 平均股价(元) 31.64 行 业 相 对 指 数 表 现 数据来源：wind 方正证券研究所 相 关 研 究 《半导体设备系列：量测检测——国产化短板，替代潜力巨大》2023.09.16 《存储复盘：拐点已至，AI 存力革新》2023.08.04 《数字 IC 板块开启复苏节奏，IOT 类公司景气度率先修复》2023.05.15 《刻蚀工艺双子星：大马士革 & 极高深宽比》2023.05.12 存储技术发展面临两大瓶颈：1）“存储墙”问题日益严重。冯诺依曼架构下计算与存储分离导致存储器的发展远落后处理器，AI 时代数据处理量激增使得“存储墙”带来的速度与功耗问题愈发严重，存储提速迫在眉睫；2）传统存储技术升级放缓。DRAM：随着头部厂商迈入 10nm 以下节点的比拼，存储单元进一步缩放的难度也在不断提升；SRAM：台积电表示 SRAM 的微缩已经进入极限；NAND：堆叠层数的提升也在放缓。新型存储技术应运而生。 HBM：算力带动需求井喷。与 DDR 对比，HBM 基于 TSV 工艺与处理器封装于同一中介层，在带宽、面积、功耗等多方面更具优势，缓解了数据中心能耗压力及带宽瓶颈。我们看到来自训练、推理环节的存力需求持续增长将带动HBM 市场扩容，同时消费端及边缘侧算力需求趋势也将打开 HBM 中长期维度市场空间，国内产业链也将在材料、设备及产品等各个环节受益。 相变存储器 PCM：有望突破存储工艺物理极限，新存科技 3D PCM 产业化在即。PCM 利用相变材料可逆转换实现信息存储，研究表明相变材料在 2nm 厚度仍可发生相变，有望突破存储工艺的物理极限；3D PCM 有望在数据中心服务器领域大规模应用。产业化方面，英特尔与美光合作生产的 3D Xpoint产品业务高开低走已停止，国内新存科技依托创新中心核心技术及人员，正在大力推进 3D PCM 国产化，预计至 2024 年底开始实现规模量产。 存算一体：国内外布局路径差异化，产业临近大规模量产前夕。存算一体与冯氏架构最大的不同在于其将算术逻辑单元和存储器集成在一起，加快执行速度并减少数据在内存和处理器之间连续传输所消耗的能量。量子位智库预计存算一体产业规模将在 2025 年达到 125 亿元，并在 2030 年达到 1136亿元。产业方面，国际大厂布局先进制程的近存计算，存内处理为下一阶段重点，国内厂商布局多为基于新型存储的存内计算，当前商用已有落地。 磁性存储器 MRAM：取代 SRAM 缓存未来可期。MRAM 利用磁隧道结 MTJ 的磁化特性来存储数据，其优势在于低时延与低功耗，劣势在于其较大的存储单元尺寸和不支持堆叠的特性，使得容量提升和良率爬坡面临阻碍。产业化方面，美国 Everspin 作为独立式 MRAM 龙头，其产品已进入军事、航空等领域，但嵌入式 MRAM 更具发展前景，其对 NOR eFlash 和 SRAM 高级缓存（L3/L4）乃至低级缓存（L1/L2）的逐步替代值得期待。 阻变存储器 RRAM：eFlash 替代正当时。RRAM 是以非导性材料电阻的可逆转换为基础的非易失性存储器，作为结构最简单的存储技术，其优势在于性能容量和成本良率之间较为均衡的表现，而劣势在于芯片的可靠性问题。产业化方面，国外的松下、英飞凌和国内的兆易、昕原为主要参与者，其中独立式 RRAM 在工业级小容量存储市场有所应用，嵌入式 RRAM 已逐步实现对模拟芯片、MCU、SoC 中 eFlash 的替代，未来有望成为 CPU 的最后一级缓存。 铁电存储器 FRAM：有望替代 EEPROM。FRAM 是利用铁电效应即铁电薄膜的自发性极化形式进行储存的非易失性存储器，其优势在于读写速度和功耗，但劣势在于存储密度低、容量有限、制造成本较高。产业化方面，英飞凌旗下的 Ramtron 公司和富士通具备丰富的量产经验，而国内的拍字节（Petabyte）已率先打破国外垄断，新品研发和量产正在逐步推进。 方 正 证 券 研 究 所 证 券 研 究 报 告 -12%-6%0%6%12%18%22/9/18 22/11/30 23/2/11 23/4/2523/7/723/9/18电子沪深300电子 行业专题报告 2 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 客观审视以上技术的发展进程，虽然工艺不成熟带来的良率成本等问题依然存在，我们看好在下游需求的刺激下，产业链协同攻克技术难点带来更优性价比的产品落地，市场空间有望持续突破。 风险提示：下游需求持续疲弱；产业进度不及预期；市场竞争加剧。 电子 行业专题报告 3 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 正文目录 1 存储发展面临瓶颈，新型存储应运而生 .............................................................. 7 1.1 发展瓶颈之一：“存储墙”问题日益严重 ..................................................... 7 1.2 发展瓶颈之二：传统存储技术升级放缓 ...................................................... 10 2 新型存储：HBM、存算一体需求迫切，PCM 有望成未来之星 ............................................. 12 2.1 HBM：算力带动需求井喷，技术迭代加速 ..................................................... 12 2.2 相变存储器 PCM：3D PCM 数据中心需求迫切，新存科技产业化在即 .............................. 26 2.3 存算一体：国内外布局路径差异化，产业临近大规模量产前夕 .................................. 33 2.4 磁性存储器 MRAM：取代 SRAM 缓存未来可期 ................................................... 38 2.5 阻变存储器 RRAM：eFlash 替代正当时 ....................................................... 40 2.6 铁电存储器 FRAM：有望替代 EEPROM .....